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Dokumentenidentifikation DE102004011175A1 29.09.2005
Titel Verfahren zur Aktivierung implantierter Dotierungsatome
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Hille, Frank, 81673 München, DE;
Rupp, Thomas, Dr., Faak am See, AT
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 08.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004011175
Offenlegungstag 29.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.09.2005
IPC-Hauptklasse H01L 21/265
IPC-Nebenklasse H01L 21/322   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung implantierter Dotierungsatome, bei dem für eine Amorphisierung und eine Dotierung größere Implantationsteilchen, vorzugsweise BF2-Teilchen, verwendet werden. Durch die Amorphisierung wird erreicht, dass die Ausheiltemperatur nach der Implantation niedriger eingestellt werden kann.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung implantierter Dotierungsatome, bei dem zunächst in einem oberflächennahen Bereich eines Halbleiterkörpers durch Implantation Dotierstoff mit einer bestimmten Dosis eingebracht wird und bei dem danach der Halbleiterkörper einer Ausheilbehandlung bei einer vorgegebenen Temperatur unterworfen wird.

Für bestimmte Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise IGBT's (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) und Thyristoren, sollte eine Rückseitendotierung, also insbesondere die Dotierung einer Emitterzone und gegebenenfalls einer Feldstoppzone, bei möglichst niedrigen Temperaturen vorgenommen werden. Denn die Vorderseite eines solchen Halbleiterbauelements würde durch Temperaturbelastungen, die dort Temperaturen oberhalb von 400°C hervorrufen, geschädigt werden. Aus diesem Grund muss angestrebt werden, dass die Temperatur bei der Herstellung der Rückseitendotierung so niedrig bleibt, dass auf der Vorderseite des Halbleiterbauelementes keine Temperaturen auftreten, die über 400°C liegen.

Damit derartige Temperaturbelastungen mit Temperaturen oberhalb von 400°C vermieden werden können, werden bisher nach Implantationen zur Herstellung der Rückseitendotierung vorgenommene Ausheilschritte bei Temperaturen unterhalb von 400°C durchgeführt. Damit wird aber nur eine unzureichende Ausheilung des Kristallgitters und eine relativ geringe Aktivierung der implantierten Dotierungsatome erreicht, so dass beispielsweise die Wirksamkeit eines durch Implantation und anschließende Ausheilung unter 400°C hergestellten Emitters relativ niedrig ist, was zu hohen Spannungsabfällen im Durchlasszustand des Halbleiterbauelementes führt.

Wird ein Siliziumkristall zuerst durch Ionenimplantation mit elektrisch inaktiven Ionen, wie beispielsweise Germanium- oder Siliziumionen stark geschädigt, so dass er in den amorphen Zustand übergeht, so bewirkt diese "Voramorphisierung", dass bei einer anschließenden Implantation eigentlicher Dotierungsatome, wie beispielsweise Phosphorionen oder Borionen, diese implantierten Dotierungsatome schon bei relativ niedrigen Temperaturen stark aktiviert werden. Dies ist auf die niedrigeren Energien zurückzuführen, die infolge der Voramorphisierung notwendig sind, um durch die Temperaturbehandlung das Kristallgitter wieder herzustellen und in dieses die Dotierungsatome einzubauen. Der obige Vorgang wird bei der Herstellung integrierter Schaltungen (IC-Technologie) angewandt und dort als "Solid State Epitaxy" oder "Solid Phase Epi" (SPE) bezeichnet.

