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Dokumentenidentifikation DE102006004627B3 12.04.2007
Titel Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Infineon Technologies Austria AG, Villach, AT
Erfinder Sedlmaier, Stefan, Dr., 80995 München, DE;
Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Mauder, Anton, Dr.-Ing., 83059 Kolbermoor, DE;
Pfirsch, Frank, Dr., 81545 München, DE;
Willmeroth, Armin, Dipl.-Phys., 86163 Augsburg, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 31.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006004627
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H01L 29/06(2006.01)A, F, I, 20060131, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 29/78(2006.01)A, L, I, 20060131, B, H, DE   H01L 21/336(2006.01)A, L, I, 20060131, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur (3) und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Leistungshalbleiterbauelement (1, 2) weist in einem monokristallinen Halbleiterkörper (4) eine Driftstrecke (5) zwischen zwei Elektroden auf. Die Driftstrecke (5) hat Driftzonen (9) eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad (16) zwischen den Elektroden in der Driftstrecke (5) bereitstellen und Ladungskompensationszonen (11) eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, die den Strompfad der Driftstrecke (5) einengen. Die Zonen der Driftstrecke (5) weisen diffusionshemmende Bereiche (23) mit diffusionshemmenden Störstellen und/oder mit diffusionshemmenden Punktdefekten für mindestens einen der Leitungstypen auf, wobei die diffusionshemmenden Bereiche (23) derart angeordnet sind, dass sie die Ladungskompensationszonen (11) in ihrer lateralen Erstreckung begrenzen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Leistungshalbleiterelement weist in einem monokristallinen Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen zwei Elektroden auf, wie es aus der Druckschrift DE 103 40 131 bekannt ist. Die Driftstrecke hat Driftzonen eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad zwischen den Elektroden in der Driftstrecke bereitstellen und Ladungskompensationszonen eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, die den Strompfad der Driftstrecke einengen.

Ein Nachteil dieses bekannten Leistungshalbleiterelements ist es, dass die Kompensationszonen säulenförmig aufgebaut sind und mit ihren komplementären Störstellen bei der Herstellung neben einer vertikalen Diffusion im Aufbau der Kompensationssäulen auch einer horizontalen Diffusion unterliegen, und damit die Driftzonen stärker einengen als es bei Unterdrückung der lateralen Diffusion möglich ist. Durch diese in gewissem Grade unkontrollierte Einengung der Driftzonen einer Driftstrecke wird eine weitere Verminderung des Einschaltwiderstands eines derartigen Leistungshalbleiterelement in Form eines sog. "CoolMOS" behindert.

Für den Leistungsschalter "CoolMOS" sowie für andere neuartige Konzepte von Leistungshalbleiterelementen besteht demnach das Problem einer unerwünschten Dotierstoffdiffusion, welche einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Leistungshalbleiterelemente entgegenwirkt, zumal das für die Kompensationszonen eingesetzte Bor als Akzeptor nicht nur vertikal diffundiert, sondern auch lateral, so dass sich der n-leitende Strompfad im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterelements verengt, was zu einem Anstieg des Einschaltwiderstands führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungshalbleiterelement mit Ladungskompensationsstruktur zu schaffen und Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, mit denen der Einschaltwiderstand derartiger Leistungshalbleiterelemente weiter als bisher vermindert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Leistungshalbleiterelement mit Ladungskompensationsstruktur angegeben, wobei das Leistungshalbleiterelement in einem monokristallinen Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen zwei Elektroden aufweist. Die Driftstrecke hat ihrerseits Driftzonen eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad zwischen den Elektroden in der Driftstrecke bereitstellen, und Ladungskompensationszonen eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, die den Strompfad der Driftstrecke einengen. Die Zonen der Driftstrecke weisen diffusionshemmende Bereiche mit diffusionshemmenden Störstellen und/oder mit diffusionshemmenden Punktdefekten für einen der Leitungstypen auf, wobei die diffusionshemmenden Bereiche derart angeordnet sind, dass sie die Ladungskompensationszonen in ihrer lateralen Erstreckung begrenzen.

Ein derartiges Leistungshalbleiterelement hat den Vorteil, dass durch die diffusionshemmenden Bereiche eine laterale Ausdiffusion von Störstellen aus beispielsweise Ladungskompensationszonen in Bereiche der geplanten Driftzonen nahezu unterbunden wird, so dass schlankere Kompensationszonen realisierbar sind. Dieses wiederum hat den Vorteil, dass der Einschaltwiderstand weiter vermindert werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Driftzonen und die Ladungskompensationszonen vertikal angeordnet, so dass die Driftstrecke mit beliebig großem Querschnitt zur Vergrößerung der stromführenden Driftzonen hergestellt werden kann, was ebenfalls den Einschaltwiderstand vermindert.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Halbleiterkörper ein hochdotiertes Substrat des ersten oder des komplementären Leitungstyps aufweist, auf dem eine schwach bis mittel dotierte Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps mit der Driftstrecke angeordnet ist. Durch die hohe Dotierung des Substrats wird weiterhin der Durchlasswiderstand eines derartigen Leistungshalbleiterelements verringert. Lediglich die Epitaxieschicht, die für die Sperrspannungsfestigkeit eine vorgegebene Dicke aufweisen muss, ist mittel- bis schwachdotiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterkörper auf dem hochdotierten Substrat eine nicht strukturierte, schwachdotierte Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf, die frei von Ladungskompensationszonen ist. Diese Sockelepitaxieschicht verbessert das Sperrverhalten eines derartigen Leistungshalbleiterelements.

Je nachdem, ob eine Sockelepitaxieschicht für das Leistungshalbleiterelement vorgesehen ist oder nicht, erstrecken sich die Ladungskompensationszonen in ihrer Tiefe von einer Oberseite des Halbleiterkörpers bis zu einer Oberseite des Substrats bzw. bis zu einer Oberseite der nicht strukturierten Sockelepitaxieschicht. Die diffusionshemmenden Bereiche, die zwischen den Kompensationszonen im Bereich der Driftzonen angeordnet sind, weisen eine Dicke d im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 1 × 104 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm auf. Eine Dicke von 10 nm reicht bereits aus, die Ausdiffusion von Störstellen der Ladungskompensationszonen bei der Herstellung in die Driftzonen zu beeinträchtigen.

Um wirksam eine Diffusion zu behindern bzw. zu hemmen, weisen die diffusionshemmenden Bereiche z. B. Germanium-, Kohlenstoff- und/oder Fluoratome als Störstellen auf Substitutionsgitterplätzen des monokristallinen Halbleiterkörpers auf. Insbesondere weisen die diffusionshemmenden Bereiche eine monokristalline Schicht mit der Zusammensetzung SixGey und/oder SixGeyCz auf, wobei x > y und x > z ist. Vorzugsweise haben die diffusionshemmenden Bereiche eine Zusammensetzung von etwa 0 ≤ y ≤ 0,40 und etwa 0 ≤ z ≤ 0,25.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die diffusionshemmenden Bereiche eine erhöhte Konzentration an Gitterleerstellen in dem Halbleitermaterial als Punktdefekte auf. Derartige erhöhte Konzentrationen an Gitterleerstellen können z. B. durch Implantation von Protonen oder Argonionen erzeugt werden. Auch ist es möglich, verstärkt diffusionsfördernde Bereiche mittels interstitiell angeordneter Halbleiteratome als Punktdefekte vorzusehen. Interstitiell angeordnete Halbleiteratome stellen Punktdefekte dar, die das Siliziumgitter verzerren und damit die Diffusionskoeffizienten der Störstellenatome im Siliziumgitter beeinflussen.

