PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4013626C1 29.05.1991
Titel Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
Anmelder Eupec Europäische Gesellschaft für Leistungshalbleiter mbH & Co KG, 4788 Warstein, DE
Erfinder Caffier, Robert, Dipl.-Phys., 7201 Talheim, DE;
Kaußen, Franz, Dipl.-Phys. Dr., 4788 Warstein, DE
Vertreter Fuchs, F., Dr.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 27.04.1990
DE-Aktenzeichen 4013626
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.05.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.05.1991
IPC-Hauptklasse H01L 21/328
IPC-Nebenklasse H01L 21/324   
IPC additional class // H01L 29/91,29/74  
Zusammenfassung Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper, der eine n-leitende Zone aufweist, die aus einer schwach dotierten n--Teilzone und einer höher dotierten n-Teilzone besteht. Zur Vermeidung epitaktischer Verfahrensschritte oder tiefer Diffusionen besteht das Verfahren darin, daß zunächst die für die Funktion des Halbleiterbauelements erforderliche Halbleiterstruktur ohne die n-Teilzone in dem Halbleiterkörper erzeugt wird, daß anschließend in dem gesamten Halbleiterkörper thermische Donatoren aktiviert werden, wodurch die Dotierung der schwach dotierten n--Teilzone angehoben wird, und daß dann die thermischen Donatoren in dem Bereich der n-leitenden Zone als höher dotierte n-Teilzone bestehen bleibt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper, der eine n-leitende Zone aufweist, die aus einer schwachdotierten n&supmin;-Teilzone und einer höherdotierten n-Teilzone besteht.

Bauelemente mit einer derartigen, aus zwei unterschiedlich dotierten Teilzonen bestehenden, n-leitenden Zone sind z. B. schnelle Dioden, asymmetrische Thyristoren oder sogenannte IGBTs. Die höherdotierte n- leitende Teilzone wird als Stopp- oder Pufferschicht bezeichnet.

Um bei einem asymmetrischen Thyristor eine möglichst große, höchstzulässige Vorwärtsspannung zu realisieren, wird die Dotierung der n-leitenden Zone derart gewählt, daß die Feldstärke längs der n&supmin;-leitenden Teilzone annähernd waagerecht oder schwach geneigt verläuft. Zu der n-leitenden Teilzone hin fällt die Feldstärke dann am n&supmin;-Übergang verhältnismäßig steil auf nahezu Null ab, so daß die Raumladungszone nur wenig in die n-leitende Teilzone eindringt, was sich vorteilhaft auf das Sperrvermögen auswirkt. Der vorstehend beschriebene Feldverlauf wird durch eine niedrige Dotierungskonzentration in der n&supmin;-leitenden Teilzone und einen verhältnismäßig steilen Anstieg der Dotierungskonzentration beim Übergang von der n&supmin;-leitenden Teilzone erreicht. Da die n-leitende Teilzone, wie bereits erwähnt, dafür sorgt, daß die Raumladungszone bei Vorwärtsbelastung nur wenig in diese Zone eindringt, wird diese Zone als Stoppschicht bezeichnet. Ferner werden durch die Stoppschicht Feldstärkeüberhöhungen im dynamischen Betrieb vermieden.

Die Stoppschichten wurden bisher vorwiegend durch tiefe Diffusionen hergestellt, die jedoch eine lange Diffusionszeit beanspruchen, wobei der Dotierungsverlauf auch nicht frei wählbar ist (europäische Patentanmeldung 02 14 485). Andererseits ist es auch möglich, zunächst nur die n&supmin;-leitende Teilzone herzustellen und anschließend die n-leitende Teilzone, nämlich die Stoppschicht, epitaktisch abzuscheiden. Die Epitaxie ist jedoch ein sehr teures Verfahren, insbesondere im Hinblick auf die bei Leistungsbauelementen notwendigen Schichtdicken, und weisen darüber hinaus eine nicht erwünschte, große Defektdichte auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements verfügbar zu machen, das eine aus einer n&supmin;- Teilzone und einer n-Teilzone bestehende, n-leitende Zone aufweist, bei dem die n-Teilzone nicht epitaktisch abgeschieden werden muß oder deren Herstellung lang dauernde, tiefe Diffusionen erforderlich macht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Halbleiterkörper verwendet wird, der thermisch aktivierbare Donatoren enthält, daß zunächst die für die Funktion des Halbleiterbauelements erforderliche Halbleiterstruktur ohne die n-Teilzone in dem Halbleiterkörper erzeugt wird, daß anschließend in dem gesamten Halbleiterkörper thermische Donatoren aktiviert werden, wodurch die Dotierung der schwach dotierten n&supmin;-Teilzone angehoben wird, und daß dann die thermischen Donatoren in dem Bereich der n-leitenden Zone, der die n&supmin;-Teilzone des Halbleiterbauelements bilden soll, desaktiviert werden, während der übrige Bereich der n-leitenden Zone als höherdotierte n-Teilzone bestehen bleibt.