Der Aufwand für ein solches SPE-Verfahren ist infolge der Doppelimplantation für Voramorphisierung und Dotierung relativ hoch. Außerdem kann durch Schwankungen der Eindringtiefen der beiden Implantationen der Abstand zwischen dem Maximum der implantierten Dotierungsatome und der Amorphisierungsfront, die sich während des Prozesses der "Solid State Epitaxy" kontinuierlich zur Scheibenoberfläche hin verschiebt, unterschiedlich ausfallen, was zu unerwünschten Streuungen im Dotierungsprofil führt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aktivierung implantierter Dotierungsatome anzugeben, mit dem ohne aufwändige Doppelimplantationen der Einsatz hoher Temperaturen bei Ausheilbehandlungen vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Dotierstoff so ausgewählt und mit einer solchen Dosis in den Halbleiterkörper eingebracht wird, dass er eine Amorphisierung des Halbleiterkörpers im Wesentlichen in dem oberflächennahen Bereich bewirkt, und dass die vorgegebene Temperatur höchstens 550°C beträgt. Wird die Ausheilbehandlung bei einer solchen Temperatur von höchstens 550°C vorgenommen, so ist, wenn der oberflächennahe Bereich beispielsweise auf der Rückseite des Halbleiterkörpers liegt, sichergestellt, dass die Temperatur auf dessen Vorderseite 400°C nicht übersteigt. Vorzugsweise beträgt die Ausheiltemperatur höchstens 500°C und liegt insbesondere zwischen 350°C und 450°C.

Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also, dass die für die Dotierung verwendeten Implantationsatome gleichzeitig auch zum Amorphisieren des Halbleiterkörpers verwendet werden. Durch dieses gleichzeitige Amorphisieren wird der Grad der Aktivierung der implantierten Dotierungsatome bei einer bei niedrigen Temperaturen vorgenommenen Ausheilbehandlung erhöht, ohne dabei die Einstellung des Emitterwirkungsgrades nach unten zu begrenzen.

Vorzugsweise werden als Dotierstoff geladene Teilchen verwendet, die größere Durchmesser haben. Als größere Durchmesser werden dabei Durchmesser von Teilchen angesehen, die größer sind als die Durchmesser der Atome der zweiten Periode des Periodensystems.

In vorteilhafter Weise werden als Dotierstoff geladene BF2-Teilchen vorgesehen. Gegebenenfalls können aber auch andere, ähnliche Teilchen eingesetzt werden.

Bei diesen Teilchen, wie insbesondere bei BF2-Teilchen, setzt einerseits die Amorphisierung schon bei relativ geringen Dosen ein und ist andererseits der mit einer solchen Bestrahlung erzeugte p-leitende Emitter auch über einem weiten Bereich einstellbar. Es hat sich gezeigt, dass die Amorphisierungsgrenze bei diesen Teilchen um eine Größenordnung niedriger liegt als bei Bestrahlung mit beispielsweise Borionen.

Werden nämlich Borionen zur Amorphisierung verwendet, für welche eine hohe Ionenimplantationsdosis erforderlich ist, so lässt sich ein sehr guter Emitter herstellen. Ein solcher ist aber für bestimmte Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise IGBTs, nicht wünschenswert. Um nämlich die Abschaltverluste des IGBTs nicht zu groß werden zu lassen, sollte die Effizienz des p-dotierten Emitters begrenzt sein. Dies bedeutet also, dass durch Verwenden einer BF2-Implantation oder dergleichen der Emittererwirkungsgrad über einen relativ weiten Bereich kontrolliert variiert werden kann.

Die Verwendung von BF2-Ionen zur Implantation liefert einen weiteren Vorteil: bei den angegebenen Ausheiltemperaturen von insbesondere unterhalb 500°C ist eine merkliche Eindiffusion der Boratome praktisch ausgeschlossen, während bei einer reinen Borimplantation eine, wenn auch nur geringe Eindiffusion stattfindet. Diese Verhinderung der Eindiffusion lässt sich aus der Wechselwirkung zwischen den Boratomen und den Fluoratomen erklären (vgl. hierzu A. Mokhberi et al.: Appl. Phys. Letters, Band 80, S. 3530 (2002)).

Schließlich ist bei Verwendung von BF2-Teilchen zur Implantation bei den üblicherweise eingesetzten Implantationsenergien die Eindringtiefe im Halbleiterkörper deutlich geringer als beispielsweise bei einer Borimplantation.