Die diffusionshemmenden Bereiche können einerseits eine Diffusion von Akzeptorionen aus p-leitenden Zonen hemmen und andererseits die Diffusion von Donatorionen aus n-leitenden Zonen hemmen. Ob der eine Mechanismus oder der andere Mechanismus überwiegt, hängt einerseits von der Größe und der Beschaffenheit der Fremdatome ab, die eine Diffusionshemmung bewirken. Außerdem hängt es von der Art der Gitterverzerrung, die entweder durch Fremdatome und/oder durch Punktdefekte ausgelöst werden kann, ab. In jedem Fall ist es möglich, diffusionshemmende und/oder diffusionsfördernde Bereiche z. B. durch Ionenimplantation und zwar vorzugsweise in Verbindung mit nachfolgenden Hochtemperaturschritten oder durch epitaktisches Wachstum zu schaffen, die eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von Leistungshalbleiterelementen ermöglichen.

Im Prozess des heute produzierten "CoolMOS" werden zunächst einzelne p-leitende Inseln, auch "p-Bubbles" genannt, zwischen Epitaxieschichten erzeugt, die in nachfolgenden Diffusionsprozessen in vertikaler Richtung diffundieren, um daraus entsprechende p-leitende Säulen als Ladungskompensationszonen zu erzeugen. Bei derartigen Prozessen kann der Nachteil, dass das Bor, welches als Akzeptor im Siliziumgitter eingebaut wird, nicht nur vertikal diffundiert, sondern auch lateral, dadurch verhindert werden, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die diffusionshemmenden Bereiche lateral bzw. orthogonal zum Strompfad in den Driftzonen angeordnet werden. Das hat den Vorteil, dass eine Verbesserung des Einschaltwiderstands gegenüber heutigen Technologien durch schmalere und schlankere p-leitende Zonen möglich wird. Eine Skalierbarkeit der Leistungshalbleiterelemente ist ferner in vorteilhafter Weise mit dem vorhandenen Equipment gegeben. Außerdem ergeben sich Kostenvorteile bezüglich der heutigen Technologien.

Eine derartige Ausführungsform der Erfindung weist Ladungskompensationszonen in Epitaxieschichten auf, die aus schichtweise strukturierten und eingebrachten, insbesondere implantierten und diffundierten Säulen des komplementären Leitungstyps bestehen. Diese Ladungskompensationszonen sind von Driftzonen umgeben, in denen epitaxieschichtweise Fremdstoffatome oder Punktdefekte angeordnet sind. Diese bilden eine diffusionshemmende laterale Schicht in den Diffusionszonen und behindern eine laterale Ausbreitung der Ladungskompensationszonen in den Epitaxieschichten und damit eine Verbreiterung der Säulen der Ladungskompensationszonen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können in den sich vertikal erstreckenden Driftzonen hochdotierte und schwachdotierte horizontale Bereiche aufeinander abwechselnd gestapelt sein, wobei die hochdotierten Bereiche in gleicher vertikaler Lage angeordnet sind wie hochdotierte Bereiche in benachbarten Ladungskompensationszonen. Dieses wird durch Abscheidung von undotierten Epitaxieschichten erreicht, in welche die n-Dotierung durch eine nachfolgende Implantation eingebracht wird. Die p- und die n-Implantation liegen somit auf gleicher Höhe in den jeweiligen Epitaxieschichten, was zwar nicht zu einer geringeren Ausdiffusion des p-Dotierstoffs führt, jedoch dringt der pn-Übergang aufgrund des höheren n-Dotierstoffniveaus in gleicher Höhe wie des höheren p-Dotierstoffniveaus weniger weit in das n-leitende Gebiet der Driftzone ein. Das bedeutet, dass die p-leitende Säule der Ladungskompensationszonen schlanker bleibt als bei Verwendung von homogen dotierten n-leitenden Epitaxieschichten.

Eine weitere Verbesserung der "CoolMOS"-Struktur ist dadurch zu erreichen, dass ein Leistungshalbleiterelement geschaffen wird, bei dem die diffusionshemmenden Bereiche vertikal und damit parallel zur Strompfadrichtung eingebracht werden, indem Wände einer Grabenstruktur mit entsprechenden diffusionshemmenden Bereichen belegt werden. Dabei kann in vorteilhafter Weise auf die Grabenwände eine diffusionshemmende monokristalline Epitaxieschicht von einer Dicke d im Bereich zwischen 10 nm ≤ d ≤ 1 × 103 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm aus germaniumhaltigem Silizium aufgewachsen werden. Das germaniumhaltige Silizium weist insbesondere eine Zusammensetzung SixGey mit x > y und x ≤ 0,90 sowie y ≤ 0,40 auf.

Dazu können die Driftzonen monokristallin auf einem hochdotierten monokristallinen Substrat in einer Grabenstruktur gewachsenes Halbleitermaterial aufweisen oder die Ladungskompensationszonen können monokristallin auf dem hochdotierten monokristallinen Substrat in einer Grabenstruktur gewachsenes Halbleitermaterial aufweisen. In beiden Fällen würden die mit einer germaniumhaltigen Siliziumepitaxieschicht belegten Grabenwände die Diffusion von Störstellen aus den Kompensationszonen in die Diffusionszonen und damit eine laterale Ausbreitung der Kompensationszonen behindern. Werden nicht nur die Grabenwände mit einer entsprechenden germaniumhaltigen Siliziumschicht belegt, sondern auch der Grabenboden, so ergeben sich diffusionshemmende Bereiche, die im Querschnitt eine U-Form aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Driftzonen in der Grabenstruktur mehrere im Querschnitt U-förmige diffusionshemmende Bereiche auf, die ineinander gestapelt sind, wobei zwischen den diffusionshemmenden Bereichen monokristallines Material des ersten Leitungstyps angeordnet ist. Mit dieser Konstruktion kann sowohl das Avalanche-Verhalten als auch das Latch-up-Verhalten der Leistungshalbleiterelemente verbessert werden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, dass mehrere diffusionshemmende Bereiche vertikal und parallel zum Strompfad in den Driftzonen angeordnet sind, zwischen denen jeweils Streifen von monokristallinem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps vorgesehen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Driftzone aus mehreren abwechselnd angeordneten Bereichen aus Silizium des ersten Leitungstyps und diffusionshemmenden Bereichen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ladungskompensationszonen und die Driftzonen streifenförmig nebeneinander zwischen den Elektroden angeordnet, wobei jeweils eine streifenförmige Driftzone von zwei streifenförmigen Ladungskompensationszonen in Strompfadrichtung in ihrer Breite quer zum Strompfad begrenzt sind. Dieses streifenförmige Muster mit dazwischen angeordneten diffusionshemmenden Bereichen hat den Vorteil, dass auf eine konventionelle Säulenform der Kompensationszonen vollständig verzichtet werden kann.

