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Dokumentenidentifikation DE4223914A1 13.01.1994
Titel Verfahren zum Herstellen eines vertikalen Leistungsbauelementes mit reduzierter Minoritätsträgerlebensdauer in dessen Driftstrecke
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eV, 80636 München, DE
Erfinder Gassel, Helmut, Dipl.-Phys., 4100 Duisburg, DE;
Mütterlein, Bernward, Dipl.-Ing., 4100 Duisburg, DE;
Priefert, Dirk, Dipl.-Ing., 4133 Neukirchen-Vluyn, DE;
Truong, Dat Nho, Dipl.-Pys., 4100 Duisburg, DE;
Vogt, Holger, Dr.-Ing., 4330 Mülheim, DE
Vertreter Schoppe, F., Dipl.-Ing.Univ., Pat.-Anw., 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 30.06.1992
DE-Aktenzeichen 4223914
Offenlegungstag 13.01.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.01.1994
IPC-Hauptklasse H01L 21/328
IPC-Nebenklasse H01L 29/32   H01L 29/70   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Leistungsbauelementes wird eine Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer in der Driftstrecke dadurch herbeigeführt, daß das epitaktische Aufwachsen der niedrigdotierten Halbleiterschicht, die die Driftstrecke bildet, unterbrochen wird, um entweder nicht-dotierende Ionen zu implantieren oder eine mit einer Konzentration eines nicht-dotierenden Stoffes versehene Zwischenschicht epitaktisch aufzuwachsen, woraufhin das epitaktische Aufwachsen der niedrigdotierten Halbleiterschicht vollendet wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines vertikalen Leistungsbauelementes mit einer niedrigdotierten, epitaktisch aufgewachsenen (EPI-)Halbleiterschicht als Driftstrecke, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Vertikale Leistungsbauelemente weisen häufig eine pin-Struktur auf. Zwischen einem hochdotierten p-Gebiet und einem hochdotierten n-Gebiet des vertikalen Leistungsbauelementes befindet sich eine niedrigdotierte, epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht, die als Driftstrecke des vertikalen Leistungsbauelementes dient. Diese Driftstrecke hat die Aufgabe, einen Bereich zur Verfügung zu stellen, über dem die angelegte Spannung bei ausgeschaltetem oder in Sperrrichtung gepoltem Leistungsbauelement abfallen kann. Die Dicke und Dotierung dieser Schicht muß der spezifischen Sperrspannung des vertikalen Leistungsbauelementes angepaßt werden und hängt unter anderem davon ab, ob ein bipolares oder unipolares Bauelement hergestellt wird. Hierzu wird verwiesen auf die Literaturstelle S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York, 1981.

Im eingeschalteten Zustand des vertikalen Leistungsbauelementes werden von dem in Vorwärtsrichtung geschalteten pn- Übergang Ladungsträger in die Driftstrecke injiziert und heben dort die Ladungsträgerkonzentration stark an. Um das Bauelement auszuschalten oder in den Sperrzustand zu bringen, müssen die Ladungsträger aus der Driftstrecke ausgeräumt werden, damit sich eine Raumladungszone ausbreiten kann und die Sperrspannung über die Driftstrecke abfallen kann. Die Dauer des Ausschaltvorganges bestimmt die Schaltverluste des Bauelementes und dessen maximal mögliche Betriebsfrequenz.

Um diese Bauelementeparameter zu verbessern, können konstruktive Maßnahmen ergriffen werden oder es kann die Lebensdauer der Minoritätsträger durch prozeßtechnische Maßnahmen herabgesetzt werden.

Bekannte Maßnahmen zur Reduktion der Lebensdauer der Minoritätsträger sind die Eindiffusion von Schwermetallen und die Bestrahlung der Bauelemente, wie in folgenden Literaturstellen beschrieben wird:

B. J. Baliga, Modern Power Devices, Seiten 100 bis 110, Wiley, 1987;

P. D. Taylor, Thyristor Design and Realization, Wiley, New York, 1987.

Bei der Bestrahlung der Bauelemente werden unterschiedliche Teilchensorten verwendet. Diesbezüglich wird verwiesen auf:

K. Platzröder and K. Loch, High-voltage thyristors and diodes made of neutron-irradiated silicon. IEEE Transactions on Electron Devices, 23: 805-809, 1976;

R. O. Carlson, Y. S. Sun and H. B. Assalit, Lifetime control in silicon power devices by electron or gamma irradiation, IEEE Transactions on Electron Devices, 24: 1103-1108, 1977;

B. J. Baliga and E. Sun, Comparison of gold, platinum and electron irradiation for controlling lifetime in power rectifiers, IEEE Transactions on Electron Devices, 24: 685-688, 1977.

