PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19843959B4 12.02.2004
Titel Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem sperrenden pn-Übergang
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Deboy, Gerald, Dr., 82008 Unterhaching, DE;
Häberlen, Oliver, Dr., Villach, AT;
Strack, Helmut, Dr., 80804 München, DE;
Rüb, Michael, Dr., Villach, AT;
Friza, Wolfgang, Dipl.-Ing., Villach, AT
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 24.09.1998
DE-Aktenzeichen 19843959
Offenlegungstag 06.04.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.02.2004
IPC-Hauptklasse H01L 21/334
IPC-Nebenklasse H01L 21/328   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem einen sperrenden pn-Übergang aufweisenden Halbleiterkörper, einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps, die mit einer ersten Elektrode verbunden ist und an eine den sperrenden pn-Übergang bildende Zone eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angrenzt, und mit einer zweiten Zone des ersten Leitungstyps, die mit einer zweiten Elektrode verbunden ist, wobei die der zweiten Zone zugewandte Seite der Zone des zweiten Leitungstyps eine erste Oberfläche bildet und im Bereich zwischen der ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Zone liegt, Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps ineinander verschachtelt sind.

Derartige Halbleiterbauelemente werden auch als Kompensationsbauelemente bezeichnet. Bei solchen Kompensationsbauelementen handelt es sich beispielsweise um n- oder p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren, Dioden, Thyristoren, GTOs oder auch andere Bauelemente. Im folgenden soll jedoch als Beispiel von einem Feldeffekt-Transistor (auch kurz "Transistor" genannt) ausgegangen werden: Zu Kompensationsbauelementen gibt es über einen langen Zeitraum verstreut verschiedene theoretische Untersuchungen (vgl. US 4 754 310 und US 5 216 275), in denen jedoch speziell Verbesserungen des Einschaltwiderstandes RSDon und nicht der Stabilität bei Strombelastung, wie insbesondere Robustheit hinsichtlich Avalanche und Kurzschluß im Hochstroumfall bei hoher Source-Drain-Spannung, angestrebt werden.

Kompensationsbauelemente beruhen auf einer gegenseitigen Kompensation der Ladung von n- und p-dotierten Gebieten in der Driftregion des Transistors. Die Gebiete sind dabei räumlich so angeordnet, daß das Linienintegral über die Dotierung entlang einer vertikal zum pn-Übergang verlaufenden Linie jeweils unterhalb der materialspezifischen Durchbruchsladung bleibt (Silizium: ca. 2·1012 cm–2). Beispielsweise können in einem Vertikaltransistor, wie er in der Leistungselektronik üblich ist, paarweise p- und n-Säulen oder Platten etc. angeordnet sein. In einer Lateralstruktur können p- und n-leitende Schichten lateral zwischen einem mit einer p-leitenden Schicht belegten Graben und einem mit einer n-leitenden Schicht belegten Graben abwechselnd übereinander gestapelt sein (vgl. US 4 754 310).

Durch die weitgehende Kompensation der p- und n-Dotierungen läßt sich bei Kompensationsbauelementen die Dotierung des stromführenden Bereichs (für n-Kanal-Transistoren der n-Be- reich, für p-Kanal-Transistoren der p-Bereich) deutlich erhöhen, woraus trotz des Verlusts an stromführender Fläche eine deutliche Verbesserung des Einschaltwiderstands RDSon resultiert. Die Sperrfähigkeit des Transistors hängt dabei im wesentlichen von der Differenz der beiden Dotierungen ab. Da aus Gründen der gewünschten Reduktion des Einschaltwiderstandes eine um mindestens eine Größenordnung höhere Dotierung des stromführenden Gebiets erwünscht ist, erfordert die Beherrschung der Sperrspannung eine kontrollierte Einstellung des Kompensationsgrades, der für Werte im Bereich ≤ ± 10% definierbar ist.

Bei einer weiteren Verbesserung des Einschaltwiderstands wird der genannte Bereich noch kleiner. Der Kompensationsgrad ist dabei definierbar durch (p-Dotierung – n-Dotierung)/n-Dotierung oder durch Ladungsdifferenz/Ladung eines Dotierungsgebiets.

Es sind aber auch andere Definitionen möglich.

Es wird daher ein robustes Halbleiterbauelement angestrebt, das sich einerseits durch eine hohe Avalanchefestigkeit und große Strombelastbarkeit vor bzw. im Durchbruch auszeichnet und andererseits im Hinblick auf technologische Schwankungsbreiten von Herstellungsprozessen mit gut reproduzierbaren Eigenschaften einfach herstellbar ist.

Ein solches vollkommen neuartiges Halbleiterbauelement wird erhalten, wenn die Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps derart dotiert sind, daß in Bereichen nahe der ersten Oberfläche Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und in Bereichen nahe der zweiten Oberfläche Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen.

Die Gebiete des zweiten Leitungstyps reichen vorzugsweise nicht bis zu der zweiten Zone, so daß zwischen dieser zweiten Oberfläche und der zweiten Zone ein schwach dotierter Bereich des ersten Leitungstyps verbleibt. Es ist aber möglich, die Breite dieses Bereiches gegen "null" gehen zu lassen. Der schwach dotierte Bereich liefert aber verschiedene Vorteile, wie Erhöhung der Sperrspannung, "weicher" Verlauf der Feldstärke, Verbesserung der Kommutierungseigenschaften der Inversdiode.

In Gebieten des zweiten Leitungstyps wird ein durch die Dotierung bewirkter Kompensationsgrad derart variiert, daß nahe der ersten Oberfläche Atomrümpfe des zweiten Leitungstyps und nahe der zweiten Oberfläche Atomrümpfe des ersten Leitungstyps dominieren. Es liegen also Schichtenfolgen p, pu–, n, n oder n, n, p, p zwischen den beiden Oberflächen vor.

Die Wirkung der ineinander verschachtelten Gebiete abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps auf das elektrische Feld ist im Unterschied zu beispielsweise einem klassischen DMOS-Transistor wie folgt ("lateral" und "vertikal" beziehen sich im folgenden auf einen Vertikaltransistor):

  • (a) Es existiert ein zur Verbindungsrichtung zwischen den Elektroden "laterales" Querfeld, dessen Stärke vom Anteil der lateralen Ladung (Linienintegral senkrecht zum lateralen pn-Übergang) relativ zur Durchbruchsladung abhängt. Dieses Feld führt zur Trennung von Elektronen und Löchern und zu einer Verringerung des stromtragenden Querschnitts entlang der Strompfade. Diese Tatsache ist für das Verständnis der Vorgänge im Avalanche, der Durchbruchskennlinie und des Sättigungsbereichs des Kennlinienfelds von prinzipieller Bedeutung.
  • (b) Das zur Verbindungsrichtung zwischen den Elektroden parallele "vertikale" elektrische Feld wird lokal von der Differenz der benachbarten Dotierungen bestimmt. Dies bedeutet, daß sich bei einem Überschuß von Donatoren (n-Lastigkeit: die Ladung in den n-leitenden Gebieten überwiegt die Ladung der p-Gebiete) einerseits eine DMOS-ähnliche Feldverteilung (Maximum des Felds am sperrenden pn-Übergang, in Richtung gegenüberliegender Bauelementrückseite abnehmendes Feld) einstellt, wobei der Gradient des Felds jedoch deutlich geringer ist, als es der Dotierung des n-Gebiets alleine entsprechen würde. Andererseits ist jedoch durch Überkompensation des n-leitenden Gebiets mit Akzeptoren eine in Richtung Rückseite ansteigende Feldverteilung möglich (p-Lastigkeit, Überschuß der Akzeptoren gegenüber den Donatoren). Das Feldmaximum liegt in einer solchen Auslegung am Boden des p-Gebiets. Kompensieren sich beide Dotierungen exakt, ergibt sich eine horizontale Feldverteilung.

Mit einer exakt horizontalen Feldverteilung wird das Maximum der Durchbruchsspannung erreicht. Überwiegen die Akzeptoren oder die Donatoren, nimmt die Durchbruchsspannung jeweils ab. Trägt man folglich die Durchbruchsspannung als Funktion des Kompensationsgrads auf, ergibt sich ein parabelförmiger Verlauf.