Ein Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterelementen mit horizontal angeordneten diffusionshemmenden Bereichen in mehreren Epitaxieschichten auf einem hochdotierten Substrat weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein hochdotierter Halbleiterwafer eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Leistungshalbleiterbauteilpositionen als Substrat eines Halbleiterkörpers bereitgestellt.

Auf diesem Substrat bzw. Halbleiterwafer wird eine Epitaxieschicht monokristallin aufgewachsen, welche die Dotierung der Driftzonen aufweist. Danach wird eine diffusionshemmende Schicht hergestellt, indem diffusionshemmende Fremdatome und/oder Punktdefekte, wie Gitterleerstellen in die Epitaxieschicht, vorzugsweise durch Ionenimplantation von Fremdatomen wie z. B. Protonen oder Argonionen eingebracht werden. Auf dieser Epitaxieschicht mit diffusionshemmender Schicht wird eine fotolithographische Schicht unter Freilassen von Flächen für Ladungskompensationszonen aufgebracht. Die diffusionshemmende Schicht wird im Bereich der freigelassenen Flächen vorzugsweise durch Ätzen oder Laserabtrag entfernt. Anschließend werden Störstellen des komplementären Leitungstyps in die Epitaxieschicht im Bereich der freigelassenen Flächen eingebracht. Auch dafür wird vorzugsweise die Ionenimplantation eingesetzt.

Danach kann die fotolithographische Schicht entfernt werden, was vorzugsweise durch Ablösen der fotolithographischen Schicht oder durch Veraschen der fotolithographischen Schicht durchgeführt wird. Diese Schritte werden nun mehrfach wiederholt, bis ein für die Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiterbauelements ausreichende Dicke einer vertikalen Driftstrecke erreicht ist. Danach wird der Halbleiterwafer auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt, wobei sich säulenförmige, durch diffusionshemmende Bereiche lateral begrenzte Ladungskompensationszonen in der aus Epitaxieschichten aufgebauten Driftstrecke in den Leistungs-Halbleiterbauteilpositionen des Halbleiterwafers ausbilden.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es Leistungshalbleiterelemente liefert, bei denen der Einschaltwiderstand weiter reduziert ist. Außerdem hat das Verfahren den Vorteil, dass eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterelementen parallel auf einem Halbleiterwafer in entsprechenden Leistungshalbleiterelementpositionen hergestellt werden kann. Bei diesem Verfahren ist jedoch Voraussetzung, dass die Epitaxieschicht bereits die mittelhohe Dotierung der Driftzonen aufweist.

Wird jedoch mit undotiertem Aufwachsen von Epitaxieschichten gearbeitet, so ergibt sich ein von diesem Verfahren etwas differenziertes Durchführungsbeispiel. Dabei wird zunächst wieder ein Halbleiterwafer als Substrat mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterelementpositionen zur Verfügung gestellt. Auf diesem Halbleiterwafer wird eine monokristalline Epitaxieschicht aufgewachsen. In diesem Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird dabei kein Dotierstoff zugegeben. Die erste Epitaxieschicht (Sockelepitaxie) kann auch als niedrigdotierte Schicht des ersten Leitungstyps ausgeführt werden. In diese Epitaxieschicht werden anschließend vorzugsweise durch Ionenimplantation diffusionshemmende Fremdatome und/oder Punktdefekte, wie Gitterleerstellen mittels Protonenimplantation oder Argonimplantation eingebracht. Danach wird auf die Epitaxieschicht eine fotolithographische Schicht unter Freilassen von Flächen für Ladungskompensationszonen aufgebracht und strukturiert.

In den freigelassenen Flächen wird die Schicht mit diffusionshemmenden Fremdatomen und/oder Punktdefekten entfernt und danach werden Störstellen des komplementären Leitungstyps in die Epitaxieschicht im Bereich der freigelegten Flächen eingebracht. Nun kann die fotolithographische Schicht entfernt werden und auf dem gesamten Halbleiterwafer werden nun Störstellen zur Driftzonendotierung der Epitaxieschichten ohne Dotierstoffzugabe durch Ionenimplantation eingebracht. Die Driftzonendotierung kann auch bereits vor dem Aufbringen der fotolithographischen Schicht oder bereits vor dem Aufbringen der diffusionshemmenden Fremdatome und/oder Punktdefekte erzeugt werden. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine für die Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiterelements ausreichende Dicke D einer vertikalen Driftstrecke erreicht ist. Nun kann, wie in der ersten Variante des Verfahrens, der Halbleiterwafer auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt werden, um eine säulenförmige, durch diffusionshemmende Bereiche lateral begrenzte Ladungskompensationszone in der aus Epitaxieschichten aufgebauten Driftstrecke auszubilden, wobei gleichzeitig das Dotieren der Driftzonen in den Leistungshalbleiterbauelementpositionen des Halbleiterwafers erfolgt. In diesem differenzierten Durchführungsbeispiel darf der diffusionshemmende Effekt hauptsächlich auf den Dotierstoff der Ladungskompensationszonen wirken, während der Dotierstoff der Driftzone in seiner vertikalen Ausdiffusion relativ geringfügig gestört werden darf.

Sind derartige Halbleiterwafer hergestellt, so werden mit den folgenden zusätzlichen Schritten aus den Halbleiterwafern einzelne Leistungshalbleiterelemente hergestellt, indem nun Oberflächenseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterwafer zur Fertigstellung der Leistungshalbleiterelemente in den Leistungshalbleiterelementpositionen des Halbleiterwafers verwirklicht werden, und anschließend der Halbleiterwafer in mehrere Leistungshalbleiterelemente aufgetrennt wird.

Die zweite Variante dieses Verfahrens unterstützt die Begrenzung der Ladungskompensationszonen gegenüber den Driftzonen durch das Herstellen von hochdotierten Bereichen sowohl in den Ladungskompensationszonen als auch in den benachbarten Driftzonen auf gleichen Epitaxieschichthöhen, so dass die Wirkung der diffusionshemmenden Schichten durch diese Maßnahme weiter gestützt wird.