Eine praktische Bedeutung bei der Produktion von diskreten Halbleitern hat jedoch nur die Bestrahlung mittels Elektronen und Protonen gewonnen. Diesbezüglich wird verwiesen auf:

B. J. Baliga and J. P. Walden, Improving the reverse recovery of power MOSFET integral diodes by electron irradiation, Solid-State Electronics, 26: 1133-1141, 1983;

B. J. Baliga, Switching speed enhancement in insulated gate transistors by electron irradiation, IEEE Transactions on Electron Devices, 12: 1790-1795, 1984;

D. Silber, W. D. Novak, W. Wondrak, B. Thomas and H. Berg, Improved dynamic properties of GTO-thyristors and diodes by proton implantation, In Proceedings IEDM, Seiten 162 bis 165, 1985;

A. Mogro-Campero, R. P. Love, M. F. Chang and R. F. Dyer, Shorter turn-off times in insulated gate transistors by proton implantation, IEEE Electr. Dev. Lett., 6: 224-226, 1985.

Sowohl die Eindiffusion von Schwermetallen als auch die Bestrahlung mit Elektronen haben Nachteile, da die Verminderung der Lebensdauer der Minoritätsträger zu einer Erhöhung der Leckströme und zu höheren Durchlaßverlusten des Leistungsbauelementes führt.

Besondere Probleme treten bei der Herstellung von sogenannten intelligenten Leistungshalbleitern auf, bei denen sich der Leistungsschalter und die zugehörige Steuerschaltung auf einem Chip befinden. Hier muß die Beeinflussung der Minoritätsträgerlebensdauer auf das Leistungsbauelement beschränkt werden.

Im Bereich der Steuerschaltung muß eine Verringerung der Lebensdauer der Minoritätsträger vermieden werden, um eine Beeinträchtigung der Funktion der Transistoren in der Steuerschaltung, beispielsweise durch erhöhte Leckströme, zu verhindern.

Die hohen Diffusionsgeschwindigkeiten von Schwermetallen in Silizium führen zu einer gleichmäßigen Verteilung der Metallatome im ganzen Wafer und damit zu einer homogenen Lebensdauerverminderung der Minoritätsträger. Dies führt zu einer Verschlechterung der statischen Bauelementeparameter. Hierdurch wird die Herstellung von intelligenten Leistungshalbleitern mit diesen Technologien erheblich erschwert.

Wenn die Bestrahlung mittels Elektronen oder Protonen zur Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer innerhalb des Leistungsbauelementes eingesetzt wird, treten Nachteile dahingehend auf, daß zum einen die erzielten Ergebnisse nicht temperaturstabil sind und zum anderen durch Strahlenschäden Ladungen erzeugt werden, die bei durch MOS-Gate gesteuerten Bauelementen zu Schwellenspannungsverschiebungen führen.

Die oben beschriebenen bekannten Verfahren zur Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer können daher bei den sogenannten intelligenten Leistungshalbleitern kaum eingesetzt werden. Verfahren, die sich zur Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer bei diesen intelligenten Leistungshalbleitern eignen, sind nicht bekannt.

Zu dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wurde vom Deutschen Patentamt unter der Recherchennummer R 110 854.9 eine Standardrecherche durchgeführt. Soweit die genannten Schriften relevant erscheinen, werden sie nachfolgend gewürdigt.

Aus der DE 34 23 287 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelementes in Form eines Thyristors bekannt, bei dem zur Verkürzung der Abschaltzeit nach Abschluß des epitaktischen Prozesses eine Ionenimplantation in die niedrigdotierte Basis zum Erzeugen von die Minoritätsträgerlebensdauer verkürzenden Störstellen vorgenommen wird. Insbesondere bei der Implantation von schweren Elementen sind sehr hohe Energien erforderlich. Als typisch werden dort Implantationsenergien in der Größenordnung von 56 MeV angegeben. Anlagen, mit denen eine Implantation bei derart hohen Energien vorgenommen werden können, stehen üblicherweise in der Praxis nicht zur Verfügung. Ein weiterer Nachteil, der sich aus dem hohen Implantationsenergieniveau dieses bekannten Verfahrens ergibt, ist die schlechte Lokalisierung der durch die Implantation erzeugten Störstellen.