Eine konstante Dotierung in den p- und n-leitenden Gebieten oder auch eine lokal variierende Dotierung mit periodischen Maxima gleicher Höhe führt dabei zu einem vergleichsweise scharf ausgeprägten Maximum der "Kompensationsparabel". Zu Gunsten eines "Fertigungsfensters" (Einbeziehung der Schwankungen aller relevanter Einzelprozesse) muß eine vergleichsweise hohe Durchbruchsspannung angepeilt werden, um verläßliche Ausbeuten und Produktionssicherheit zu erreichen. Ziel muß es daher sein, die Kompensationsparabel möglichst flach und breit zu gestalten.

Wird an das Bauelement Sperrspannung angelegt, so wird die Driftstrecke, d.h. der Bereich der paarweise angeordneten Gebiete entgegengesetzter Dotierung, von beweglichen Ladungsträgern ausgeräumt. Es verbleiben die positiv geladenen Donatorrümpfe und die negativ geladenen Akzeptorrümpfe in der sich aufspannenden Raumladungszone. Sie bestimmen dann zunächst den Verlauf des Felds.

Der Stromfluß durch die Raumladungszone bewirkt eine Veränderung des elektrischen Felds, wenn die Konzentration der mit dem Stromfluß verbundenen Ladungsträger in den Bereich der Hintergrunddotierung kommt. Elektronen kompensieren dabei Donatoren, Löcher die Akzeptoren. Für die Stabilität des Bauelements ist es also sehr wichtig, welche Dotierung lokal überwiegt, wo Ladungsträger erzeugt werden und wie sich ihre Konzentrationen entlang ihrer Strompfade einstellen.

Für die folgenden Ausführungen zum Verständnis der Basismechanismen wird zunächst eine konstante Dotierung der p- und n-leitenden Gebiete angenommen.

Im eingeschalteten Zustand und insbesondere im Sättigungsbereich des Kennlinienfeldes eines MOS-Transistors fließt ein reiner Elektronenstrom aus dem Kanal in ein n-dotiertes Gebiet, bei einem Vertikaltransistor auch "Säule" genannt, wobei in der Tiefe eine zunehmende Fokussierung des Stromflusses aufgrund des elektrischen Querfelds eintritt. Hochstrom-Stabilität wird durch Überwiegen der n-Dotierung gefördert; da jedoch der Kanalbereich mit seinem positiven Temperaturkoeffizienten eine inhomogene Stromverteilung in einem Zellenfeld unterbindet, ist diese Betriebsart eher unkritisch. Eine Reduktion der Stromdichte läßt sich durch partielle Abschattung des Kanalanschlusses erreichen (vgl. DE 198 08 348 C1 ).

Für die Durchbruchskennlinie bzw. deren Verlauf ist folgendes zu beachten: Die Erzeugung von Elektronen und Löchern erfolgt im Bereich maximaler Feldstärke. Die Trennung beider Ladungsträgerarten wird durch das elektrische Querfeld vorgenommen. Entlang beider Strompfade im p- bzw. n-Gebiet tritt eine Fokussierung und weitere Multiplikation ein. Schließlich tritt auch keine Wirkung einer partiellen Kanalabschattung ein.

Stabilität liegt nur dann vor, wenn die beweglichen Ladungsträger außerhalb ihrer Entstehungsorte zu einem Anstieg des elektrischen Felds und damit zu einem Anstieg der Durchbruchsspannung der jeweiligen Zelle führen. Für Kompensationsbauelemente bedeutet dies Stabilität im p- und n-lastigen Bereich, jedoch nicht im Maximum der Kompensationsparabel. Im p-lastigen Bereich erfolgt der Durchbruch am "Boden" der Säule. Die Elektronen fließen aus der Driftregion heraus und beeinflussen das Feld somit nicht. Die Löcher werden durch das elektrische Längsfeld zum oberseitigen Source-Kontakt gezogen. Dabei wird der Löcherstrom längs seines Weges durch das elektrische Querfeld fokussiert: die Stromdichte steigt hier an. Damit wird das elektrische Längsfeld zunächst oberflächennah beeinflußt. Infolge der Kompensation der überschüssigen Akzeptorrümpfe (p-Lastigkeit) ergibt sich eine Reduktion des Gradienten des elektrischen Felds und ein Anstieg der Durchbruchsspannung. Dieses Situation ist solange stabil, als das Feld dort deutlich unterhalb der kritischen Feldstärke (für Silizium: etwa 270 kV/cm für eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 1015 cm–3) bleibt.

Im n-lastigen Bereich mit einem Überschuß an Donatoren ist der Durchbruch oberflächennah. Die Löcher fließen zum Sourcekontakt und beeinflussen das Feld noch auf dem Weg von ihrem Entstehungsort bis zur p-Wanne. Ziel muß daher sein, den Durchbruchsort möglichst nahe an die p-Wanne heranzulegen. Dies kann beispielsweise durch eine lokale Anhebung der n-Dotierung geschehen. Die Elektronen fließen durch die komplette Driftzone zur Rückseite und beeinflussen das Feld ebenfalls entlang ihres Strompfads. Stabilität wird dann erzielt, wenn die Wirkung des Elektronenstroms die des Löcherstroms überwiegt. Da hier die Geometrie der Zellenanordnung eine wichtige Rolle spielt, gibt es insbesondere nahe des Maximums der Kompensationsparabel einen Bereich stabiler und instabiler Kennlinien.

Die Verhältnisse im Avalanche sind sehr ähnlich zu denjenigen bei einem Durchbruch. Die Ströme sind jedoch deutlich höher und betragen bis zum Doppelten des Nennstromes des Transistors. Da das elektrische Querfeld immer eine deutliche Fokussierung des Stroms bewirkt, wird bei Kompensationsbauelementen bei vergleichsweise geringer Strombelastung der Stabilitätsbereich verlassen. Physikalisch bedeutet dies, daß der strominduzierte Feldanstieg bereits so weit fortgeschritten ist, daß lokal die Durchbruchsfeldstärke erreicht wird. Das elektrische Längsfeld kann dann lokal nicht mehr weiter ansteigen, die Krümmung des elektrischen Längsfelds nimmt jedoch weiter zu, woraus ein Rückgang der Durchbruchsspannung der betroffenen Zelle resultiert. In der Kennlinie einer Einzelzelle und auch in der Simulation zeigt sich dies durch einen negativen differentiellen Widerstand; d.h. die Spannung geht mit ansteigendem Strom zurück. In einem großen Transistor mit mehreren 10.000 Zellen wird dies zu einer sehr raschen inhomogenen Umverteilung des Stroms führen. Es bildet sich ein Filament, und der Transistor schmilzt lokal auf .

Daraus ergeben sich die folgenden Konsequenzen für die Stabilität von Kompensationsbauelementen:

  • (a) Durch die Trennung von Elektronen und Löchern kommt es nicht wie bei IGBTs und Dioden zu einer "Autostabilisierung". Vielmehr müssen Kompensationsgrad, Feldverteilung und Durchbruchsort exakt eingestellt werden. (b) Auf der Kompensationsparabel gibt es bei konstanter Dotierung der p- und n-Gebiete bzw. "Säulen" stabile Bereiche im deutlich p- und im deutlich n-lastigen Bereich. Beide Bereiche hängen nicht zusammen. Damit ergibt sich nur ein extrem kleines Fertigungsfenster. Die Kompensationsparabel ist bei konstanter Dotierung der p- und n-Gebiete bzw. Säulen überaus steil. Der Durchbruchsort verlagert sich innerhalb weniger Prozente vom Boden der p-Säule in Richtung Oberfläche. (c) Für jedes Kompensationsbauelement gibt es eine Stromzerstörungsschwelle im Avalanche, die unmittelbar mit dem Kompensationsgrad gekoppelt ist. Der Kompensationsgrad bestimmt andererseits die erzielbare Durchbruchsspannung und hat Einfluß auf die Verbesserung des Einschaltwiderstands RDSon. (d) Bei konstanter Dotierung der p- und n-Gebiete sind – wie oben gesagt – die Bauelemente nahe des Maximums der Kompensationsparabel instabil. Dies führt dazu, daß die Bauelemente mit der höchsten Sperrspannung im Avalanche-Test zerstört werden.