Ist für ein Leistungshalbleiterelement eine Sockelepitaxieschicht vorgesehen, so kann diese vor dem Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf dem Halbleiterwafer durch Aufwachsen einer schwachdotierten Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps hergestellt werden. Bei der Herstellung einer diffusionshemmenden Schicht werden als diffusionshemmende Fremdatome vorzugsweise Germaniumionen und/oder Kohlenstoffionen und/oder Fluorionen mittels Ionenimplantation in sämtliche oder einzelne Epitaxieschichten eingebracht. Die Wirkung der diffusionshemmenden Schicht kann dadurch verstärkt werden, dass die diffusionshemmenden Fremdatome mittels einer mehrstufigen Ionenimplantation mit unterschiedlicher Ionenimplantationsenergie in die einzelnen Epitaxieschichten eingebracht werden. Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die diffusionshemmenden Fremdatome einen geringen Diffusionskoeffizienten aufweisen.

Vorzugsweise wird zum Einbringen von diffusionshemmenden Punktdefekten, wie Gitterleerstellen, eine Implantation mit Argonionen und/oder mit Protonen durchgeführt.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterelementen geschaffen, bei dem vertikale diffusionshemmende Bereiche zwischen den Driftzonen und den Ladungskompensationszonen bereitgestellt werden. Dazu weist das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird wieder ein hochdotierter Halbleiterwafer eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterbauelementpositionen als Substrat eines Halbleiterkörpers bereitgestellt.

Danach wird eine Epitaxieschicht, deren Dicke D der geforderten Spannungsfestigkeit der Driftstrecke entspricht, auf dem Halbleiterwafer mit einem ersten oder einem komplementären Leitungstyp als Ausgangsmaterial für die Driftstrecke aufgebracht. Danach wird eine Grabenstruktur mit nahezu vertikalen Grabenwänden und einem Grabenboden in die Epitaxieschicht in den jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementpositionen eingebracht. Danach wird ein diffusionshemmender Bereich aus einer germaniumhaltigen monokristallinen Siliziumschicht auf dem Halbleiterwafer abgeschieden, die auch dotiert, insbesondere vom ersten Leitungstyp, sein kann.

Damit entstehen sowohl auf den Mesen als auch auf den Grabenwänden sowie auf dem Grabenboden der Grabenstruktur entsprechende diffusionshemmende Bereiche. Danach wird durch anisotropes Freiätzen der Grabenboden der Grabenstruktur und die Oberseiten der Mesen aus Epitaxiematerial von der germaniumhaltigen Siliziumschicht befreit. Zum anisotropen Freiätzen des Bodenbereichs der Grabenstruktur und/oder der Oberseite von Mesen wird ein Trockenätzverfahren, wie es auch für das Einbringen der Grabenstruktur gemäß den obigen Ausführungen eingesetzt wird, verwendet. Nun kann ein Aufwachsen einer komplementär zu den Mesen dotierten Epitaxieschicht unter Auffüllen der Grabenstruktur erfolgen. Dabei ergibt sich ein vertikaler diffusionshemmender Bereich an den Grabenwänden, welcher eine Diffusion derart behindert, dass die Dimensionen der geplanten Kompensationszonen sich kaum verändern. Durch das Auffüllen der Grabenstruktur mit einer dotierten Epitaxieschicht wird die Oberseite des Halbleiterwafers äußerst uneben, da auch auf den Mesen eine derartige Epitaxieschicht abgeschieden wird.

Deshalb erfolgt vorzugsweise ein Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers bis zu der Driftstrecke aus Drift- und Ladungskompensationszonen zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite und ebener Rückseite. Nun kann dieser Halbleiterkörper durch Herstellen von Oberseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung der Leistungshalbleiterelemente in den Leistungshalbleiterbauelementpositionen des Halbleiterwafers fertiggestellt werden. Schließlich wird der Halbleiterwafer in einzelne Leistungshalbleiterbauelemente aufgetrennt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass keine Vielzahl von Epitaxieschichten aufeinander zu strukturieren sind, was einen erheblichen mehrfachen fotolithographischen Aufwand bedeutet, der hier durch die Grabenstruktur vermieden wird. Anstelle einer monokristallinen Abscheidung von diffusionshemmenden Bereichen aus germaniumhaltigem Silizium auf den Grabenwänden, können diffusionshemmende Bereiche auch durch Einbringen, vorzugsweise durch Ionenimplantation von Germanium, Kohlenstoff oder Fluor in die Grabenwände erreicht werden. Auch bei diesem Verfahren kann vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht auf dem Halbleiterwafer eine schwachdotierte Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps hergestellt werden.

Das beschriebene Verfahren lässt sich darüber hinaus auch auf die Variante einer mehrstufigen Epitaxie anwenden, sodass der Prozessblock bestehend als Epitaxie, Mesaätzung, Einbringen diffusionshemmender Schicht, epitaktisches Auffüllen, Rückätzen mehrfach hintereinander durchgeführt wird.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf den Halbleiterwafer bzw. auf die Sockelepitaxie eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur epitaxial aufgebracht, die einen Ätzstopp ermöglicht und vorzugsweise SixGey mit x > y oder SixGeyCz mit x > y und x > z aufweist. Dieses hat den Vorteil, dass bei einer nachfolgenden Ätzung der Grabenstruktur diese Schichten als Ätzstoppschichten wirken. Dabei ist vorzugsweise die Zusammensetzung dieser Hilfsschicht mit 0,86 ≤ x ≤ 1, y ≤ 0,40 und z ≤ 0,25 vorgesehen.

In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird als Ätzstopp eine Hilfsschicht aus Halbleiteroxid oder Halbleiternitrid vorgesehen, wobei die Struktur der Hilfsschicht in den Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur in einer derartigen Feinstruktur aufgebracht wird, dass ein laterales monokristallines Überwachsen der Feinstruktur innerhalb des Grabens ermöglicht wird. Derartige Ätzstoppschichten haben sich in der Halbleitertechnologie bewährt und werden hier eingesetzt, um definiert das Ätzen der Grabenstruktur zu beenden.

Um eine Grabenstruktur, die sich aus Streifen zusammensetzt, in die Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps einzubringen, wird eine Ätzmaske auf den Halbleiterwafer mit streifenförmigem Muster im Bereich der Driftstrecke in den jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementpositionen fotolithographisch aufgebracht. Das Einbringen der Grabenstruktur kann sowohl durch anisotropes als auch durch isotropes Ätzen der Grabenstruktur erfolgen. Zum Einbringen einer Grabenstruktur mittels eines anisotropen Ätzens wird ein reaktives Ionenätzen durchgeführt oder eine gerichtete Plasmaätzung vorgesehen. Dabei ist eine Endpunktdetektion durch Vorsehen von einer Ätzstoppschicht, wie oben beschrieben, von Vorteil.

Nach dem Einbringen der Grabenstruktur und vor dem Aufbringen eines diffusionshemmenden Bereichs werden die Oberflächen der Grabenwände chemisch gereinigt oder es wird die Oberfläche des Halbleiterwafers und damit auch die Grabenwände oxidiert und anschließend die Oxidschicht nasschemisch, vorzugsweise mit verdünnter oder mit gepufferter Flusssäure weggeätzt, so dass eine für das epitaktische Wachstum vorbereitete Oberfläche in den Grabenstrukturen zur Verfügung steht.