Aus der EP 0133954 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen von DRAM-Speicherbausteinen sowie von CMOS-Schaltungen bekannt, bei dem die Erzeugung sogenannter Soft-Fehler aufgrund einer Alpha-Strahlung im Falle der DRAM-Speicherelemente oder das Auftreten des sogenannten Latch-up-Phänomens im Falle der CMOS-Bauelemente dadurch verhindert wird, daß in Schichtenstrukturen von dünnen Einkristallhalbleiterschichten eine Ionenimplantation von elektrisch nicht aktiven Störstoffen vorgenommen wird.

Aus der EP 0419128 A1 ist es bekannt, daß ein Nachlassen der Steilheit eines MOS-Transistors im Laufe seiner Betriebszeit dadurch verhindert werden kann, daß in dessen Gate-Source- Kanal Germanium implantiert wird. Statt der Implantation kann auch eine Epitaxie eingesetzt werden.

Aus der Veröffentlichung K. H. Yang et al: Minority carrier lifetime in annealed silicon crystals containing oxygen, Phys. stat. sol. (a) 50, 1978, Seiten 221 bis 235 ist es bekannt, daß in sauerstoffreichen Wafern Siliziumdioxidpräzipitate und Versetzungsschleifen während der Temperung entstehen. Diese bilden elektrisch aktive Defekte und gettern Verunreinigungen. Hierdurch soll also nicht eine Reduktion der Lebensdauer der Minoritätsträger, sondern durch das Gettern der Verunreinigungen die Erhöhung der Minoritätsträgerlebensdauer erreicht werden.

Aus der US 5,023,696 A ist ein Leistungsbauelement bekannt, das durch Waferbonden zweier Wafer gebildet wird. Durch den Bondprozeß entstehen an der Grenzfläche der beiden Wafer Kristallfehler. Durch eine Argon-Implantation werden weitere Kristallfehler in der Stoppschicht oder nahe am pn-Übergang des Halbleiterleistungselementes erzeugt, die als Rekombinationszentren von überschüssigen Minoritätsträgern dienen.

Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines vertikalen Leistungsbauelementes der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer mit in der Praxis verfügbaren Anlagen erzielbar ist und das auch bei intelligenten Leistungshalbleitern einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird der Prozeß des epitaktischen Aufwachsens der niedrigdotierten Halbleiterschicht, die die Driftstrecke bildet, vor Vollendung dieser Schicht unterbrochen. Innerhalb dieses Verfahrenszustandes, der noch Teil der Substratherstellung ist und der vor der eigentlichen Bauelementeherstellung liegt, werden erfindungsgemäß alternativ oder kumulativ folgende Maßnahmen durchgeführt:

  • - Es wird eine Implantation von nicht-dotierenden Ionen in die teilweise epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht vorgenommen. Hierbei wird vorzugsweise nur die Schicht in der unmittelbaren Nähe der Unterbrechungsoberfläche der niedrigdotierten Halbleiterschicht mit einer Implantation der nicht-dotierenden Ionen versehen, so daß niedrige Implantationsenergien in der Größenordnung von weniger als 200 KeV eingesetzt werden können. Als Implantationsstoffe sind erfindungsgemäß vorzugsweise Sauerstoff, jedoch auch Kohlenstoff, Argon oder ein anderes Edelgas vorgesehen.
  • - Es wird nach Unterbrechung des epitaktischen Aufwachsens der niedrigdotierten Halbleiterschicht eine Zwischenschicht mit einer Konzentration eines nicht-dotierenden Stoffes epitaktisch aufgewachsen. Die selbe Wirkung wird erzielt, wenn nach dem Aufwachsen eines Teiles der niedrigdotierten Halbleiterschicht ohne Unterbrechung des Aufwachsprozesses durch Einbringen eines nicht-dotierenden Stoffes in die Prozeßatmosphäre eine mit diesem Stoff versehene Zwischenschicht epitaktisch aufgewachsen wird. Bevorzugt ist im Falle eines Siliziumhalbleiters eine hohe Germaniumkonzentration. Durch die abweichende Atomgröße von Germanium gegenüber Silizium kommt es hierbei zu Gitterversatzstörstellen (MISFIT Dislocations), welche als Rekombinationszentren für die Minoritätsträger wirken.