Wie oben erläutert wurde, wird zur Vermeidung der Nachteile der Kompensationsgrad längs der Dotierungsgebiete, d.h. bei einer Vertikalstruktur von der Oberseite in Richtung Rückseite des Transistors, so variiert, daß nahe der Oberfläche die Atomrümpfe des zweiten Leitungstyps und nahe der Rückseite die Atomrümpfe des ersten Leitungstyps vorherrschen.

Die resultierende Feldverteilung weist einen "buckelförmigen" Verlauf mit einem Maximum in etwa halber Tiefe auf. Damit beeinflussen sowohl die Elektronen als auch die Löcher im Durchbruch und im Avalanche die Feldverteilung. Beide Ladungsträgerarten wirken stabilisierend, da sie von ihrem Entstehungsort aus jeweils in Gebiete laufen, in denen sie die dominierende, überschüssige Hintergrunddotierung kompensieren. Es gibt so einen durchgehenden Stabilitätsbereich von p-lastigen bis zu n-lastigen Kompensationsgraden.

Eine Variation des Kompensationsgrads durch Fertigungsschwankungen verschiebt den Durchbruchsort in vertikaler Richtung nur wenig und auch kontinuierlich hin und her, solange diese Variation kleiner ist als die technologisch eingestellte Variation des Kompensationsgrads. Die Größe dieser Modifikation des Kompensationsgrads bestimmt auch die Grenzen des Stabilitätsbereichs. Damit wird das Fertigungsfenster frei wählbar.

Die Fokussierung der Ströme ist deutlich geringer ausgeprägt, da beide Ladungsträgerarten nur jeweils die halbe Wegstrecke im Bereich des komprimierenden elektrischen Querfelds zurücklegen. Damit werden die Bauelemente im Avalanche mit deutlich höheren Strömen belastbar.

Da bei einer Variation des Kompensationsgrads z.B. in Richtung auf "n-Lastigkeit " das elektrische Feld jeweils im oberen Bereich der Driftstrecke zunimmt, im unteren Bereich aber gleichzeitig abnimmt (bei Variation in Richtung auf p-Lastigkeit umgekehrt), variiert die Durchbruchsspannung als Funktion des Kompensationsgrads nur relativ wenig. Damit wird die Kompensationsparabel vorzugsweise flach und breit.

Die vertikale Variation des Kompensationsgrads kann durch Variation der Dotierung im p-Gebiet oder durch Variation der Dotierung im n-Gebiet oder durch Variation der Dotierung in beiden Gebieten erfolgen. Die Variation der Dotierung längs der Säulen kann eine konstante Steigung aufweisen oder in mehreren Stufen erfolgen. Grundsätzlich steigt die Variation jedoch monoton von einem p-lastigen Kompensationsgrad zu einem n-lastigen Kompensationsgrad an.

Das obige Prinzip kann ohne weiteres auch bei p-Kanal-Transistoren angewandt werden. Es tritt dann ein entsprechend geänderter Verlauf der Halbleitergebiete auf: Ein (p, p-dominiert, n-dominiert, n)-Verlauf wird durch einen (n, n-dominiert, p-dominiert, p)-Verlauf ersetzt.

Die Grenzen der Stabilität werden auf der n-lastigen Seite erreicht, wenn das Feld oberflächennah über einen merklichen Bereich der Driftstrecke horizontal verläuft. Auf der plastigen Seite erreicht man die Stabilitätsgrenze, wenn das Feld nahe des Bodens des kompensierenden Säulenbereichs über einen merklichen Bereich der Driftstrecke horizontal verläuft.

Generell gilt, daß die Kompensationsparabel um so flacher und breiter wird, je größer der Gradient des Kompensationsgrads ist. Die Durchbruchsspannung im Maximum der Kompensationsparabel sinkt entsprechend.

Eine weitere wichtige Limitierung der Variation des Kompensationsgrads wird durch die Forderung nach Unterschreitung der Durchbruchsladung gegeben. Darüber hinaus treten bei starker Anhebung der p-Säulen-Dotierung nahe der Oberfläche Stromeinschnürungseffekte auf (lateraler JFET-Effekt .

Für 600 V-Bauelemente ist beispielsweise eine Variation des Kompensationsgrads längs der p- und n-Gebiete von 50% vorteilhaft.

Anwendungen für solche Lateraltransistoren sind beispielsweise im Smart-Power-Bereich oder auch in der Mikroelektronik zu sehen; Vertikaltransistoren werden dagegen vorwiegend in der Leitungselektronik erzeugt.

Die vertikale Modifikation des Kompensationsgrades ist sehr einfach umzusetzen, da in den einzelnen Epitaxieebenen nur die Implantationsdosis verändert werden muß. Die "echte" Kompensationsdosis wird dann in der mittleren Epitaxieschicht implantiert, darunter z.B. jeweils 10% weniger, darüber z.B. jeweils 10 mehr. Anstelle der Implantationsdosis kann aber auch die Epitaxiedotierung geändert werden.

Durch die größere beherrschbare Streuung ist es möglich, die Herstellungskosten zu verringern. Die Zahl der notwendigen Epitaxieschichten kann reduziert werden, und die Öffnungen für die Kompensations-Implantation können infolge höherer Streuung der implantierten Dosis durch die größere relative Streuung des Lackmaßes bei gleichzeitig verlängerter Nachdiffusion für das Zusammendiffundieren der einzelnen p-Bereiche zur "Säule" verkleinert werden.

16 zeigt einen Schnitt durch einen neuartigen n-Kanal-MOS-Transistor mit einem n+-leitenden Silizium-Halbleitersubstrat 1, einer Drainelektrode 2, einer ersten n-leitenden Schicht 13, einer zweiten Schicht 3 mit n-leitenden Gebieten 4 und p-leitenden Gebieten 5, p-leitenden Zonen 6, n-leitenden Zonen 7, Gate-Elektroden 8 aus beispielsweise polykristallinem Silizium oder Metall, die in eine Isolierschicht 9 aus beispielsweise Siliziumdioxid eingebettet sind, und einer Source-Metallisierung 10 aus beispielsweise Aluminium. Die pleitenden Gebiete 5 erreichen auch hier das n+-leitende Halbleitersubstrat nicht.

In 16 sind zur besseren Übersichtlichkeit lediglich die metallischen Schichten schraffiert dargestellt, obwohl auch die übrigen Gebiete bzw. Zonen geschnitten gezeichnet sind.

In den p-leitenden Gebieten 5 sind in einer Zone I ein p-Ladungsüberschuß, in einer Zone II eine "neutrale" Ladung und in Zone III ein n-Ladungsüberschuß vorhanden. Dies bedeutet, daß im Gebiet 5, das eine "p-Säule" bildet, in der Zone I die Ladung der p-Säule die Ladung des umgebenden n-leitenden Gebietes 5 überwiegt, daß weiterhin in der Zone II die Ladung der p-Säule genau die Ladung des umgebenden n-Gebietes 5 kompensiert und daß in der Zone III die Ladung der p-Säule noch nicht die Ladung des umgebenden n-Gebiets 5 überwiegt. Wesentlich ist also, daß die Ladung der p-Gebiete 5 variabel ist, während die Ladung der n-Gebiete 4 jeweils konstant ist. Es ist hier wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen aber auch möglich, daß die Ladung der p-leitenden Gebiete 5 konstant ist und die Ladung der n-leitenden Gebiet variiert wird. Ebenso ist es möglich, in beiden Gebieten 4 und 5 die Ladung variabel zu gestalten.

In der DE 43 09 764 A1 ist ein Leistungs-MOSFET beschrieben, bei dem in einer Innenzone p-leitende Gebiete und n-leitende Gebiete in einer Vertikalstruktur vorgesehen sind. Diese pund n-leitenden Gebiete sind dabei in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche in den Halbleiterkörper eingebettet und grenzen nicht an eine p-leitende Zone an. Sie werden mittels der Trench-Technik hergestellt, bei der jeweils eine Grabenätzung mit nachfolgender Epitaxie zur Füllung des Grabens vorgenommen wird. In einem speziellen Ausführungsbeispiel mit Lateralstruktur haben n-dotierte Gebiete eine in Richtung auf eine Drainzone erweiterte Dicke, durch die sich eine zusätzliche Erhöhung der Durchbruchsfeldstärke erreichen lässt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren an zugeben, das auf einfache Weise die Herstellung der Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps mit der gewünschten variablen Dotierung erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps mittels Dotierung aus Gräben bzw. Trenchen und deren Auffüllung derart gebildet werden, daß in Bereichen nahe der ersten Oberfläche Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und im Bereich nahe der zweiten Oberfläche Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper angewandt. Es ist aber auch möglich, die Erfindung auf andere halbleitende Materialien, wie beispielsweise Verbindungshalbleiter, Siliziumcarbid usw. anzuwenden.