Bei diesem Verfahren wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, daß in Silicium oder auch Galliumarsenid thermische Donatoren erzeugt werden können. Bei Silicium wird der Effekt dann beobachtet, wenn die Siliciumscheiben aus Tiegel gezogenem Material stammen (Applied Phys. Letters, 52, Januar 1988, Seiten 2139 bis 2141). Bei einer Erwärmung auf etwa 450°C werden dann die thermischen Donatoren aktiviert. Offenbar handelt es sich hierbei um die Bildung eines Silicium-Sauerstoff-Komplexes, wobei der Sauerstoff während des Herstellungsverfahrens in das Silicium eingebracht wird. Die gebildeten thermischen Donatoren lassen sich auch wieder desaktivieren. Das geschieht bei einem sogenannten Rücktemperschritt bei einer Temperatur von etwa 520°C, wobei eine Zeit von 2 bis 3 Stunden ausreicht, um sämtliche gebildeten thermischen Donatoren wieder inaktiv zu machen.

Das Verfahren hat auch noch den weiteren Vorteil, daß das in Frage stehende Halbleiterbauelement zunächst nach bekannten Verfahrensschritten bis auf die Stoppschicht hergestellt wird und diese dann anschließend durch Aktivierung und Desaktivierung von thermischen Donatoren in einer vorbestimmten Tiefe der Halbleiterscheibe gebildet wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines in den Zeichungen dargestellten Ausführungsbeispiels entnommen werden. Es zeigt

Fig. 1a den Aufbau einer schnellen Diode ohne Stoppschicht;

Fig. 1b Dotierungsprofil der Diode nach Fig. 1a;

Fig. 2 eine Einrichtung zur Herstellung einer Stoppschicht in einer Halbleiterscheibe in schematischer Darstellung;

Fig. 3a den Aufbau der Diode nach Fig. 1a zusätzlich mit Stoppschicht;

Fig. 3b Temperaturverlauf in dem Halbleiterkörper zur Herstellung der Stoppschicht;

Fig. 4a den Aufbau der Diode mit Stoppschicht wie Fig. 3a und

Fig. 4b Dotierungsprofil der Diode nach Fig. 4a.

In den Fig. 1a und 1b ist der normale Aufbau einer Diode und der Dotierungsverlauf ohne Stoppschicht dargestellt. Es wird von einem n&supmin;- leitenden Halbleiterkörper ausgegangen, in den durch zwei Diffusionsschritte auf der einen Seite eine p-leitende Zone und auf der gegenüberliegenden Seite eine n&spplus;-leitende Zone durch Diffusion erzeugt werden. In Fig. 1a und 1b ist gestrichelt der Bereich eingezeichnet, der später die n-Teilzone als Stoppschicht bilden soll. Die Vorder- und die Rückseite es Halbleiterkörpers sind in üblicher Weise kontaktiert.

Im nächsten Verfahrensschritt wird der Halbleiterkörper gem. Fig. 1 einem Temperprozeß bei einer Temperatur zwischen 400 und 450°C unterworfen. Dabei werden in dem gesamten Halbleiterkörper thermische Donatoren aktiviert, wobei die Dotierungskonzentration der n&supmin;-Teilzone angehoben wird. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt sollen in dem Bereich der n- leitenden Zone, der in dem späteren Bauelement die n&supmin;-Teilzone bildet, die gebildeten thermischen Donatoren wieder desaktiviert werden.

