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Dokumentenidentifikation DE102005026408B3 01.02.2007
Titel Verfahren zur Herstellung einer Stoppzone in einem Halbleiterkörper und Halbleiterbauelement mit einer Stoppzone
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Niedernostheide, Franz-Josef, Dr., 48157 Münster, DE;
Mauder, Anton, Dr., 83059 Kolbermoor, DE;
Barthelmess, Reiner, Dr., 59494 Soest, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 08.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005026408
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/328(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 29/739(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 29/861(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 21/324(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 21/265(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 29/74(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen Stoppzone in einem Halbleiterkörper (100) und ein Halbleiterbauelement mit einer Stoppzone. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte aufweist:
Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100) der eine erste und eine zweite Seite (101, 102) und eine Grunddotierung eines ersten Leitungstyps aufweist,
Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100) über eine der Seiten (101, 102) mit Protonen, wodurch Protonen in einen beabstandet zu der Bestrahlungsseite (101) gelegenen ersten Bereich (111) des Halbleiterkörpers (100) eingebracht werden,
Durchführen eines Temperaturprozesses, bei dem der Halbleiterkörper (100) für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, wobei die Temperatur und die Dauer so gewählt sind, dass wasserstoffinduzierte Donatoren sowohl in dem ersten Bereich (111) also auch in einem sich an den ersten Bereich (111) in Richtung der Bestrahlungsseite (101) anschließenden zweiten Bereich (112) erzeugt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stoppzone bzw. Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper und ein Halbleiterbauelement mit einer Stoppzone.

Es ist bekannt, bei bipolaren Leistungsbauelementen, wie beispielsweise Leistungsdioden, Leistungsthyristoren oder Leistungs-IGBT, die eine vergleichsweise schwach dotierte Basiszone besitzen, eine höher als die Basiszone dotierte Stoppzone in der Basiszone vorzusehen. Diese Stoppzone dient bei sperrendem Bauelement zur Begrenzung des sich in der Basiszone ausbreitenden elektrischen Feldes und verhindert ein Durchgreifen des elektrischen Feldes zu einer sich an die Basiszone anschließenden stärker dotierten Emitterzone. Ein Leistungsbauelement mit einer solchen Stoppzone ist beispielsweise in der DE 100 48 165 A1 beschrieben.

Die US 4,517,582 beschreibt ein vertikales Leistungsbauelement mit einer Stoppzone, die in einer Basiszone beabstandet zu einer Emitterzone angeordnet ist. Zwischen der Stoppzone und der Emitterzone ist eine Zwischenzone angeordnet, in welcher die Dotierungskonzentration ausgehend von der Stoppzone in Richtung der Emitterzone bis auf das Niveau der Dotierungskonzentration der Basiszone abnimmt.

Die US 5,075,751 beschreibt ein vertikales Halbleiterbauelement mit einer Anodenzone und einer Kathodenzone, zwischen denen eine, beispielsweise durch Protonenimplantation hervorgerufene, Defektzone im Halbleiterkristallgitter vorgesehen ist. Diese Defektzone dient zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Bauelement.

Ein Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Stoppzone in einem Halbleiterkörper ist in der DE 102 43 758 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Protonen in den Bereich des Halbleiterkörpers eingestrahlt, in dem die Stoppzone erzeugt werden soll. An diesen Bestrahlungsschritt schließt sich ein Temperaturverfahren an, bei dem der Halbleiterkörper für eine Zeitdauer zwischen einer Minute und 250 Minuten auf Temperaturen zwischen 250°C und 550°C aufgeheizt wird, um wasserstoffinduzierte Donatoren zu erzeugen.