Die Ätzung der Trenche kann durch geeignete Wahl von Prozeßparametern so eingestellt werden, daß sich für die Trenche eine definierte Seitenwandneigung,ergibt, so daß beispielsweise Trenche entstehen, die, mit zunehmender Tiefe eine geringere Querschnittsfläche haben. Für beispielsweise n-Typ-Kompensationsbauelemente kann dann die erforderliche n-Dotierung mit beispielsweise Phosphor für den stromführenden Pfad wahlweise über die Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers oder über eine über der gesamten Trenchtiefe konstante Seitenwanddotierung des Trenches erfolgen. Eine solche Seitenwanddotierung kann durch Belegungsprozesse, Dotierung aus der Gasphase, Plasmadotierung oder durch Auftragen epitaktisch abgeschiedener, dotierter Schichten in den Trenchen erfolgen. Bei dem Beispiel der n-Typ-Kompensationsbauelemente wird sodann der Trench mit homogen epitaktisch aufgewachsenem Halbleitermaterial, also beispielsweise Silizium, vom p-Typ teilweise oder ganz verschlossen. Damit wird der gewünschte Gradient der Kompensation von p-dominiert bzw. p-lastig zu n-dominiert bzw. n-lastig mit zunehmender Tiefe des Trenches erreicht.

Es ist also möglich, über die Geometrie des Trenches den vertikalen Verlauf der Dotierung einzustellen, was einerseits durch das Profil der Trenchwand und/oder andererseits durch den Grundriß der Trenches geschehen kann. Bei linearen, gestreckten Trenchstrukturen ist dann das Verhältnis der effektiven Dotierung proportional zum Trenchdurchmesser, während bei kreis- bzw. säulenförmigen Trenches die Trenchöffnung an der Ober- bzw. Unterkante im Quadrat entsprechend der Kreisfläche eingeht. Entsprechend kann beispielsweise bei kreisförmigen Trenches und homogener n-Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers anstelle einer epitaktischen Auffüllung auch eine Seitenwanddotierung vom p-Leitungstyp verwendet werden.

Unter bestimmten Umständen ist eine Trenchätzung mit streng vertikalem Seitenwandprofil einfacher zu erzielen als ein Trench mit einem sich verjüngenden Querschnitt. Um dennoch insgesamt diesen sich verjüngenden Querschnitt zu erreichen, kann eine definiert abgestufte Verjüngung des Trenchprofils in die Tiefe des Trenches mit Hilfe eines oder mehrerer Abstandshalter- bzw. Spacerätzschritte erzielt werden. Es wird hier mit einer ersten Trenchätzung bis zu einer gewissen Teiltiefe begonnen. Anschließend wird ein Seitenwandspacer in üblicher Weise, beispielsweise durch Oxidabscheidung und anisotrope Rückätzung, gebildet. Es schließt sich sodann eine weitere Trenchätzung an, wobei diese Schritte gegebenenfalls mehrfach zu wiederholen sind. Schließlich werden die Maske und der Spacer entfernt.

In einer Variation des obigen Verfahrens ist es möglich, beispielsweise eine Abstufung einer p-Dotierung mit zunehmender Trenchtiefe durch eine mehrfach unterbrochene Trenchätzung zu erreichen. Eine Möglichkeit besteht nun darin, die Seitenwanddotierung jeweils nach Erreichen einer gewissen Teiltiefe der Trenchätzung vorzunehmen, so daß eine erhöhte Dotierungsdosis in den oberen Teilen des Trenches durch Addition der jeweiligen Teildotieruungen ergibt. Dieses Verfahren läßt sich beispielsweise auch mit einer Ionenimplantation nach jedem Teilätzschritt kombinieren, indem beispielsweise die im Boden des Trenches implantierte Dosis jeweils direkt nach dem Implantationsschritt ausdiffundiert wird, wobei der so lateral ausdiffundierte Anteil der Dosis vom nächsten Trenchteilätzschritt nicht entfernt wird. Abschließend werden schließlich die so erhaltenen einzelnen p-leitenden Gebiete durch Diffusion verbunden. Erfolgt die Ionenimplantation unter einem geringen Winkel bezüglich der Tiefe des Trenches, so ergibt sich auch eine gewisse Dotierung in den Seitenwänden des Trenches. Die Abnahme der Dotierung mit der Tiefe des Trenches kann ohne weiteres über eine gezielte Einstellung der Implantationsdosis in jeder Ebene vorgenommen werden.

Bei Verwendung von Dotierverfahren, die sich durch Materialien wie Photolack maskieren lassen, was insbesondere für Ionenimplantation und Plasmadotierung gilt, kann eine mehrfach abgestufte Seitenwanddotierung der Trenches auch dadurch erreicht werden, daß im Anschluß an eine durchgehende tiefe Trenchätzung der Trench mit einem Material hinreichend niedriger Viskosität, wie beispielsweise Photolack, wieder teilweise aufgefüllt wird. Sodann kann durch einfache Ätzverfahren diese Füllung aus Photolack stufenweise wieder entfernt werden, wobei bei jedem Schritt dazwischen der jeweils freiliegende Teil der Seitenwand des Trenches dotiert wird. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Dotierungskonzentration in den oberen Teilen des Trenches durch Addition der jeweiligen Teildosen der einzelnen Dotierungen.

Bei Dotierungsverfahren, die sich nicht mit Lack maskieren lassen, wie beispielsweise bei Belegungsverfahren, kann das gerade oben erläuterte Verfahren so abgewandelt werden, daß der Trench zusätzlich mit einer Isolierschicht, beispielsweise Siliziumdioxid, das durch ein CVD-Verfahren abgeschieden ist, gefüllt und stufenweise rückgeätzt wird. Alternativ ist es aber auch möglich, vor dem Einbringen des Photolacks in den Trench diesen mit der Isolierschicht, also beispielsweise thermisch abgeschiedenem Siliziumdioxid, auszukleiden und nach dem Rückätzen des Lacks den freiliegenden Teil der Isolierschicht durch Ätzen zu entfernen. Nach Abtragen des Restphotolacks bleibt so ein beliebig festzulegender unterer Teil des Trenches gegen Dotierung maskiert.

Durch geeignete Wahl der Prozeßparameter kann die Seitenwanddotierung des Trenches aus der Gasphase heraus so eingestellt werden, daß sich eine Verarmung des Dotierstoffes zum Trench- boden hin ergibt, wie dies beispielsweise für eine p-Dotierung gewünscht wird. Dies gilt insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen der Trenchätzung, wie sie bei Kompensationsbauelementen mit hoher Durchbruchsspannung und niedrigem Einschaltwiderstand notwendig sind. Alternativ kann dies auch durch eine nicht konforme epitaktische Abscheidung von beispielsweise einer p-leitenden Halbleiterschicht im Trench erreicht werden.

Zusätzlich ist es auch möglich, während der epitaktischen Abscheidung noch ein ätzendes Medium, beispielsweise Salzsäure, beizugeben: überwiegt die Abscheidung die Ätzung, so ergibt sich ein Profil, das beispielsweise eine erhöhte n-Dotierungskonzentration in Richtung auf den Trenchboden aufweist.

Bei Implantationsverfahren kann durch geeignete Kombinationen von Rotation, Verkippungswinkel und Energie der Dotierstoff ionen unter Ausnutzung der Innenstreuung an den Trenchseiten- wänden eine mit der Tiefe abnehmende Dosis der Dotierung erreicht werden. Hierzu ist es im allgemeinen erforderlich, den Halbleiterkörper mit verschiedenen Verdrehungswinkeln zu implantieren, um so keine Asymmetrie verschieden orientierter Trenchwände zu erhalten. Bei hohen Aspektverhältnissen im Trench kann es zweckmäßig sein, sukzessiv verschiedene Verkippungswinkel anzuwenden, wobei gegebenenfalls auch eine Implantation unter einem Winkel von 0° erfolgen kann.