Eine andere Möglichkeit, die Grabenwände für eine Epitaxieschicht vorzubereiten, besteht darin alternativ oder zusätzlich, einen Wasserstofftemperschritt vorzusehen, wobei die Oberfläche von Sauerstoffpartikeln oder -atomen reduziert wird. Ist die Grabenstruktur entsprechend vorbereitet, so kann ein diffusionshemmender Bereich aus einer monokristallinen Schicht aus germaniumhaltigem Silizium mit einer Dicke d in Nanometern im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 1 × 103 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm aufwachsen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein diffusionshemmender Bereich auch auf dem Grabenboden beibehalten. Damit ergibt sich ein im Querschnitt U-förmiger diffusionshemmender Bereich in der Grabenstruktur.

In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden auf den Grabenwänden mehrere monokristalline Schichten aus germaniumhaltigem Silizium für diffusionshemmende Bereiche im Wechsel mit dotiertem Silizium vertikal ausgerichtet als Diffusionszonen hergestellt. Damit ergibt sich im Querschnitt eine streifenförmige Struktur, bei der sowohl die diffusionshemmenden Bereiche als auch die Bereiche mit Driftzonendotierung zur Stromführung beitragen.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass auf den Grabenwänden und auf dem Grabenboden mehrere monokristalline Schichten aus germaniumhaltigem Silizium für diffusionshemmende Bereiche im Wechsel mit dotiertem Silizium ineinander gestapelt als Driftzonen hergestellt werden. Daraus ergibt sich eine Stapelung von U-förmigen diffusionshemmenden Bereichen innerhalb der Grabenstruktur, was die bereits oben erwähnten Vorteile mit sich bringt.

Ein Problem bei der Technik der Grabenstrukturen, die Driftstrecke zu strukturieren, bildet die Forderung, die nach dem Auffüllen der Grabenstruktur relativ unebene Oberseite des Halbleiterwafers einzuebnen. Dieses wird vorzugsweise durch ein chemical mechanical polishing-Verfahren (CMP) erreicht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass zum Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite und mit einer ebenen Rückseite zunächst eine nivellierende Fotolackschicht oder eine Spin-on-Glas-Schicht auf die unebene Oberseite aufgebracht wird.

Der Ätzselektivitätsfaktor gegenüber dem Halbleitermaterial der Driftstrecke wird für derartige Spin-on-Glas-Schichten bzw. Fotolackschichten in Verbindung mit dem gewählten Ätzverfahren bzw. Abtragsverfahren mit nahezu 1 gewählt. Nur dann kann davon ausgegangen werden, dass ein Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite problemlos erfolgen kann, indem die aufgebrachte eingeebnete Fotolackschicht oder Spin-on-Glas-Schicht und das Epitaxiematerial gleichmäßig rückgeätzt werden.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 bis 8 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche eines Halbleiterwafers zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen eines ersten Aspektes der Erfindung;

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterwafers als monokristallines Siliziumsubstrat eines Leistungshalbleiterbauelements;

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 1 nach Aufwachsen einer dotierten Epitaxieschicht;

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 2 nach Implantation von diffusionshemmenden Fremdstoffen in die Oberseite der Epitaxieschicht;

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 3 nach Herstellen eines diffusionshemmenden Bereichs auf der Oberseite der Epitaxieschicht;

5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 4 nach Freilegen einer Fläche und Ionenimplantation von Akzeptorionen durch die freigelassene Fläche;

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer nach erneutem Aufwachsen einer Epitaxieschicht;

7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer nach mehrfachem Aufwachsen einer Epitaxieschicht;

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Halbleiterwafers im Bereich einer Driftstrecke eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausbildung einer säulenförmigen Ladungskompensationszone;

9 bis 16 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche eines Halbleiterwafers zur Herstellung einer Variante von Leistungshalbleiterbauelementen des ersten Aspektes der Erfindung;

9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterwafers als monokristallines Siliziumsubstrat eines Leistungshalbleiterbauelementes;

10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 9 nach Aufwachsen einer undotierten Epitaxieschicht;

11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 10 nach Herstellen eines diffusionshemmenden Bereichs auf der Oberseite der Epitaxieschicht;

12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 11 nach Freilegen einer Fläche und Ionenimplantation von Akzeptorionen durch die freiliegende Fläche;

13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 12 nach ganzflächiger Implantation von Donatorionen für eine Dotierung der undotierten Epitaxieschicht;

14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 13 nach erneutem Aufwachsen einer undotierten Epitaxieschicht;

15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 14 nach mehrfachem Aufwachsen einer undotierten Epitaxieschicht;

16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 15 im Bereich einer Driftstrecke eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausbilden von säulenförmigen Kompensationszonen;

17 bis 21 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche eines Halbleiterwafers zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen eines zweiten Aspekts der Erfindung;

17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterwafers mit aufgewachsener monokristalliner und mitteldotierter Silizium-Epitaxieschicht;

18 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 17 nach Einbringen einer Grabenstruktur und Aufbringen einer diffusionshemmenden Schicht auf den strukturierten Halbleiterwafer;

19 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 18 nach anisotroper Ätzung der diffusionshemmenden Schicht unter Bildung von diffusionshemmenden Bereichen;

20 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 19 nach Auffüllen der Grabenstruktur mit einer komplementär zu den in 19 gezeigten Mesen dotierten monokristallinen Epitaxieschicht;

21 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 20 nach Einebenen der Oberseite des Halbleiterkörpers unter Ausbilden einer Driftstrecke eines Leistungshalbleiterbauelements mit vertikal angeordneten diffusionshemmenden Bereichen;

22 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers nach Ausbilden einer alternativen Driftstreckenstruktur;

23 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers nach Ausbilden einer weiteren alternativen Driftstreckenstruktur;

24 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers nach Ausbilden einer weiteren alternativen Driftstreckenstruktur;

25 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers nach Ausbilden einer weiteren alternativen Driftstreckenstruktur.

Die 1 bis 8 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche eines Halbleiterwafers 22 zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen 1 eines ersten Aspektes der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen in den 1 bis 8 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht wiederholt erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterwafers 22 als monokristallines Siliziumsubstrat 12 eines Leistungshalbleiterbauelements. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das monokristalline Siliziumsubstrat 12 n+-leitend und somit hochdotiert, um den Durchlasswiderstand des Leistungshalbleiterbauelements zu minimieren. Der Halbleiterwafer 22 und damit auch das Siliziumsubstrat 12 weisen eine Oberseite 19 und eine Rückseite 31 auf.