Beim Abschalten von bipolaren Leistungsbauelementen ist es grundsätzlich vorteilhaft, wenn der zeitliche Gradient des in der Basiszone fließenden Stromes gegen Ende der Abschaltphase möglichst gering ist, wenn der in der Basiszone fließende Strom also möglichst sanft abnimmt. Spannungen, die während des Abschaltvorgangs in Zuleitungen zu dem Bauelement an unvermeidlich vorhandenen parasitären Streuinduktivitäten induziert werden, können dadurch minimiert werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Stoppzone, die ein sanftes Abschaltverhalten gewährleistet, sowie ein Halbleiterbauelement mit einer solchen, ein sanftes Abschaltverhalten gewährleistenden Stoppzone zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen Stoppzone ist vorgesehen, einen Halbleiterkörper mit einer Grunddotierung eines ersten Leitungstyps, der eine erste und eine zweite Seite aufweist, bereitzustellen und den Halbleiterkörper über eine der Seiten mit Protonen zu bestrahlen, wodurch Protonen in einen beabstandet zu der Bestrahlungsseite gelegenen ersten Bereich des Halbleiterkörpers eingebracht werden. Anschließend wird ein Temperaturprozess durchgeführt, bei dem der Halbleiterkörper für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird. Die Temperatur und die Zeitdauer dieses Temperaturprozesses, der nachfolgend auch als Ausheilprozess bezeichnet ist, sind dabei so gewählt, dass wasserstoffinduzierte Donatoren sowohl in dem ersten Bereich als auch in einem sich an den ersten Bereich in Richtung der Bestrahlungsseite anschließenden zweiten Bereich erzeugt werden.

Die Temperatur während dieses Temperaturprozesses beträgt zwischen 200°C und 550°C bei einer Zeitdauer zwischen zwei Stunden und 20 Stunden. Die Zeitdauer des Temperaturprozesses beträgt vorzugsweise zwischen 2,5 Stunden und 12 Stunden, die Temperatur beträgt vorzugsweise zwischen 400°C und 500°C.

Der Abstand des ersten Bereiches des Halbleiterkörpers, in welchen die Protonen eingebracht werden, von der Bestrahlungsseite ist abhängig von der Bestrahlungsenergie, mit welcher die Protonen eingebracht werden. Der Abstand des Bereiches zu der Bestrahlungsseite, der der Tiefe der späteren Stoppzone ausgehend von dieser Seite entspricht, beträgt zwischen etwa 5% und etwa 40%, vorzugsweise zwischen 10% und 15% der gesamten Dicke des Halbleiterkörper. Die Dicke des Halbleiterkörpers beeinflusst dabei die Spannungsfestigkeit, also die zulässige Sperrspannung des Bauelements. Bei Silizium als Material des Halbleiterkörpers sollte diese Dicke zwischen etwa 6 &mgr;m und etwa 20 &mgr;m, vorzugsweise etwa 11 &mgr;m, pro 100V gewünschter Sperrspannung betragen. Für ein beispielhaftes Bauelement mit 13kV Sperrvermögen beträgt eine typische Dicke somit etwa 1500 &mgr;m und eine typische Eindringtiefe des Feldstopps etwa 150–250 &mgr;m.

Die Protonen hinterlassen auf ihrem Weg von der Bestrahlungsseite bis in den ersten Bereich Bestrahlungsdefekte in dem Halbleiterkörper.

Während des Ausheilprozesses diffundieren die Protonen aus dem ersten Bereich, so dass wasserstoffinduzierte Donatoren, zu deren Bildung zum einen die bestrahlungsbedingten Defekte und zum anderen Wasserstoff notwendig sind, auch in dem zwischen der Bestrahlungsseite und dem ersten Bereich gelegenen zweiten Bereich erzeugt werden. Die Dotierungskonzentration der wasserstoffinduzierten Donatoren in dem zweiten Bereich ist dabei abhängig von der Protonenkonzentration, die durch die Diffusion von Protonen aus dem ersten Bereich in Richtung der Bestrahlungsseite erreicht wird. Die aus der Diffusion der Protonen und deren Wechselwirkung mit den Defekten resultierende Donatorkonzentration im zweiten Bereich ist üblicherweise wesentlich geringer als die Donatorkonzentration die durch das Bestrahlungs- bzw. Implantationsverfahren in dem ersten Bereich erreicht wird.