Bekanntlich können bestimmte Arten von Defekten zu einem anisotropen Diffusionsverhalten im Kristall führen. Diese Eigenschaft kann zu einer gezielten Tiefdiffusion von beispielsweise p-leitenden Säulen entlang der Defekte ausgenutzt werden, wobei sich hier durch den Diffusionsgradienten automatisch eine Erniedrigung der Dotierungskonzentration mit zunehmender Tiefe der Defekte ergibt. Die Defekte können beispielsweise mit einer extremen Hochenergie-Implantation flächig im Halbleiterkörper erzeugt werden, worauf eine maskierte Einbringung von beispielsweise p-leitendem Dotierstoff mit anschließender Tiefdiffusion erfolgt. Anschließend sind dann die Defekte auszuheilen.

Wird ein vertikaler Trench mit konstanter, beispielsweise pleitender Seitenwanddotierung oder epitaktischer p-Typ-Füllung verwendet, kann eine Verschiebung des Kompensationsgrades in Richtung auf p-Dominanz zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin auch durch eine flächige n-leitende Hintergrunddot.ierung des Halbleiterkörpers erreicht werden, deren Dotierungskonzentration zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin abnimmt .

Dies kann beispielsweise durch Grundmaterial mit mehreren Epitaxieschichten unterschiedlicher n-Dotierung oder durch eine graduierte Dotierung während der Abscheidung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen n-Dotierstoff von der Rückseite des Halbleiterkörpers her einzudiffundieren, wobei der Halbleiterkörper unter Umständen relativ dünn sein sollte, um sonst notwendige lange Diffusionszeiten zu vermeiden.

Eine typische Erscheinung bei plasmaunterstützten anisotropen Trenchätzungen insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen von Trenchen ist die Abnahme der Trenchtiefe mit dem Maß der Trenchöffnung bei gegebener Ätzzeit. Es ergeben sich so verschiedene Möglichkeiten, diese Erscheinung für die Realisierung von vertikal abgestuften p-Dotierungsprofilen auszunutzen. Es kann so ein zentraler Trench mit voller Zieltiefe geätzt werden, wobei unmittelbar benachbarte "Satelliten"-Trenches einen reduzierten Durchmesser haben. Gegebenenfalls kann so auch eine mehrfache Abstufung erzielt werden. Der zentrale Trench wird dann beispielsweise mit einer homogenen n-Dotierung versehen, während die Satelliten-Trenches maskiert werden. Anschließend werden sodann alle Trenches mit einer p-Dotierung ausgestattet. Wahlweise kann auch die n-Dotierung homogen als Hintergrunddotierung im Halbleiterkörper vorhanden sein. Da die dotierten Gebiete bei einem Kompertsationsbauelement im Sperrfall vollständig von beweglichen Ladungsträgern ,ausgeräumt werden, spielt die laterale räumliche Trennung der Trenches keine große Rolle. Es verbleibt im räumlichen Mittel ein Überschuß an p-Ladungsträgern bis zu der jeweils durch die Nachbar-Trenches vorgegebenen Tiefe. Mit diesem Konzept lassen sich p- und n-leitende "Säulen" auch räumlich trennen, so daß beispielsweise der zentrale Trench als ein n-dotierter Elektronenpfad verwendet werden kann, während mit den im Durchmesser stufenweise reduzierten und damit auch in der Tiefe reduzierten Satelliten-Trenches eine schrittweise p-Kompensation erreicht wird.

Die angegebenen Möglichkeiten zur Realisierung von vertikalen Dotierungsgradienten bei Kompensationsbauelementen sind insbesondere bei der Trenchtechnik maßgebend, da sie es gestatten, den Ort des Durchbruchs in die Trenchmantelfläche und damit weg von kritischen Stellen wie dem Trenchboden zu verlegen. Durch die erfindungsgemäße größere beherrschbare Streuung ist es außerdem möglich, die notwendigen engen Fertigungstoleranzen hinsichtlich Ätzmaß der Trenchätzung, Dosis der verschiedenen Seitenwanddotierungen bzw. Füllungen usw., soweit zu vergrößern, daß ein fertigbares Halbleiterbauelement entsteht.

Es ist möglich, die Prozeßparameter von Epitaxieprozessen so einzustellen, daß die Abscheidung auf oxidbedeckten Oberflächen unterdrückt ist, so daß eine selektive Epitaxie vorliegt. Wird nun nach einer Trenchätzung, die über eine Oxidmaske vorgenommen wird, diese Maske auf dem Halbleiterkörper belassen und wird sodann in üblicher Weise ein dünner Oxidseitenwandspacer im Trench beispielsweise durch thermische Oxidation und anschließende anisotrope Rückätzung des Oxids erzeugt, so kann mit dem Verfahren der selektiven Epitaxie eine Füllung, des Trenches mit monokristallinem Silizium erreicht werden, die jedoch durch die Oxidbedeckung der Seitenwand vom Trenchboden her beginnend aufwächst. Dadurch besteht die Möglichkeit, während des Epitaxieprozesses die Dotierung zu ändern und damit grundsätzlich beliebige vertikale Dotierungsverläufe zu erzielen. Die jeweilige konstante Gegendotierung kann wahlweise als homogene Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers vorhanden sein oder über eine Trenchseitenwanddotierung vor der Erzeugung des Oxidseitenwandspacers er-folgen. Die Elektronen- und Lochstrompfade sind damit vertikal durch einen Isolator getrennt, was aber für die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Kompensationsbauelementes unerheblich ist.

Grundsätzlich sind diejenigen Verfahren, bei denen die Netto- p-Lastigkeit zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin durch Variation der p-Dotierung bei konstanter n-Dotierung erreicht wird, denjenigen Verfahren vorzuziehen, die entweder aus- schließlich oder zusätzlich einen vertikalen Gradienten in der n-Dotierung aufweisen, da bei letzteren der Einschaltwiderstand erhöht ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 bis 3 Schnittdarstellungen zur Erläuterung verschiedener Verfahren zur Trenchätzung mit definierter Seitenwandneigung,

4a bis 4d Schnittdarstellung,en zur Erläuterung eines Verfahrens zur Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und stufenweisen Spacer,

5a, 5b, 6a und 6b Schnittdarstellungen zur Erläuterung von zwei Varianten einer Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung bei mehrfach unterbrochener Trenchätzung,

7a bis 7d Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung durch mehrfach gestufte Rückätzung einer Lackfüllung,

8a bis 8d Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung durch mehrfach gestufte Rückätzung einer Oxidfüllung bzw. Lackfüllung, die mit einem Wandoxid kombiniert ist,

9a bis 9c Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung durch mehrfach gestufte Rückätzung einer Lackfüllung und Trenchaufweitung durch isotrope Ätzung,

10a, lOb und 11 Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens mit einem stufenlos variierenden Seitenwandprofil durch diffusionslimitierte Dotierung oder Füllung,

12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem ein variierendes Seitenwandprofil durch Innenimplantation erzeugt wird,

13 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens mit einer variablen Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers,

14a bis 14c Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem Trenches unterschiedlicher Querschnitte kombiniert werden,

15a bis 15d Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem ein Trench mit vertikaler Seitenwand und eine Füllung mit selektiver Epitaxie verwendet werden, und

16 einen Schnitt durch ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement.

Die 16 ist bereits eingangs erläutert worden.

In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt einen Trench 11 in einem n-leitenden Halbleitergebiet 4, wobei dieser Trench 11 epitaktisch durch Halbleitermaterial gefüllt ist, so daß ein p-leitendes Gebiet 6 entsteht. Der Trench 11 hat eine sich nach unten zu seinem Boden verjüngende Struktur, d.h., er wird mit zunehmender Tiefe immer schmaler.

Die in 1 gezeigte Anordnung kann für n-Typ-Kompensationsbauelemente verwendet werden. Die für diese Bauelemente erforderliche n-Dotierung des stromführenden Pfades wird über die Hintergrunddotierung, d.h. die Dotierung des Gebietes 4 im Silizium-Halbleiterkörper erreicht.