Nach Abschluß einer dieser beiden Schritte wird das epitaktische Aufwachsen der niedrigdotierten Halbleiterschicht, die die Driftstrecke bildet, zu Ende geführt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich während der epitaktischen Herstellung der Driftstrecke an beliebigen Stellen der Driftstrecke lokale Störungen einbauen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es im Gegensatz zu den üblichen Verfahren, wie beispielsweise der eingangs gewürdigten nachträglichen Bestrahlung, möglich, Einfluß auf die Minoritätsträgerlebensdauer innerhalb einer Leistungselementstruktur eines intelligenten Leistungshalbleiters zu nehmen, ohne die Eigenschaften der Steuerschaltung zu beeinträchtigen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet die Steuerung der Lebensdauer der Minoritätsträger innerhalb der Driftstrecke des Leistungsbauelementes nicht nach der Herstellung der Steuerschaltung, sondern vor deren Herstellung statt, da das erfindungsgemäße Verfahren noch Teil der Substratherstellung ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können gewünschte Profile einer Störstellenkonzentration innerhalb der Driftstrecke gebildet werden. Dadurch ist es möglich, eine optimale Ladungsträgerverteilung innerhalb der Driftstrecke des Leistungsbauelementes zu erzwingen, so daß sich das Schaltverhalten des Leistungsbauelementes in Abhängigkeit von dem verwendeten Typ, wie beispielsweise des HVDMOS- Transistors, des IGBTs, der Diode oder des Transistors und in Abhängigkeit von dem Anwendungsfall einer beispielsweise induktiven oder resistiven Last optimieren läßt.

Durch ein optimiertes Störstellenprofil mit beispielsweise mehreren Schichten in einer geeigneten Tiefe innerhalb der Driftstrecke werden die Nachteile bekannter Verfahren zur Lebensdauerbeeinflussung der Minoritätsträger auf die statischen Parameter eines Leistungsbauelementes vermieden.

Besonders offenkundig treten die Vorteile der Optimierung bei dem erforderlichen Kompromiß zwischen kurzen Schaltzeiten und geringen Durchlaßverlusten hervor.

Durch die lokale Begrenzung der Störstellen auf die Driftstrecke und deren Erzeugung vor der Bauelementefertigung wird ein negativer Einfluß auf die Steuerschaltung im Falle von intelligenten Leistungshalbleitern vollständig vermieden.

Dadurch ist es möglich, ein Leistungsbauelement mit optimaler Lebensdauerbeeinflussung herzustellen und gegebenenfalls mit einer Steuerschaltung auf einem einzigen Chip zu kombinieren.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Herstellen eines vertikalen Leistungsbauelementes mit einer niedrigdotierten, epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschicht als Driftstrecke, wobei die Minoritätsträgerlebensdauer durch in der Driftstrecke vorgesehene Rekombinationszentren vermindert wird, dadurch gekennzeichnet,

    daß das epitaktische Aufwachsen der niedrigdotierten Halbleiterschicht unterbrochen wird, um nicht-dotierende Ionen in die epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht zu implantieren,

    woraufhin das epitaktische Aufwachsen der niedrigdotierten Halbleiterschicht vollendet wird.
  2. 2. Verfahren zum Herstellen eines vertikalen Leistungsbauelementes mit einer niedrigdotierten, epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschicht als Driftstrecke, wobei die Minoritätsträgerlebensdauer durch in der Driftstrecke vorgesehene Rekombinationszentren vermindert wird, dadurch gekennzeichnet,

    daß nach dem epitaktischen Aufwachsen eines Teiles der niedrigdotierten Halbleiterschicht eine mit einer Konzentration eines nicht-dotierenden Stoffes versehene Zwischenschicht epitaktisch aufgewachsen wird,

    woraufhin das epitaktische Aufwachsen der niedrigdotierten Halbleiterschicht vollendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-dotierende Stoff Germanium ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das implantierte Ion ein Sauerstoff-Ion ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das implantierte Element Kohlenstoff, Argon oder ein anderes Edelgas ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-dotierende Stoff Kohlenstoff ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer innerhalb der Driftstrecke lokal auf eine Schicht von bestimmter Dicke begrenzt ist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Rekombinationszentren sich innerhalb der Driftstrecke über eine Schicht vorbestimmter Dicke ändert.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Driftstrecke mehrere begrenzte Schichten mit Rekombinationszentren zur Reduktion der Minoritätsträgerlebensdauer vorgesehen sind.






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