Die Protonenkonzentration in dem zweiten Bereich ist insbesondere abhängig von der Dauer des Ausheilprozesses und auch von der während des Ausheilprozesses angewendeten Temperatur. Während bei Ausheiltemperaturen von 400°C und höher bereits eine Zeitdauer im Bereich von zwei Stunden ausreichend sein kann um eine nennenswerte Dotierungskonzentration in dem zweiten Bereich zu erreichen, müssen bei niedrigeren Ausheiltemperaturen oder großen Implantationsenergien, die zu einer großen vertikalen Ausdehnung des zweiten Bereiches führen, entsprechend längere Ausheildauern angewendet werden. In dem Bereich des Halbleiterkörpers, der sich an den ersten Bereich auf der der zweiten Seite zugewandten Seite anschließt, tritt keine protoneninduzierte Erhöhung der Grunddotierung auf, da hier keine bestrahlungsbedingten Defekte vorhanden sind und somit ein wesentlicher Bestandteil fehlt, der für die Donatorbildung verantwortlich ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich eine zweistufige Feldstoppzone erzeugen, die im ersten Bereich stärker als im zweiten Bereich dotiert ist und bei der die Dotierungskonzentration in beiden Bereichen höher als die Grunddotierung des Halbleiterkörpers ist. In einem fertigen Leistungsbauelement, das eine solche Stoppzone aufweist, schließt sich an den schwächer dotierten zweiten Bereich der Stoppzone eine Emitterzone an, die je nach Bauelement n-dotiert oder p-dotiert sein kann. Der sich an diese Emitterzone anschließende und höher als die Grunddotierung des Halbleiterkörpers dotierte zweite Bereich der Stoppzone bildet während des Abschaltvorganges eines solchen Leistungsbauelementes ein "Plasmareservoir" an Ladungsträgern, so dass während des gesamten Abschaltvorganges ausreichend Ladungsträger zur Verfügung stehen, um den Stromgradienten auch in der Endphase des Abschaltvorganges hinreichend niedrig zu halten. Hierzu sollte der schwächer dotierte zweite Bereich eine ausreichende vertikale Ausdehnung aufweisen. Die Ausdehnung beträgt typischerweise zwischen 4% und etwa 35%, vorzugsweise zwischen 8% und 14% der gesamten Dicke des Halbleiterkörpers.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

1 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer zweistufigen Stoppzone in einem Halbleiterkörper.

2 veranschaulicht den Dotierungsverlauf in dem Halbleiterkörper in 1 nach Abschluss des Verfahrens.

3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Leistungsdiode, die eine erfindungsgemäße Stoppzone aufweist.

4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen IGBT, der eine erfindungsgemäße Stoppzone aufweist.

5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Leistungsthyristor, der eine erfindungsgemäße Stoppzone aufweist.

6 zeigt für einen Halbleiterkörper die Abhängigkeit des Abstands zu der Bestrahlungsseite eines Protonen aufweisenden ersten Bereiches und der Standardabweichung der Tiefenverteilung von der Teilchenenergie bei Silizium als Halbleitermaterial.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer zweistufigen Feldstoppzone wird nachfolgend anhand der 1a und 1b erläutert.

Bezug nehmend auf 1a wird ein Halbleiterkörper 100 bereitgestellt, der beispielsweise aus Silizium besteht und der eine Grunddotierung aufweist. Der Halbleiterkörper 100 weist eine erste Seite 101 und eine zweite Seite 102 auf und wird über eine der beiden Seiten, in dem Beispiel die erste Seite 101, mit Protonen bestrahlt. Die Protonen werden während des Bestrahlungsschrittes in einen beabstandet zu der Bestrahlungsseite 101 angeordneten ersten Bereich des Halbleiterkörpers 100 eingebracht. Ein Abstand dieses ersten Bereiches 111 von der Bestrahlungsseite 101 ist abhängig von der Bestrahlungsenergie, mit welcher die Protonenbestrahlung erfolgt. Auch die Abmessungen dieses ersten Bereiches 111 in der vertikalen Richtung sind von der Bestrahlungsenergie abhängig. Dabei gilt, dass die Abmessungen dieses ersten Bereiches 111 in der vertikalen Richtung umso größer sind, je höher die Bestrahlungsenergie ist, je weiter die Protonen also in den Halbleiterkörper 100 eindringen. Das Maximum der Protonenkonzentration in dem ersten Bereich 111 liegt nach Abschluss des Bestrahlungsschrittes in vertikaler Richtung etwa in der Mitte dieses Bereiches 111.