2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Trench 11 in seinen Wandflächen mit einer Seitenwanddotierung versehen ist, so daß in einem i-leitenden Halbleiterkörper 1 das n-leitende Gebiet 4 durch die Seitenwände des Trenches 11 gebildet wird. Die in 2 gezeigte Struktur kann durch Belegungsprozeß, Dotierung aus der Gasphasen, Plasmadotierung oder durch epitaktische Abscheidung einer entsprechenden Schicht gebildet werden.

In den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 werden die pleitenden Gebiete 5 durch epitaktisches Aufwachsen von Silizium gebildet. In beiden Fällen wird der gewünschte Gradient der Kompensation von p-lastig zu n-lastig mit zunehmender Tiefe des Trenches 11 erreicht. Über die Geometrie des Trenches 11 kann so der vertikale Verlauf der Dotierungskonzentration eingestellt werden, was einerseits durch das Profil der Trenchwand (vgl. Fig..2) und andererseits auch über den Grundriß des Trenches 11 geschieht. Bei linearen, gestreckten Trenchstrukturen ist das Verhältnis der effektiven Dotierung proportional zu dem Durchmesser des Trenches 11, während bei kreis- bzw. säulenförmigen Trenches 11 die Trenchöffnung an der Ober- bzw. Unterkante entsprechend der Kreisfläche im Quadrat eingeht.

Es ist auch möglich, bei kreisförmigen Trenches 11 und einer homogenen p-leitenden Hintergrunddotierung anstelle einer epitaktischen Auffüllung des Trenches 11 eine Seitenwanddotierung vom n-Typ vorzusehen, so daß bei einem nach unten breiter werdenden Trench mit zunehmender Tiefe ein Übergang von p-Lastigkeit zu n-Lastigkeit erfolgt (vgl. 3).

Die 4a bis 4d zeigen ein Verfahren, bei dem eine Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und einen stufenweisen Spacer vorgenommen wird. Unter bestimmten Umständen ist nämlich eine Trenchätzung mit einem streng vertikalen Seitenwandprofil einfacher zu erzielen als ein schräges Seitenwandprofil, wie dieses bei den Verfahren gemäß den 1 bis 3 verwendet wird. Bei einer vertikalen Seitenwandneigung kann eine definiert abgestufte Verjüngung des Trenchprofils nach unten mit Hilfe eines oder mehrerer Spacerätzschritte erzielt werden. Zunächst wird in einem ersten Ätzschritt mit Hilfe einer Maskierungsschicht 12 in einen n-leitenden Halbleiterkörper ein erster Trench 14 bis zu einer bestimmten Teiltiefe eingebracht (vgl. 4a). Sodann wird ein Seitenwandspacer beispielsweise durch Abscheidung von Siliziumdioxid und anisotroper Rückätzung in üblicher Weise erzeugt (vgl. 4b).

Es folgt anschließend eine weitere Trenchätzung, bei der der mit dem Seitenwandspacer 15 belegte Trench 14 an seinem Boden "vertieft" wird, so daß ein Trench 16 entsteht (vgl. 4c) .

Gegebenenfalls können diese Schritte mit einer Seitenwandbelegung und einem Vertiefen des Trenches mehrmals wiederholt werden.

Nach Entfernung der Maskierungsschicht 12 und des Seitenwandspacers 15 wird schließlich eine Struktur erhalten, bei der ein Trench 17 sich nach unten stufenartig verjüngt (vgl. 4d) .

Abschließend kann dieser Trench 17 in der anhand der 1 und 2 erläuterten Weise behandelt werden: Der Trench 17 wird beispielsweise epitaktisch mit p-leitendem Silizium gefüllt, so daß ein p-leitendes Gebiet 5, dessen Breite stufenartig von oben nach unten abnimmt, entsteht. Es ist aber auch möglich, eine Seitenwanddotierung entsprechend dem Beispiel von 2 vorzunehmen.

Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, bereits nach dem Schritt der 4c eine n-Seitenwanddotierung einzubringen, die dann im oberen Teil des Trenches 16 durch den Seitenwandspacer 15 maskiert wird. Dadurch kann in Kombination mit anschließenden n- und/oder p-Seitenwanddotierungen nach Entfernung des Seitenwandspacers 5 ein Nettoüberschuß an p-Ladungsträgern im oberen Trenchteil erzielt werden.

Bei einem Trenchätzverfahren mit vertikaler Seitenwand, wie dieses oben anhand der 4a bis 4d erläutert wurde, kann eine Abstufung der p-Dotierung mit zunehmender Trenchtiefe auch durch eine mehrfach unterbrochene Trenchätzung erreicht werden. Dies ist möglich, indem beispielsweise die Seitenwanddotierung jeweils nach Erreichen einer bestimmten Teiltiefe der Trenchätzung vorgenommen wird. Ein solches Beispiel, in welcher nach Ätzen eines Trenches 14 eine Seitenwanddotierung zur Erzeugung eines p-leitenden Gebietes 5 erfolgt, ist in 5a gezeigt&lgr; . Nach dieser Dotierung wird der Trench 14 weiter vertieft, und es schließt sich sodann eine weitere Seitenwanddotierung an, bei der sich die Dotierungen in dem oberen Trenchteil überlagern und dort eine erhöhte Dotierungskonzentration bewirken (vgl. 5b). Es liegt hier a1-so eine erhöhte Wanddosis in den oberen Teilen des Trenches 14 vor, die auf der, Addition der jeweiligen Teildosen bei den einzelnen Dotierungen nach Erreichen einer jeweiligen Teiltiefe beruht.

Dieses Vorgehen läßt sich beispielsweise auch bei einer Ionenimplantation nach jedem Teilätzschritt anwenden (vgl. 6a): Nach Einbringen des Trenches 14 wird eine Ionenimplantation (vgl. Pfeile 18) vorgenommen, so daß ein p-leitendes Gebiet am Boden des Trenches 14 entsteht. Der Trench 14 wird anschließend in einem weiteren Ätzschritt vertieft, und es folgt eine erneute Ionenimplantation (vgl. 6b). Auf diese Weise entstehen p-leitende Gebiete 5 am Rand und am Boden des Trenches 14, die abschließend durch eine Diffusion miteinander verbunden werden. Dieses Verbinden kann unterstützt werden, indem die Ionenimplantation unter einem geringen Winkel zur Tiefenrichtuung des Trenches 14 vorgenommen wird, bei der eine gewisse Dosis der implantierten Ionen auch die Seitenwände des Trenches 14 erreicht. Die Abnahme der Netto-p-Konzentration mit der Tiefe des Trenches 14 kann einfach durch die gezielte Einstellung der Ionenimplantationsdosis in jeder Ebene des Bodens der jeweiligen Teilutrenche erfolgen. Bei Verwendung von Dotierverfahren, die sich durch Materialien wie Photolack maskieren lassen, was insbesondere für Ionenimplantations- und Plasmadotierverfahren gilt, kann die mehrfach gestufte Seitenwanddotierung der Beispiele der 5a, 5b, 6a, 6b auch dadurch erreicht werden, daß im Anschluß an eine durchgehende tiefe Trenchätzung (vgl. 7a) der Trench durch ein Material hinreichend niedriger Viskosität, wie beispielsweise Photolack 19, wieder gefüllt wird (vgl. 7b). Sodann wird durch einfache Ätzverfahren der Photolack 19 stufenweise entfernt, wobei nach jedem Abtragen des Photolacks 19 der dann jeweils freiliegende Teil der Seitenwand des Trenches 14 mit p-Dotierstoff, beispielsweise Bor, dotiert wird (vgl. 7c) wodurch sich schließlich durch Mehrfach-Dotierung eine erhöhte Wanddosis in den oberen Teilen durch die Addition der jeweiligen Teildosen ergibt (vgl. 7d) .

Bei Dotierungsverfahren, die sich nicht mit Lack maskieren lassen, also beispielsweise bei allen Belegungsverfahren, kann das anhand der 7a bis 7d erläuterte Ausführungsbeispiel auch so abgewandelt werden, daß der Trench 14 mit Siliziumdioxid, beispielsweise durch CVD (chemische Dampfabscheidung) gefüllt und sodann stufenweise rückgeätzt wird. Anstelle des Photolacks 19 der 7a bis 7d wird also Siliziumdioxid verwendet.