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 1 nach Aufwachsen einer dotierten Epitaxieschicht 7 auf der Oberseite 19 des Siliziumsubstrats 12. Die Dotierstoffkonzentration der Epitaxieschicht 7 ist geringer als die des Siliziumsubstrats und erreicht eine mittelhohe Konzentration, wobei der Leitungstyp der gleiche ist wie der des Siliziumsubstrats 12.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer gemäß 2 nach Ionenimplantation von diffusionshemmenden Fremdstoffen in die Oberseite 27 der Epitaxieschicht 7. Für eine derartige Ionenimplantation können z. B. Germaniumionen, Kohlenstoffionen und/oder Fluorionen von der Oberseite 27 der Epitaxieschicht 7 aus implantiert werden. Bei Fremdstoffen mit geringem Diffusionskoeffizienten wie bei Germanium kann die Ionenimplantation in mehreren Stufen mit unterschiedlicher Implantationsenergie erfolgen, um eine ausreichende Tiefe und Dicke d des diffusionshemmenden Bereichs zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit, die Diffusionsgeschwindigkeit des Germaniums zu erhöhen, besteht in der Anhebung der eingebrachten Dosis, denn die Diffusionsgeschwindigkeit des Germaniums und/oder anderer Fremdatome steigt mit deren Konzentration.

Auch andere Maßnahmen, welche die Diffusionskonstante lokal beeinflussen könnten, sind möglich, wie z. B. die lokale Injektion von Siliziumgitterleerstellen zur Reduzierung der Diffusionskonstanten in dem Bereich, in dem die laterale Diffusion unterdrückt werden soll. Auch ist es möglich, eine lokale Erhöhung der Diffusionskonstanten in dem Bereich, in dem die Ladungskompensationszonen entstehen sollen, einzubringen, beispielsweise durch die Injektion von zusätzlichem interstitiellem Silizium.

Durch die Reduzierung der lateralen Diffusion der die Säulen bildenden Dotierstoffe ist es darüber hinaus möglich, bei verringerter oder gleicher Welligkeit der Säulen die vertikale Diffusion gegenüber der lateralen Diffusion zu erhöhen und somit die Trennung der Bereiche der säulenförmigen Ladungskompensationszonen von den Driftzonen zu verbessern.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 3 nach Herstellen eines diffusionshemmenden Bereichs 23 auf der Oberseite 27 der Epitaxieschicht 7. Wie bereits oben erwähnt, kann die Dicke d dieses diffusionshemmenden Bereichs 23 beliebig gestaltet werden und weist vorzugsweise einen Bereich in Nanometern von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm auf.

5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 4 nach Freilegen einer Fläche 28 und Ionenimplantation von Akzeptorionen durch die freigelegte Fläche 28. Um diese Fläche 28 freizulegen, wird zunächst auf die Oberseite 27 der Epitaxieschicht 7 eine fotolithographisch strukturierte Schicht aufgebracht, bei der die Fläche 28 freigelassen wird, so dass mit Hilfe eines Ätzschrittes die im Bereich der Fläche 28 befindliche diffusionshemmende Schicht 29 weggeätzt werden kann.

Anschließend wird die freigelegte Fläche 28 benutzt, um in diesem Bereich Akzeptorionen durch die freigelegte Fläche 28hindurch zu implantieren. Vorzugsweise werden dazu Borionen durch die freigelegte Fläche 28 hindurch in einer höheren Konzentration als die Konzentration des umgebenden Epitaxiematerials eingebracht. Diese durch Borionenimplantation eingebrachten Bereiche 35 unter der freigelegten Fläche 28 werden auch als "Bubbles" bezeichnet. Nach dem Einbringen der Akzeptorionen durch die freigelegte Fläche 28 hindurch kann die fotolithographisch strukturierte Schicht entfernt werden, so dass der in 5 gezeigte schematische Querschnitt entsteht.

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 nach erneutem Aufwachsen einer Epitaxieschicht 7 sowie einem Einbringen von Fremdstoffatomen als diffusionshemmende Bereiche 23 und einem Aufbringen einer fotolithographisch strukturierten Schicht, die wiederum eine Fläche 28 freilässt, welche exakt über dem bereits eingebrachten Akzeptorionenbereich 35 freigelegt wird, so dass erneut eine Ionenimplantation von Akzeptorionen zu einem weiteren sog. "p-Bubble" durchgeführt werden kann.

7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 nach mehrfachem Aufwachsen einer Epitaxieschicht 7, bis eine Gesamtdicke D der Epitaxieschicht erreicht ist, die für die Sperrfähigkeit des zu bildenden Leistungshalbleiterbauelementes erforderlich ist. Durch diesen schichtweisen Aufbau der Epitaxieschichten 7 werden gleichzeitig diffusionshemmende Bereiche 23 hergestellt, die sich lateral bzw. horizontal entlang der Oberseiten der Epitaxieschichten erstrecken und Flächen 28 freilassen, in denen die sog. "p-Bubbles" für eine Diffusion von säulenförmigen Kompensationszonen bereitgestellt werden sollen.

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt im Bereich einer Driftstrecke 5 eines Leistungshalbleiterbauelements 1 nach Ausbilden von säulenförmigen Ladungskompensationszonen 11. Durch die diffusionshemmenden Bereiche 23, wie sie in 7 gezeigt werden, wird die laterale Diffusion der p-leitenden Ladungskompensationszonen 11 deutlich eingeschränkt, so dass zuverlässig eine schmalere bzw. schlankere Ladungskompensationszonensäule hergestellt werden kann, womit eine Verbesserung des Einschaltwiderstandes des Leistungshalbleiterbauelements 1 verbunden ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung reicht die Ladungskompensationszone 11 in Säulenform nicht bis zu dem hochdotierten Siliziumsubstrat 12 hinunter, sondern hat eine Tiefe t, die an der Oberseite 21 einer sog. Sockelepitaxieschicht 20 endet. Die Dotierung der Sockelepitaxieschicht 20 kann geringer sein als die Dotierung der übrigen Epitaxieschichten 7 und verbessert das Avalanche-Verhalten des Leistungshalbleiterbauelements 1 mit der Ladungskompensationsstruktur 3.

Die 9 bis 16 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche eines Halbleiterwafers 22 zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen. Dieser Halbleiterwafer 22 bildet ein monokristallines n-leitendes und hochdotiertes Siliziumsubstrat 12 als Ausgangsmaterial für das Leistungshalbleiterbauelement. Dieses Ausgangsmaterial des Leistungshalbleiterbauelements unterscheidet sich nicht von dem in 1 gezeigten monokristallinen Siliziumsubstrat 12.

10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 9 nach Aufwachsen einer undotierten Epitaxieschicht 32. Unter einer undotierten Epitaxieschicht 32 wird hier eine Epitaxieschicht verstanden, die äußerst schwachdotiert ist und als n-leitendes Siliziummaterial bezeichnet werden kann. Die Bezeichnung "undotierte Epitaxieschicht" kennzeichnet nicht ein Halbleitermaterial, das derart rein dargestellt ist, dass es die sogenannte intrinsische Leitfähigkeit erreicht. Dieser intrinsische Zustand ist praktisch bei Epitaxieschichten auf einem Siliziumsubstrat, das bereits hoch mit Donatoren verunreinigt ist, da es n+-leitend ist, nicht erreichbar.