In 6 ist die Eindringtiefe (in &mgr;m) der Protonen ausgehend von der Bestrahlungsseite 101 abhängig von der Bestrahlungsenergie (in MeV) aufgetragen bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial aufgetragen. Die Standardabweichung der Eindringtiefe ist in 6 in herkömmlicher Weise durch senkrechte Striche über jeweiligen Werten der Bestrahlungsenergie aufgetragen. Wie aus der Kurve ersichtlich ist, lassen sich bei Bestrahlungsenergien von ca. 6 MeV Eindringtiefen der Protonen bis zu 300 &mgr;m erreichen. Die Eindringtiefen für kleinere Bestrahlungsenergien sind entsprechend geringer.

In einem zwischen der Bestrahlungsseite 101 und dem ersten Bereich 111 gelegenen zweiten Bereich 112 des Halbleiterkörpers 100 hinterlassen die Protonen Bestrahlungsdefekte in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers. Diese Defekte sind in 1a schematisch als Kreuze dargestellt und mit dem Bezugszeichen 114 bezeichnet. In das Kristallgitter eingebrachte Protonen in dem ersten Bereich 111 sind schematisch durch Kreise dargestellt und mit dem Bezugszeichen 113 bezeichnet. Bestrahlungsdefekte sind selbstverständlich auch in dem ersten Bereich 111 vorhanden, bis in den die Protonen vordringen. Die Konzentration an Bestrahlungsdefekten ist in diesem Bereich höher als die Konzentration der eingebrachten Protonen.

An den Bestrahlungsschritt schließt sich ein Temperaturprozess bzw. Ausheilprozess an, bei dem der Halbleiterkörper 100 für eine Zeitdauer zwischen zwei Stunden und 20 Stunden, vorzugsweise zwischen 2,5 Stunden und 12 Stunden, auf eine Temperatur zwischen 200°C und 550°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 500°C, aufgeheizt wird. Während dieses zwei Stunden oder länger, vorzugsweise 2,5 Stunden und länger, dauernden Temperaturprozess diffundieren Protonen aus dem ersten Bereich 111 in nennenswertem Umfang aus diesem ersten Bereich 111 aus. Des Weiteren werden während des Ausheilprozesses in dem ersten Bereich 111 wasserstoffinduzierte Donatoren durch die während des Bestrahlungsprozesses eingebrachten Protonen gebildet. Die in Richtung der Bestrahlungsseite 101 diffundierenden Protonen führen während des Ausheilprozesses ebenfalls zur Erzeugung wasserstoffinduzierter Donatoren in dem zwischen dem ersten Bereich 111 und der Bestrahlungsseite 101 angeordneten zweiten Bereich 112, wobei an dieser Erzeugung wasserstoffinduzierter Donatoren in dem zweiten Bereich 112 die aus dem ersten Bereich in Richtung der Bestrahlungsseite 101 diffundierenden Protonen und die in dem zweiten Bereich durch die vorherige Protonenbestrahlung hervorgerufenen Bestrahlungsdefekte beteiligt sind. Während des Temperaturschrittes diffundieren Protonen aus dem ersten Bereich 111 auch in Richtung der der Bestrahlungsseite gegenüberliegenden Seite 102 aus. In dem sich in dieser Richtung an den ersten Halbleiterbereich 111 anschließenden Bereich des Halbleiterkörpers entstehen allerdings keine wasserstoffinduzierten Donatoren, da dort keine zur Bildung solcher Donatoren erforderlichen Bestrahlungsdefekte vorhanden sind.

1b zeigt den Halbleiterkörper 100 nach Abschluss des Ausheilprozesses. Mit dem Bezugszeichen 11 ist dabei eine hochdotierte n-dotierte erste Halbleiterzone bezeichnet, die im ersten Bereich 111 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen 12 ist eine schwächer als die erste Zone 11 dotierte zweite Halbleiterzone 12 bezeichnet, die im zweiten Bereich 112 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist.