Da aber eine void- bzw. hohlraumfreie Oxidauskleidung bei hohen Aspektverhältnissen des Trenches 14 technisch sehr anspruchsvoll ist, kann alternativ in der folgenden Weise vorgegangen werden: Vor dem Einbringen des Photolacks 19 in den Trench 14 wird dieser zunächst mit einer Siliziumdioxidschicht 20 ausgekleidet, was durch ein thermisches Verfahren geschehen kann (vgl. 8a). Es wird sodann Photolack 19 eingebracht und rückgeätzt (vgl. 8b), und der freiliegende Teil der Oxidschicht 20 wird entfernt (vgl. 8c), was durch Ätzen geschehen kann. Anschließend wird sodann der Rest-Photolack 19 abgetragen, so daß ein beliebig festzulegender unterer Teil des Trenches 14 durch die verbleibende Siliziumdioxidschicht 20 gegen Dotierung maskiert ist. Auf diese Weise kann ein abgestuftes Dotierungsprofil mit p-Dotierstoff erhalten werden, dessen Dotierungsmenge von oben nach unten abnimmt.

Das oben anhand der 7a bis 7g erläuterte Verfahren läßt sich auch mit einer isotropen Siliziumätzung anstelle des Schrittes der 7c kombinieren, das zu einer ähnlich gestuften Trenchform wie bei dem Verfahren gemäß den 4a bis 4d führt. Weiterhin läßt sich damit eine mit der Trenchtiefe zunehmende n-Dotierung erreichen, indem nach der Trenchätzung eine n-Seitenwanddotierung vorgenommen wird (vgl. 9a), anschließend der untere Teil des Trenches mit beispielsweise Photolack 19 abgedeckt wird und die Trenchwand des darüberliegenden Teiles partiell abgetragen wird, so daß dort der Trench 14 eine größere Breite besitzt. Mit diesem Abtragen der Trenchwand werden auch Teile der n-Seitenwanddosis entfernt (vgl. 9b), so daß schließlich in Kombination mit einer anschließenden p-Dotierung oder p-Füllung schließlich ein zur Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 hin zunehmender Überschuß an p-Ladungsträgern besteht.

Durch geeignete Wahl der Prozeßparameter kann die Seitenwanddotierung des Trenches 14 aus der Gasphase heraus so eingestellt werden, daß sich eine Verarmung des Dotierstoffes zum Trenchboden hin ergibt, wie dies für die p-Dotierung gewünscht ist. Es entsteht so ein "diffusionskontrollierter" Bereich. Dies gilt insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen der Trenchätzung, wie sie bei Kompensationsbauelementen mit hoher Durchbruchsspannung und niedrigem Einschaltwiderstand notwendig sind. Alternativ kann dies auch durch eine nicht konforme epitaktische Abscheidung vom p-Typ im Trench erreicht werden, was ebenfalls durch geeignete Wahl der Prozeßparameter für den diffusionskontrollierten Bereich erreicht werden kann. Zusätzlich gewinnt man hier einen Freiheitsgrad für die Optimierung, in dem der epitaktische Abscheidungsprozeß graduell von einer konformen Abscheidung einer p-leitenden Schicht 21 (vgl. 10a) hin zu einer nicht konformen Abscheidung einer p-leitenden Schicht 22 (vgl. 10b). variiert wird.

Ein gegenteiliger Effekt kann mit einer epitaktischen Abscheidung vom n-Typ erreicht werden, bei der während der Abscheidung selbst auch ein ätzendes Medium, beispielsweise Salzsäure, beigefügt wird. Überwiegt die Abscheidungsrate die Ätzrate, so ergibt sich ein Profil, bei dem eine erhöhte n-Dotierung in Richtung auf den Trenchboden vorliegt (vgl. 11) .

Bei Implantationsverfahren kann durch geeignete Kombination von Rotation, Verkippungswinkel und Energie der Dotierstoffionen unter Ausnutzung der Innenstreuung an den Seitenwänden des Trenches 14 eine mit der Tiefe abnehmende Dosis erreicht werden (vgl. 12). Hierzu ist es im allgemeinen erforderlich, den Halbleiterkörper 1 unter verschiedenen Verkippungswinkeln zu implantieren, um keine Asymmetrie unterschiedlich orientierter Trenchwände zu erhalten. Weiterhin kann es bei hohen Aspektverhältnissen des Trenches in diesem erforderlich sein, mit einer sukzessiven Kombination von Verkippungswinkeln einschließlich einer Implantation unter einem Winkel von 0° zu arbeiten.

Ein derartiges Vorgehen ist schematisch in 12 mit einem Verkippungswinkel &agr; der Innenimplantation 18 angedeutet. Die geringere Dotierung mit zunehmender Trenchtiefe entsteht dadurch, daß die "reflektierten" Innenstrahlen in ihrer Intensität zur Tiefe des Trenches 14 hin abnehmen, so daß dort eine zunehmend schwächere Dosis erhalten wird.

Bestimmte Arten von Defekten können zu einem anisotropen Diffusionsverhalten im Silizium-Verbindungshalbleiter- oder Siliziumcarbid-Kristall eines Halbleiterkörpers führen. Diese Eigenschaft kann zu einer gezielten Tiefdiffusion von beispielsweise p-leitenden Säulen entlang der Defekte ausgenutzt werden, wobei sich durch den Diffusionsgradienten automatisch eine Erniedrigung der Konzentration mit zunehmender Tiefe ergibt. Die Defekte können beispielsweise mit einer extremen Hochenergieimplantation flächig im Halbleiterkörper 1 erzeugt werden, worauf eine maskierte Einbringung des p-leitenden Dotierstoffes, also beispielsweise Bor, mit anschließender Tiefdiffusion erfolgt. Von Bedeutung ist selbstverständlich, daß die Defekte anschließend ausgeheilt werden können.

Sollte ein vertikaler Trench 14 mit konstanter p-Seitenwanddotierung oder epitaktischer p-Typ-Füllung verwendet werden, kann eine Verschiebung des Kompensationsgrades in Richtung auf p-Lastigkeit zur Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 hin auch durch eine flächige n-Hintergrunddotierung erreicht werden, deren Konzentration zur Oberfläche hin abnimmt. Dies kann beispielsweise durch ein Grundmaterial mit mehreren Epitaxieschichten 23, 24, 25 unterschiedlicher n-Dotierung (vgl. 13) oder durch graduierte Dotierung während der Abscheidung erfolgen. So ist in 13 beispielsweise die Schicht 23 stärker dotiert als die Schicht 24, und die Schicht 24 ist wiederum stärker dotiert als die Schicht 25.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Eindiffusion eines n-Dotierstoffes von der Rückseite des Halbleiterkörpers her, wobei dann der Halbleiterkörper relativ dünn ausgeführt sein muß, um gegebenenfalls lange Diffusionszeiten zu vermeiden.

Ein typisches Phänomen bei plasmaunterstützten anisotropen Trenchätzungen insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen ist bekanntlich die Abnahme der Trenchtiefe mit dem Maß der Trenchöffnung bei gegebener Ätzzeit. Es ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, dieses Phänomen für die Realisierung von vertikal abgestuften p-Dotierungsprofilen auszunutzen.

14a zeigt eine solche Möglichkeit: es wird mit einem Ätzschritt sowohl ein zentraler Trench 28 mit voller Zieltiefe sowie unmittelbar benachbarte Satelliten-Trenche 26 mit reduziertem Durchmesser geätzt. Der Trench 28 wird in dem ileitenden Halbleiterkörper 1 mit einem n-leitenden Gebiet 4 versehen. Anschließend werden die Trenche 25, 26 mit p-leitendem Halbleitermaterial, also insbesondere Silizium, gefüllt.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, eine mehrfache Abstufung vorzusehen, wie dies in 14b angedeutet ist.

Eine andere Möglichkeit ist in 14c gezeigt: hier ist der zentrale Trench 28 mit einer homogenen n-Dotierung versehen, so daß ein n-leitendes Gebiet 4 vorliegt, während die Satelliten-Trenche 26 eine p-Dotierung aufweisen und p-leitende Gebiete 5 bilden.