Dazu dient eine Einrichtung, wie sie in schematischer Weise in Fig. 2 dargestellt ist. Der Halbleiterkörper 1 steht auf der einen Seite mit einer Kühleinrichtung 2 in Kontakt, während die gegenüberliegende Oberfläche mit Infrarotstrahlung bestrahlt wird. Auf diese Weise wird von der bestrahlten Oberfläche zur gekühlten Oberfläche hin ein Temperaturgradient mit abnehmender Temperatur eingestellt. Der Temperaturgradient ist derart zu wählen, daß die Temperatur in dem Bereich der n-leitenden Zone, der später die n&supmin;-Teilzone bilden soll, oberhalb 520°C liegt (Fig. 3b). Hier findet eine Desaktivierung der thermischen Donatoren statt und damit eine Herabsetzung der Dotierungskonzentration. In dem übrigen Bereich der n- leitenden Zone wird die Temperatur auf einen Wert unterhalb von etwa 400°C gehalten, so daß die dort gebildeten thermischen Donatoren erhalten bleiben.

In Fig. 3b ist der Temperaturgradient dargestellt. Auf der Unterseite des Halbleiterkörpers nimmt aufgrund der Kühlung die Halbleiteroberfläche die Temperatur Tu an, während durch die Infrarotstrahlung auf der gegenüberliegenden Seite eine Oberflächentemperatur von To erzeugt wird. Der Temperaturgradient wird bei vorgegebener Kühlung durch Wahl der Wellenlänge und Intensität der Infrarotstrahlung eingestellt. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Absorption der Infrarotstrahlung im Silicium von der Wellenlänge abhängig ist, und zwar derart, daß zu kleineren Wellenlängen hin die Eindringtiefe der Strahlung größer wird.

Fig. 4 zeigt die Diode mit einer nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Stoppschicht und Fig. 4b das dazugehörige Dotierungsprofil. Ihre Form der Dotierungsprofile bzw. ihre Änderung gegenüber dem Verlauf nach Fig. 1b ergibt sich aus der Temperaturerhöhung und dem zur lokalen Temperatur Rücktemperanteil.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper, der eine n-leitende Zone aufweist, die aus einer schwach dotierten n&supmin;-Teilzone und einer höher dotierten n-Teilzone besteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper verwendet wird, der thermisch aktivierbare Donatoren enthält, daß zunächst die für die Funktion des Halbleiterbauelements erforderliche Halbleiterstruktur ohne die n-Teilzone in dem Halbleiterkörper erzeugt wird, daß anschließend in dem gesamten Halbleiterkörper thermische Donatoren aktiviert werden, wodurch die Dotierung der schwach dotierten n&supmin;-Teilzone angehoben wird, und daß dann die thermischen Donatoren in dem Bereich der n-leitenden Zone, der die n&supmin;-Teilzone des Halbleiterelements bilden soll, desaktiviert werden, während der übrige Bereich der n-leitenden Zone als höher dotierte n- Teilzone bestehen bleibt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silicium besteht und zur Erzeugung der thermischen Donatoren bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 450 °C getempert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperprozeß bei einer Temperatur von etwa 420°C durchgeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Donatoren durch im Silicium vorhandenen Sauerstoff gebildet werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff aus der Gasphase in einem Hochtemperaturprozeß eingebracht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Tiegel gezogenem Silicium.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Desaktivierung der thermischen Donatoren in dem Bereich der n- leitenden Zone, der die n&supmin;-Teilzone des Halbleiterbauelements bilden soll, in dieser Teilzone eine Temperatur von 520°C erzeugt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Desaktivierung der thermischen Donatoren in dem Bereich der n- leitenden Zone, der die n&supmin;-Teilzone bilden soll, in dem Halbleiterkörper ein Temperaturgradient erzeugt wird derart, daß in dem Bereich der zu bildenden n&supmin;-Teilzone eine Temperatur von etwa 520 °C und in dem übrigen Bereich der n-leitenden Zone zur Erhaltung der höheren Dotierung eine Temperatur von <420°C eingestellt wird, wodurch die beiden aneinander grenzenden Teilzonen der n-leitenden Zone gebildet werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Temperaturgradienten dem Halbleiterkörper auf der einen Seite Wärme zugeführt und auf der anderen Seite Wärme abgeführt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeabführung die eine Seite des Halbleiterkörpers mit einer Kühleinrichtung in Kontakt steht.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr in dem Halbleiterkörper durch Infrarotstrahlen erfolgt, wobei der Temperaturgradient bei vorgegebener Kühlung durch Wahl der Bestrahlungsintensität und der Wellenlänge eingestellt wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aktivierung oder Desaktivierung der Donatoren notwendige Temperprozeß zur Reinhaltung der Oberfläche in einem inerten Gas erfolgt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com