2 zeigt beispielhaft den Dotierungsverlauf in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100. Der Dotierungsverlauf ist in dem Beispiel ausgehend von einer vertikalen Position x0, an welcher der Halbleiterkörper 100 seine Grunddotierung aufweist, in Richtung der Bestrahlungsseite 101 aufgetragen. Die Grunddotierung des Halbleiterkörpers 100 wird nachfolgend mit Nref bezeichnet, während ND die Dotierungskonzentration in den ersten und zweiten Halbleiterzonen 11, 12 bezeichnet. In 2 ist die Dotierungskonzentration ND in den ersten und zweiten Halbleiterzonen 11, 12 im Verhältnis zu der Grunddotierung Nref aufgetragen. Die Dotierungskonzentration besitzt in der ersten Halbleiterzone 11 ausgehend von dem die Grunddotierung aufweisenden Halbleiterbereich 13 einen in etwa parabelförmigen Verlauf mit einer maximalen Dotierungskonzentration, die in vertikaler Richtung in etwa in der Mitte der ersten Halbleiterzone 11 liegt. Aufgrund der während des langen Ausheilprozesses stattgefundenen Diffusion von Protonen in Richtung der Bestrahlungsseite 101 nimmt die Dotierungskonzentration in der zweiten Halbleiterzone 12 ausgehend von der ersten Halbleiterzone 11 in Richtung der Bestrahlungsseite 101 in dem Beispiel linear ab. Bei sehr langen Ausheildauern kann allerdings ein Dotierungsverlauf in der zweiten Halbleiterzone 12 erreicht werden, bei dem die Dotierungskonzentration überall in der zweiten Halbleiterzone 12 annähernd konstant ist oder in der Nähe der Vorderseite 101 sogar wieder ansteigt.

Die Dotierungskonzentration in der zweiten Halbleiterzone 12 ist wesentlich niedriger als die maximale Dotierungskonzentration in der ersten Halbleiterzone 11. Diese Dotierungskonzentration in der zweiten Halbleiterzone 12 beträgt bei dem in 2 dargestellten Dotierungsverlauf weniger als 20% der maximalen Dotierungskonzentration in der ersten Halbleiterzone 11. Die Dotierungskonzentration in der zweiten Halbleiterzone 12 ist jedoch wesentlich höher als die Grunddotierung und beträgt in dem Beispiel etwa das 20-fache der Grunddotierung.

Das zuvor erläuterte erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung zweistufiger Stoppzonen in beliebigen bipolaren vertikalen Leistungsbauelementen, was nachfolgend anhand der 3 bis 5 erläutert wird.

3 zeigt ein als Leistungsdiode ausgebildetes Halbleiterbauelement. Die Diode ist in einem Halbleiterkörper 100 integriert und weist eine n-dotierte Basiszone 13 auf, deren Dotierungskonzentration einer Grunddotierung des Halbleiterkörpers 100 entspricht. An diese Basiszone 13 schließt sich die stark n-dotierte erste Halbleiterzone 11 an, die eine Stoppzone bzw. einen ersten Stoppzonenabschnitt bildet. Die schwächer als die erste Halbleiterzone 11 dotierte zweite Halbleiterzone 12, die sich an die erste Halbleiterzone 11anschließt, bildet einen Zwischenzone bzw. einen zweiten Stoppzonenabschnitt 12. Dieser zweite Stoppzonenabschnitt 12 ist zwischen einer ersten Seite 101 und dem ersten Stoppzonenabschnitt 11 des Halbleiterkörpers angeordnet. Der Halbleiterkörper 11 weist im Bereich dieser ersten Seite 101 einen sehr stark n-dotierten Halbleiterabschnitt 14 auf, der den n-Emitter der Leistungsdiode bildet. Die Donatorkonzentration in diesem den n-Emitter bildenden Halbleiterabschnitt 14 ist erheblich höher als in der den ersten Stoppzonenabschnitt bildenden ersten Halbleiterzone 11. Der n-Emitter 14 ist durch eine erste Metallisierung 21 kontaktiert, die eine Kathode K der Leistungsdiode bildet.