Gegebenenfalls ist es aber auch möglich, die n-Dotierung homogen als Hintergrunddotierung vorzusehen.

Hierbei ist zu beachten, daß die dotierten Gebiete bei einem Kompensationsbauelement im Sperrfall vollständig von beweglichen Ladungsträgern ausgeräumt werden. Daher spielt die laterale räumliche Trennung der Trenche 25, 26 keine große Rolle. Es verbleibt im räumlichen Mittel, ein p-Überschuß bis zu der jeweils durch die Nachbartrenche vorgegebenen Tiefe. Es lassen sich also die p- und n-"Säulen" auch räumlich trennen, wie dies im Beispiel von 14c gezeigt ist: der zentrale Trench 28 wird als n-dotierter Elektronenpfad verwendet, während mit dem im Durchmesser stufenweise reduzierten und damit auch in der Tiefe verringerten Satelliten-Trenches 26 eine schrittweise p-Kompensation erreicht wird.

Die oben, angegebenen Möglichkeiten zur Realisierung von vertikalen Dotierungsgradienten bei Kompensationsbauelementen sind insbesondere bei Trenchtechnik maßgebend, da sie es gestatten, den Ort des Durchbruchs in die Trenchmantelfläche und damit weg von kritischen Stellen wie dem Trenchboden zu verlegen. Durch die bei der vorliegenden Erfindung erzielte größere beherrschbare Streuung ist es weiterhin möglich, die notwendigen engen Anforderungen an die Fertigungstoleranzen hinsichtlich Ätzmaß der Trenchätzung, Dosis der verschiedenen Seitenwanddotierungen bzw. Füllungen usw. so weit anzuheben, daß ein fertigbares Bauelement entsteht.

Schließlich ist es möglich, die Prozeßparameter von Epitaxieprozessen so einzustellen, daß die Abscheidung auf oxidbedeckten Oberflächen unterdrückt ist und eine sogenannte "selektive Epitaxie" vorliegt. Wird nun nach einer Trenchätzung, die über eine Maskierungsschicht 12 aus beispielsweise Siliziumdioxid durchgeführt wird, diese Maskierungsschicht 12 auf dem Halbleiterkörper 1 belassen, wie dies in 15a gezeigt ist und wird danach mit einem üblichen Verfahren ein dünner Seitenwandspacer 15 aus Siliziumdioxid im Trench 14 erzeugt, was beispielsweise durch thermische Oxidation und 'anschließende anisotrope Rückätzung des Siliziumdioxids geschehen kann (vgl. 15b), so kann mit dem Verfahren der "selektiven Epitaxie" eine Füllung des Trenches 14 mit monokristallinem Silizium 27 erreicht werden, das jedoch durch die Oxidbedeckung der Seitenwand vom Trenchboden her beginnend aufwächst (vgl. 15c). Dadurch besteht die Möglichkeit, während des Epitaxieprozesses die Dotierung zu ändern und damit im Prinzip beliebige vertikale Dotierungsverläufe zu erreichen. Die jeweilige konstante Gegendotierung kann wahlweise als homogene Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers 1 vorhanden sein oder aber über eine Trenchseitenwanddotierung vor der Erzeugung des Spacers 15 erfolgen. Die Elektronen- bzw. Lochstrompfade sind damit vertikal durch einen Isolator getrennt (vgl. 15d), was aber für die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Kompensationsbauelementes keine Rolle spielt.

Oben wurden verschiedene Verfahren zum Herstellen der Gebiete 4, 5 des in 16 dargestellten Halbleiterbauelements beschrieben. Die übrigen Teile dieses Halbleiterbauelements, also insbesondere die erste Zone des ersten Leitungstyps, die Zone des zweiten Leitungstyps und die zweite Zone des ersten Leitungstyps sowie die mit diesen Zonen verbundenen Elektroden werden in üblicher Weise erzeugt, was durch entsprechende Diffusions-Ionenimplantations-Epitaxie- und Metallisierungsschritte geschehen kann.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist also die Erzeugung der Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps derart, daß in Bereichen nahe einer ersten Oberfläche Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und in Bereichen nahe einer zweiten Oberfläche Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen, wie dies bei allen Ausführungsbeispielen der 1 bis 15 der Fall ist.

1 Halbleitersubstrat 2 Drainelektrode 3 Epitaxieschicht 4 n-leitendes Gebiet 5 p-leitendes Gebiet 6 p-leitende Zone 7 n-leitende Zone 8 Gate-Elektrode g Isolierschicht 10 Source-Metallisierung 11 Graben 12 Isolierschicht 13 n-leitender Bereich 14 Graben 15 Spacer 16 vertiefter Graben 17 abgestufter Graben 18 Ionenimplantation 19 Photolackschicht 20 Oxidschicht 21 konform abgeschiedene Siliziumoxidschicht 22 nicht konform abgeschiedene Siliziumdioxid schicht 23, 24, 25 n-leitende Schichten mit variabler Hinter grunddotierung 26 Satelliten-Gräben 27 epitaktische Siliziumschicht 28 zentraler Graben

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Herstellen eines Vertikal-Halbleiterbauelements mit einem einen sperrenden pn-Übergang aufweisenden Halbleiterkörper, einer ersten Zone (7) eines ersten Leitungstyps, die mit einer ersten Elektrode (10) verbunden ist und an eine den sperrenden pn-Übergang bildende Zone (6) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angrenzt, und mit einer zweiten Zone (1) des ersten Leitungstyps, die mit einer zweiten Elektrode (2) verbunden ist, wobei die der zweiten Zone (1) zugewandte Seite der Zone (6) des zweiten Leitungstyps eine erste Oberfläche (A) bildet und im Bereich zwischen der ersten Oberfläche (A) und einer zweiten Oberfläche (B), die zwischen der ersten Oberfläche (A) und der zweiten Zone (1) liegt, Gebiete (4, 5) des ersten und des zweiten Leitungstyps ineinander verschachtelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete (4, 5) des ersten und des zweiten Leitungstyps mittels Dotierung aus Gräben (11, 14) und deren Auffüllung derart gebildet werden, daß in Bereichen (I) nahe der ersten Oberfläche (A) Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und in Bereichen (III) nahe der zweiten Oberfläche (B) Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (11) mit einem sich von der ersten zur zweiten Oberfläche ändernden Querschnitt eingebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Gräben (11) homogen durch Belegung, Dotierung aus der Gasphase oder Plasmadotierung do- , tiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Seitenwänden der Gräben (11) eine dotierte epitaktische Schicht abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben in wenigstens zwei Stufen (14; 16) mit in der Tiefe der Gräben kleiner werdendem Querschnitt eingebracht werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine Seitenwanddotierung (15) der Gräben (14, 16) vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (14) in mehreren Stufen eingebracht werden und nach jeder Stufe eine Dotierung vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung durch Ionenimplantation erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation unter einem geringen Winkel zur Senkrechten vorgenommen wird, so daß auch die Seitenwände der Gräben (14) dotiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein eingebrachter Graben wenigstens einmal mit Photolack (19) gefüllt und nach jeder Lackfüllung eine Dotierung vorgenommen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Grabens mit einer Isolierschicht (20) maskiert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben nach einer Seitenwanddotierung teilweise mit Photolack (19) gefüllt und danach in seinem nicht mit Lack gefüllten Teil aufgeweitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Graben (14) eine nicht konforme epitaktische Abscheidung (22) vorgenommen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Variation von einer konformen (21) zu einer nicht konformen Abscheidung (22) vorgenommen wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während einer epitaktischen Abscheidung im Graben ein ätzendes Medium zur Einwirkung gebracht wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Graben (14) eine Innenimplantation oder einem Neigungswinkel (&agr;) zur Tiefenrichtung des Grabens (14) vorgenommen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion entlang von Defekten aus dem Graben (14) vorgenommen wird und die Defekte anschließend ausgeheilt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben in einem Halbleiterkörper mit einer variablen Hintergrunddotierung (23, 24, 25) eingebracht wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gräben (25, 26) unterschiedlicher Tiefe und Breite eingebracht werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Gräben mit einer Isolierschicht (20) belegt und danach die Gräben epitaktisch mit Halbleitermaterial (27) mit variablem Dotierungsverlauf gefüllt werden.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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