Jedoch ist es durchaus möglich, die Donatorenkonzentration auf unter 1014 cm–3 zu vermindern, so dass von einer undotierten Epitaxieschicht gesprochen werden kann, zumal keine Dotierstoffe zusätzlich bei der Abscheidung von monokristallinem Silizium auf dem Siliziumsubstrat 12 während des Epitaxieprozesses zugeführt werden. Während in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 8 eine mittlere Dotierstoffkonzentration beim Aufwachsen der Epitaxieschicht zugeführt wird, ist dieses bei der Ausführungsform gemäß den 9 bis 16 nicht der Fall.

11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 10 nach Herstellen eines diffusionshemmenden Bereichs 23 auf der Oberseite 27 der Epitaxieschicht 32. Dieser diffusionshemmende Bereich 23 wird in analoger Weise, wie es bereits bei den 3 und 4 beschrieben wurde, hergestellt, so dass sich eine erneute Erörterung des Herstellungsverfahrens derartiger diffusionshemmender Bereiche 23 erübrigt.

12 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers 22 gemäß 11 nach Freilegen einer Fläche 28 und einer Ionenimplantation von Akzeptorionen durch die freiliegende Fläche 28 hindurch in die Epitaxieschicht 32. Auch dieser Herstellungsschritt unterscheidet sich nicht von dem Herstellungsschritt, der bereits mit 5 beschrieben wurde.

13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 12 nach ganzflächiger Ionenimplantation von Donatorionen für eine Dotierung der undotierten Epitaxieschicht 32. Durch eine entsprechend erhöhte Implantationsenergie kann das Maximum an Donatorionen bzw. ein hochdotierter Bereich 24 in der Driftzone unterhalb des diffusionshemmenden Bereichs 23 erreicht werden. Die Donatorionen können in den Bereich 24 auch zu einem früheren Zeitpunkt, der etwa der 10 oder der 11 entspricht, eingebracht werden. In diesem Fall kann der Bereich 24 auch lokal im Bereich der Fläche 28 bei deren Freilegung entfernt werden.

14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 13 nach erneutem Aufwachsen einer Epitaxieschicht 32 ohne Dotierstoffzugabe auf der bereits strukturierten Epitaxieschicht 32 gemäß 13. Auch hier werden die Bearbeitungsschritte in Form von Einbringen von Fremdstoffatomen als diffusionshemmende Schicht 29 wie ein Freiätzen eines Fensters in dieser Schicht 29 zum Einbringen von Akzeptorionen in dem freigeätztem Fenster durchgeführt. Auch das Einbringen von Donatorionen zur Dotierung der undotierten Epitaxieschicht wird erneut durchgeführt.

15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 14 nach mehrfachem Aufwachsen einer undotierten Epitaxieschicht 32 auf dem Siliziumsubstrat 12. Schließlich wird diese Struktur in einem Diffusionsofen derart aufgeheizt, dass die säulenförmige Kompensationszone, wie sie 16 zeigt, entsteht.

16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 15 im Bereich einer Driftstrecke 5 eines Leistungshalbleiterbauelements 1 nach Ausbilden von säulenförmigen Kompensationszonen 11. Der Unterschied zu der Ausführungsform der Erfindung gemäß den 1 bis 8 liegt nun darin, dass die Dotierung der Driftzonen 9 nicht homogen ist, sondern sich aus hochdotierten Bereichen 24 und schwachdotierten Bereichen 25, die sich horizontal bzw. lateral erstrecken, zusammensetzt.

Werden diese Bereiche 24 und 25 durch den Diffusionsvorgang in ihren Konzentrationen angeglichen, bleibt dennoch eine gewisse Inhomogenität in der Dotierung der Epitaxieschichten erhalten, die so gestaltet ist, dass sie zwar die laterale Diffusion der sog. "p-Bubbles" nicht verhindert, jedoch dafür sorgt, dass der pn-Übergang zwischen Ladungskompensationszone 11 und Diffusionszone 9 sich nicht beliebig tief in die Diffusionszone 9 ausbreiten kann, da auch hier eine erhöhte Dotierung der Driftzone 9 vorliegt. Zusätzlich wird durch die in 15 gezeigten diffusionshemmenden Bereiche 23 die laterale Diffusion der "p-Bubbles" verhindert, so dass zwei Effekte gleichzeitig wirken, um schlankere Ladungskompensationssäulen 8 für die Ladungskompensationszonen 11 zu verwirklichen.

Die 17 bis 21 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche eines Halbleiterwafers 22 zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen 2 eines zweiten Aspekts der Erfindung. Während beim ersten Aspekt der Erfindung die diffusionshemmenden Bereiche 23 horizontal bzw. lateral ausgerichtet sind und damit zu dem Strompfad 16 orthogonal verlaufen, werden im zweiten Aspekt der Erfindung die diffusionshemmenden Bereiche 23 vertikal und damit parallel zum Strompfad 16 ausgerichtet, so dass eine exaktere Eingrenzung der Ladungskompensationszonen 11 möglich ist.

17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterwafers 22 mit aufgewachsener monokristalliner und mitteldotierter Silizium-Epitaxieschicht 17. Die Dicke D dieser Epitaxieschicht wird mit einem einzigen Verfahrensschritt erreicht und derart eingestellt, dass die Dicke D ausreichend ist, um die Spannungsfestigkeit des herzustellenden Leistungshalbleiterbauelements zu. gewährleisten. Die Dicke D in Mikrometern kann je nach geforderter Spannungsfestigkeit zwischen 1 &mgr;m ≤ D ≤ 150 &mgr;m liegen. Diese Epitaxieschicht ist mitteldotiert, während das monokristalline Siliziumsubstrat 12 eine hohe Dotierstoffkonzentration aufweist.

18 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 17 nach Einbringen einer Grabenstruktur 13 und Aufbringen einer diffusionshemmenden Schicht 29 auf den strukturierten Halbleiterwafer 22. Das Einbringen der Grabenstruktur 13 wird durch Abdecken der Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4 mit der Epitaxieschicht 17 durch eine fotolithographische Schicht erreicht, wobei lediglich der Bereich von fotolithographischer Schicht freigehalten wird, in den die Grabenstruktur 13 einzubringen ist. Anschließend wird durch eine anisotrope Ätzung, vorzugsweise durch eine anisotrope reaktive Ionenätzung die Grabenstruktur 13 in die Epitaxieschicht 17 derart eingebracht, dass Mesen 33 mit einer Höhe H auf der Oberseite 19 des Substrats 12 verbleiben.