Im Bereich einer der ersten Seite 101 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers 100 weist der Halbleiterkörper 100 einen p-dotierten Halbleiterabschnitt 15 auf, der den p-Emitter der Leistungsdiode bildet und der durch eine zweite Metallisierung 22 kontaktiert ist. Diese zweite Metallisierung bildet die Anode A der Leistungsdiode.

Der stärker dotierte erste Stoppzonenabschnitt 11 bewirkt in bekannter Weise bei sperrendem Bauelement, also dann, wenn eine negative Spannung zwischen Anode A und Kathode K anliegt, und wenn sich ausgehend von der p-Basis 15 ein elektrisches Feld in der Basis 13 ausbreitet, dass dieses elektrische Feld bis an den n-Emitter 14 durchgreifen kann und bei Dioden vorzugsweise und bei IGBTs bzw. Thyristoren notwendigerweise bereits im Bereich des zweiten Stoppzonenabschnitts 12 endet.

Die Vorteile des stärker als die n-Basis 13 jedoch schwächer als der erste Stoppzonenabschnitt 11 dotierten zweiten Stoppzonenabschnitts 12 ergeben sich bei Abschalten des zuvor im leitenden Zustand betriebenen Bauelements, wie nachfolgend erläutert wird. Zur leitenden Ansteuerung der Leistungsdiode wird eine positive Spannung zwischen Anode A und Kathode K angelegt. Wird diese Spannung auf einen negativen Wert abgesenkt, so wird die Diode in den Sperrbetrieb kommutiert. Während des leitenden Zustandes ist in der Basis 13 und in den ersten und zweiten Stoppzonenabschnitten 11, 12 ein Ladungsträgerplasma vorhanden, das während des Abschaltvorganges zunächst in der Basiszone 13 abgebaut wird. Der zweite Stoppzonenabschnitt 12, der höher als die Basiszone 13 dotiert ist, bewirkt, dass auch gegen Ende des Abschaltvorganges vor dem n-Emitter 14 ein hinreichend großes Plasmareservoir vorhanden ist, um den Gradienten des Stromflusses durch die Diode auch in der Endphase des Abschaltvorganges hinreichend niedrig zu halten und dadurch ein sanftes Abschaltverhalten der Leistungsdiode zu erzielen.

Wesentlich für ein solches sanftes Abschaltverhalten ist, dass die Dotierungskonzentration in dem zweiten Stoppzonenabschnitt 12 höher als in der Basiszone ist, wobei diese Dotierungskonzentration vorzugsweise mehr als doppelt so hoch, Idealerweise mehr als zehnmal so hoch wie die Dotierungskonzentration der Basiszone ist. Darüber hinaus muss die Dotierungskonzentration in dem zweiten Stoppzonenabschnitt 12 geringer als die Dotierungskonzentration in dem ersten Stoppzonenabschnitt 11 sein. Die Dotierungskonzentration des zweiten Stoppzonenabschnitts 12 beträgt dabei mehr als 5% der maximalen Dotierungskonzentration in dem ersten Stoppzonenabschnitt 11, beträgt jedoch weniger als 50% der maximalen Dotierungskonzentration in dem ersten Stoppzonenabschnitt 11.

4 veranschaulicht die Anwendung einer zweistufigen Stoppzone mit einem stärker dotierten Stoppzonenabschnitt 11 und einem schwächer als der erste Stoppzonenabschnitt jedoch stärker als eine Basiszone 13 dotierten Stoppzonenabschnitt 12 auf einen IGBT. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet bei diesem IGBT einen im Bereich der ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordneten p-Emitter, der durch eine erste Metallisierung 36, die nachfolgend als Kathode bezeichnet ist, kontaktiert ist. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet, wie bereits bei der Diode in 3 die n-Basis des IGBT.