Die Verhinderung der Eindiffusion von Boratomen und die geringe Eindringtiefe führen dazu, dass die Transparenz eines derart hergestellten Emitters infolge der minimalen Eindringtiefe deutlich ausgeprägter ist als in dem Fall, in welchem die Ausheilung bei deutlich höheren Temperaturen vorgenommen wird. Transparenz bedeutet in diesem Fall, dass die Effizienz des Emitters durch die Oberfläche des Halbleiterkörpers, wie beispielsweise eines Siliziumchips, beeinflusst wird, was in vielen Fällen eine wünschenswerte Eigenschaft ist. In diesem Fall kann somit die Emittereffizienz nicht nur über die Implantationsdosis, sondern auch über die Implantationsenergie gesteuert werden.

Die Dosis des zu implantierenden Dotierstoffes wird insbesondere so eingestellt, dass sie oberhalb der Amorphisierungsdosis liegt. Diese beträgt beispielsweise für BF2 5 × 1014 Teilchen cm–2 (für Bor hat sie einen Wert von 1016 Teilchen cm–2). Eine bevorzugte Implantationsdosis für BF2- Teilchen beträgt wenigstens 1 × 1016 Teilchen cm–2.

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

1 einen IGBT in einer Schnittdarstellung,

2A den Verlauf des Profiles der chemischen totalen Borkonzentration, wie dieses aus einer Simulation eines Implantationsprozesses erhalten wird,

2B den Verlauf des Profiles der elektrisch aktiven Borkonzentration, wie dieses aus „Spreading Resistance Messungen" (Ausbreitungswiderstandsmeßmethode) ermittelt wurde, wobei hier nur ein Bruchteil der chemischen Borkonzentration in Erscheinung tritt und in den 2A und 2B die Borkonzentration jeweils in cm–3 in Abhängigkeit von der Tiefe (&mgr;m) aufstehend von der Oberfläche eines Halbleiterkörpers aufgetragen sind, und

3 den Verlauf der Dosis zum Amorphisieren von Silizium in Abhängigkeit von der Implantationstemperatur für verschiedene Dotierstoffe.

1 zeigt einen IGBT mit einem Halbleiterkörper 1, in welchem von einer ersten Oberfläche bzw. Vorderseite 2 aus eine n-dotierte Emitterzone 3, eine p-dotierte Basiszone 4, eine n-dotierte Basiszone 5, eine n+-dotierte Feldstoppzone 6 und eine p-dotierte Emitterzone 7 vorgesehen sind. Auf einer zweiten Oberfläche bzw. Rückseite 8 des Halbleiterkörpers ist eine Metallisierung 9 aufgebracht, während in der Vorderseite 2 Trenches 10 mit einer Gate-Isolierschicht 11 aus beispielsweise Siliziumdioxid und einer Gateelektrode 12 aus polykristallinem Silizium vorgesehen sind. Die Emitterzone 3 und die Basiszone 4 sind mit einer Metallisierung 13 versehen, die sich im Wesentlichen über einer auf die Vorderseite 2 aufgebrachte Isolierschicht 14 aus beispielsweise Siliziumdioxid erstreckt.

Für den Halbleiterkörper 1 wird vorzugsweise Silizium verwendet. Es sind aber auch andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise SiC, AIIIBV usw. einsetzbar. Weiterhin können auch die angegebenen Leitungstypen jeweils umgekehrt sein. Das heißt, der n-Leitungstyp kann durch den p-Leitungstyp ersetzt werden, wenn anstelle des p-Leitungstyps der n-Leitungstyp vorgesehen wird.

Die Emitterzone 7 (und gegebenenfalls auch die Feldstoppzone 6) wird von der Rückseite 8 aus durch Implantation in den Halbleiterkörper 1 eingebracht. Nach dieser Implantation wird eine Ausheilbehandlung durchgeführt, bei der solche Temperaturen anzuwenden sind, dass auf der Vorderseite 2 des Halbleiterkörpers 1 keine höheren Temperaturen als beispielsweise 400°C herrschen.