Im Bereich einer zweiten Seite 102 des Halbleiterkörpers 100, die in dem Beispiel die sogenannte Vorderseite bildet, ist ein Zellenfeld vorhanden, das mehrere p-Basiszonen 32 umfasst, in welchen jeweils n-Emitterzonen 33 angeordnet sind. Zur Ausbildung leitender Kanäle in den p-Basiszonen 32 zwischen den n-Emitterzonen 33 und der n-Basis 13 ist eine Gate-Elektrode 34 vorhanden, die mittels einer Gate-Isolationsschicht 35 isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 angeordnet ist. Die n-Emitterzonen 33 sind in grundsätzlich bekannter Weise durch eine zweite Metallisierung 37 kontaktiert, die die Emitterelektrode des IGBT bildet.

Das Konzept einer zweistufigen Feldstoppzone ist Bezug nehmend auf 5 auch auf einen Leistungsthyristor anwendbar. Mit dem Bezugszeichen 13 ist in 5 die n-Basis diese Thyristors bezeichnet, die Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnen, wie bereits bei den Bauelementen der 3 und 4, den ersten und zweiten Stoppzonenabschnitt der zweistufigen Stoppzone. Im Bereich der ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers 100, die in dem Beispiel die Rückseite des Thyristors bildet, ist eine p-dotierte Halbleiterzone 41 vorhanden, die den p-Emitter bildet, und die durch eine Metallisierung 46, die nachfolgend als Kathode K bezeichnet ist, kontaktiert ist.

Im Bereich einer der ersten Seite 101 gegenüberliegenden Seite 102 weist der Halbleiterkörper 100 bei dem Thyristor eine p-Dotierung 42 auf, die die p-Basis des Bauelements bildet. In dieser p-Basis 42 ist eine n-Emitterzone 43 angeordnet, die durch eine zweite Metallisierung 47, die eine Emitterelektrode bildet, kontaktiert ist. Der n-Emitter 43 bildet den Hauptemitter des Thyristor und ist durch sogenannte Emitterkurzschlüsse 47 unterbrochen. Im Bereich dieser Emitterkurzschlüsse reicht die p-Basis bis an die Elektrode 47. Das Bauelement kann in lateraler Richtung symmetrisch zu einer Achse A-A ausgebildet sein und kann in einem sogenannten Zentralbereich eine BOD-Struktur (BOD = Break Over Diode) aufweisen, die dadurch gebildet ist, dass die p-Basis im Zentralbereich stark gekrümmte Abschnitte aufweist. Zwischen der BOD-Struktur und dem n-Hauptemitter 43 können außerdem Verstärkungsstrukturen vorhanden sein, die jeweils einen in die p-Basis eingebetteten Hilfsemitter 44 und eine den Hilfsemitter 44 und die p-Basis 42 kontaktierende Hilfselektrode aufweisen. Diese Strukturen werden auch als Amplifying-Gate-Strukturen bezeichnet.

11
erste Halbleiterzone, erster Stoppzonenabschnitt
12
zweite Halbleiterzone, zweiter Stoppzonenabschnitt
13
Halbleiterzone mit Grunddotierung, Basiszone
14
n-Emitter
15
p-Emitter
21, 22
Elektroden
31
p-Emitter
32
p-Basis
33
n-Emitter
34
Gate-Elektrode
35
Isolationsschicht, Gate-Isolation
36, 37
Elektroden
41
p-Emitter
42
p-Basis
43
n-Emitter
44
Hilfsemitter
45
Abschnitt der p-Basis im Bereich einer BOD-Struktur
46, 47
Elektroden
48
Gate-Elektrode
100
Halbleiterkörper
101
erste Seite, Vorderseite
102
zweite Seite, Rückseite
111
erster Bereich des Halbleiterkörpers
112
zweiter Bereich des Halbleiterkörpers
113
Protonen im ersten Bereich des Halbleiterkörpers
114
Defekte im zweiten Bereich des Halbleiterkörpers
A
Anode
A-A
Achse
E
Emitter
G
Gate
K
Kathode
x0
vertikale Position
Nref
Grunddotierungskonzentration
ND
Dotierungskonzentration in der ersten oder zweiten Stoppzone


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen Stoppzone in einem Halbleiterkörper (100), das folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100) der eine erste und eine zweite Seite (101, 102) und eine Grunddotierung eines ersten Leitungstyps aufweist,

– Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100) über eine der Seiten (101, 102) mit Protonen, wodurch Protonen in einen beabstandet zu der Bestrahlungsseite (101) gelegenen ersten Bereich (111) des Halbleiterkörpers (100) eingebracht werden,

– Durchführen eines Temperaturprozesses, bei dem der Halbleiterkörper (100) für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, wobei die Temperatur und die Dauer so gewählt sind, dass wasserstoffinduzierte Donatoren sowohl in dem ersten Bereich (111) also auch in einem sich an den ersten Bereich (111) in Richtung der Bestrahlungsseite (101) anschließenden zweiten Bereich (112) erzeugt werden und dass die Dotierungskonzentration in dem zweiten Bereich (112) größer als 5% der maximalen Dotierungskonzentration in dem ersten Bereich und kleiner als 50% der maximalen Dotierungskonzentration in dem ersten Bereich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur zwischen 200°C und 550°C und die Dauer zwischen 2 Stunden und 20 Stunden beträgt. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Dauer zwischen 2,5 Stunden und 12 Stunden beträgt. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Temperatur zwischen 400°C und 500°C beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Bestrahlungsenergie der Protonen so gewählt wird, dass der Abstand des ersten Bereiches (111) zu der Bestrahlungsseite zwischen 1 und 250 &mgr;m beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlungsenergie der Protonen abhängig von einer Dicke des Halbleiterkörpers (100) so gewählt wird, dass der Abstand des ersten Bereiches (111) zu der Bestrahlungsseite zwischen 5% und 40% der Dicke des Halbleiterkörpers (100) beträgt. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Bestrahlungsenergie so gewählt ist, dass der Abstand des ersten Bereiches (111) zu der Bestrahlungsseite zwischen 10% und 15% der Dicke des Halbleiterkörpers (100) beträgt. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:

– einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten und einer zweiten Seite (101, 102),

– eine im Bereich einer der Seiten angeordnete Emitterzone (14; 31; 41),

– eine in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zu der Emitterzone (14; 31; 41) angeordnete Stoppzone (11) eines ersten Leitungstyps,

– eine zwischen der Stoppzone (11) und der Emitterzone (14; 31; 41) angeordnete Zwischenzone (12) des ersten Leitungstyps,

– eine sich an die Stoppzone (11) anschließenden Basiszone (13) des ersten Leitungstyps, die schwächer als die Stoppzone (11) und die Zwischenzone (12) dotiert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Dotierungskonzentration in der Zwischenzone (12) größer als 5% der maximalen Dotierungskonzentration in der Stoppzone (11) und kleiner als 50% der maximalen Dotierungskonzentration in der Stoppzone (11) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem die Dotierungskonzentration der Zwischenzone (12) mehr als doppelt so hoch ist wie die Dotierungskonzentration in der Basiszone (13). Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem ein Abstand der Stoppzone (11) zu der einen Seite zwischen 5% und 40% der Dicke des Halbleiterkörpers (100) beträgt. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, bei dem ein Abstand der Stoppzone (11) zu der einen Seite zwischen 10% und 15% der Dicke des Halbleiterkörpers (100) beträgt. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem eine Abmessung der Zwischenzone (12) in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers (100) zwischen 4% und 35% der Dicke des Halbleiterkörpers (100) beträgt. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, bei dem die Abmessung der Zwischenzone (12) in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers (100) zwischen 4% und 35% der Dicke des Halbleiterkörpers (100) beträgt. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Stoppzone (11) und die Zwischenzone (12) wasserstoffinduzierte Donatoren aufweisen. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die Emitterzone (14) vom gleichen Leitungstyp wie die Stoppzone (11) und die Zwischenzone (12) ist. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die Emitterzone (31; 41) komplementär zu der Stoppzone (11) und der Zwischenzone (12) dotiert ist.






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