Erfindungsgemäß wird nun eine Amorphisierung im Bereich der Emitterzone 7 vorgenommen, um so die Ausheilbehandlung bei niedrigeren Temperaturen durchführen zu können. Für diese Amorphisierung werden Dotierstoffteilchen eingesetzt, die nicht nur diese Amorphisierung bewirken, sondern gleichzeitig als Implantationsatome dienen. Bevorzugt ist hierzu BF2 vorgesehen.

Nun ist für die Erzeugung der beispielsweise mit Bor dotierten p-leitenden Emitterzone 7 die erforderliche Dosis an Boratomen relativ hoch und liegt über 1E16 cm–2, wie dies aus den 2A und 2B zu ersehen ist: erst bei dieser Dosis liegt eine merkliche Amorphisierung bis in einer Tiefe von etwa 0,25 bis 0,4 &mgr;m vor. Die 2A und 2B zeigen dabei Ergebnisse von einer Borimplantation mit einer Energie von 45 keV und nach einer Temperung bei etwa 350°C während einer Zeitdauer von 30 min in einer N2H2-Atmosphäre. Für die Erstellung der 2A wurde eine Simulation angewandt, während die Ergebnisse von 2B durch die "Spreading Resistance Method" erhalten sind.

Aus den 2A und 2B ist auch zu ersehen, dass die sich ergebende aktive Konzentration (2B) im Fall der höchsten Dosis, die eine Amorphisierung zur Folge hat, deutlich höher ist als bei den nicht-amorphisierenden Dosen. Auch zeigt der Verlauf für die Dosis von 1,0E16 cm–2 in 2B, dass die aus der hohen Ionenimplantationsdosis resultierende Aufheizung schon selber je abhängig von dem eingestellten Ionenstrom eine unkontrollierte teilweise Ausheilung des Halbleiterkörpers bewirkt.

Aus 3 ist die relativ hohe Dosis zwischen 1,0E15 und 1,0E18 zu ersehen, die für die Erzeugung eines mit Bor dotierten p-leitenden Emitters im Bereich zwischen 200°K und 300°K erforderlich ist.

1Halbleiterkörper 2Vorderseite 3n-Emitterzone 4p-Basiszone 5n-Basiszone 6Stoppzone 7p-Emitterzone 8Rückseite 9Rückseitenmetallisierung 10Trench 11Gate-Isolierschicht 12Gateelektrode 13Vorderseitenmetallisierung

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Aktivierung implantierter Dotierungsatome, bei dem zunächst in einem oberflächennahen Bereich (7) eines Halbleiterkörpers (1) durch Implantation Dotierstoff mit einer bestimmten Dosis eingebracht wird und bei dem danach der Halbleiterkörper (1) einer Ausheilbehandlung bei einer vorgegebenen Temperatur unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff so ausgewählt und mit einer solchen Dosis in den Halbleiterkörper (1) eingebracht wird, dass er eine Amorphisierung des Halbleiterkörpers (1) im wesentlichen in dem oberflächennahen Bereich (7) bewirkt, und dass die vorgegebene Temperatur höchstens 550°C beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächennahe Bereich in der Rückseite des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Temperatur höchstens 500°C beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Temperatur 350°C bis 450°C beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dotierstoff ein geladenes Teilchen verwendet wird, das größere Abmessungen als Atome der zweiten Periode des Periodensystems hat.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff mit einer Dosis die oberhalb von dessen Amorphisierungsdosis liegt, in den Halbleiterkörper (1) eingebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Dotierstoff geladene BF2-Teilchen verwendet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff mit einer Dosis von wenigstens 5 × 1014 Teilchen cm–2 in den Halbleiterkörper (1) eingebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als bestimmter Bereich (7) der p-dotierte Emitter eines IGBTs oder Thyristors verwendet wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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