Nach dem Einbringen der Grabenstruktur 13 in die Epitaxieschicht 17 wird die fotolithographische Maske entfernt und auf der Oberseite des Halbleiterwafers mit Driftzonen 9 in den hergestellten Mesen 33 wird eine diffusionshemmende Schicht 29, vorzugsweise aus einer monokristallinen germaniumhaltigen Silizium-Epitaxieschicht, hergestellt. Neben Germanium kann diese diffusionshemmende Schicht 29 beispielsweise auch Kohlenstoff und/oder Fluor enthalten. Diese monokristalline SiGe- bzw. SiGeC-Schicht 6, wie sie in 18 gezeigt wird, erstreckt sich sowohl horizontal, beispielsweise auf den Oberseiten 34 der Mesen 33 und auf dem Grabenboden 30, als auch vertikal entlang der Grabenwände 14 und 15 der Grabenstruktur 13. Durch eine weitere anisotrope Ätzung kann erreicht werden, dass die horizontalen Bereiche auf den Oberseiten 34 der Mesen 33 und auf dem Grabenboden 30 entfernt werden, so dass lediglich vertikale diffusionshemmende Bereiche auf den Grabenwänden 14 und 15 übrig bleiben. Dieses zeigt die 19.

19 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 18 nach anisotroper Ätzung der diffusionshemmenden Schicht 29, wie sie in 18 gezeigt wird, unter Bildung von vertikalen diffusionshemmenden Bereichen 23.

20 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Halbleiterwafer 22 gemäß 19 nach Auffüllen der Grabenstruktur 13 mit einem komplementär zu den Mesen 33 der 19 dotierten monokristallin gewachsenen Halbleitermaterial 10 in der Grabenstruktur 13. Bei dem Auffüllen mit einem monokristallinen Halbleitermaterial 10 der Grabenstruktur 13 wird gleichzeitig eine relativ unebene Oberseite des Halbleiterwafers 22 erzeugt. Diese wird in einem nächsten Schritt eingeebnet.

21 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers 22 nach Einebnen der Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4 unter Ausbilden einer Driftstrecke 5 eines Leistungshalbleiterbauelements 2 mit vertikal angeordneten diffusionshemmenden Bereichen 23. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß den 17 bis 21 wurde als Ausgangsmaterial für die Driftstrecke 5 eine Epitaxieschicht 17 aufgebracht, die bereits die Driftzonendotierung aufweist.

22 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers 22 nach Ausbilden einer alternativen Ladungskompensationsstruktur 3. Bei dieser Ladungskompensationsstruktur 3 wurde auf den Halbleiterwafer 22 zunächst eine Epitaxieschicht 17 mit mitteldotiertem, p-leitendem Silizium aufgebracht und in diese mitteldotierte p-leitende Epitaxieschicht 17 eine Grabenstruktur 13 eingebracht, wobei eine Ausdiffusion von Akzeptoren aus diesem Epitaxiebereich durch Aufbringen einer diffusionshemmenden Schicht, wie es beispielsweise die monokristalline SiGe- oder SiGeC-Schicht 6 darstellt, deutlich verhindert, so dass in der Grabenstruktur 13 eine mitteldotierte, monokristalline n-leitende Epitaxieschicht für entsprechende Driftzonen 9 eingebracht werden konnte.

23 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers 22 nach Ausbilden einer weiteren alternativen Ladungskompensationsstruktur 3. Bei dieser alternativen Ladungskompensationsstruktur 3 wurde auch auf dem Grabenboden 30 der Grabenstruktur 13 der diffusionshemmende Bereich 23 beibehalten, so dass sich im Querschnitt eine U-Form 26 für die diffusionshemmenden Bereiche 23 ergibt. Ein besonderer Vorteil dieser U-Form 26 besteht darin, dass durch geeignete Wahl des Germaniumanteils im Silizium die Beweglichkeit der freien Ladungsträger in diesen Schichten spürbar erhöht werden kann, so dass der Einschaltwiderstand weiter reduziert werden kann. Dieser Effekt wirkt sich umso stärker aus, je höher der Germaniumgehalt je Silizium-Germaniumschicht ist. Ungeachtet dessen muss jedoch die kritische Schichtdicke in der Driftstrecke 5 respektiert werden und gegebenenfalls müssen mehrere dünne, durch Siliziumschichten getrennte Silizium-Germaniumschichten aufgewachsen werden, wie es die 24 zeigt.

24 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers 22 nach Ausbilden einer weiteren alternativen Driftzonenstruktur, wobei in diesem Fall sich vertikal ausgerichtete diffusionshemmende Bereiche 23 mit germaniumhaltigem Silizium und n-leitend dotierte Siliziumbereiche im Querschnitt der Grabenstruktur 13 einander abwechseln. Anstelle einer monokristallinen Abscheidung von germaniumhaltigem Silizium können auch in die Wände 14 und 15 der Grabenstruktur 13 Fremdatome und/oder Punktdefekte implantiert werden, um vertikale diffusionshemmende Bereiche 23 zu schaffen.

25 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiterwafers 22 nach Ausbilden einer weiteren alternativen Driftzonenstruktur. In diesem Fall sind mehrere U-förmige, diffusionshemmende Bereiche ineinander im Bereich der Grabenstruktur 13 gestapelt angeordnet, wobei zwischen den U-förmigen diffusionshemmenden Bereichen 23 n-leitend dotiertes Silizium für die Driftzonen 9 der Driftstrecke 5 angeordnet sind.

1
Leistungshalbleiterelement (1. Ausführungsform)
2
Leistungshalbleiterelement (2. Ausführungsform)
3
Ladungskompensationsstruktur
4
Halbleiterkörper
5
Driftstrecke
6
monokristalline SiGe-Schicht bzw. SiGeC-Schicht
7
Epitaxieschicht
8
Säule aus komplementärem Leitungstyp
9
Driftzone
10
Halbleitermaterial monokristallin gewachsen in Grabenstruktur
11
Ladungskompensationszone
12
monokristallines Substrat
13
Grabenstruktur
14
Wand der Grabenstruktur
15
Wand der Grabenstruktur
16
Strompfad
17
mittel dotierte Epitaxieschicht
18
Oberseite des Halbleiterkörper
19
Oberseite des Substrats
20
Sockelepitaxieschicht
21
Oberseite der Sockelepitaxieschicht
22
Halbleiterwafer
23
diffusionshemmender Bereich
24
hochdotierter Bereich in Driftzone
25
schwachdotierter Bereich in Driftzone
26
U-Form
27
Oberseite der Epitaxieschicht
28
Fläche
29
diffusionshemmende Schicht
30
Grabenboden
31
Rückseite des Halbleiterkörper
32
undotierte Epitaxieschicht
33
Mesen
34
Oberseite der Mesen
35
borimplantierter Bereich bzw. Akzeptorionenbereich
H
Höhe der Mesen
D
Gesamtdicke der Epitaxieschicht
d
Dicke eines diffusionshemmenden Bereichs
t
Tiefe der Ladungskompensationszone


Anspruch[de]
Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur (3), wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1, 2) in einem monokristallinen Halbleiterkörper (4) eine Driftstrecke (5) zwischen zwei Elektroden aufweist, und die Driftstrecke (5) Driftzonen (9) eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad (16) zwischen den Elektroden in der Driftstrecke (5) bereitstellen, und Ladungskompensationszonen (11) eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, die den Strompfad der Driftstrecke (5) einengen, aufweist, wobei die Zonen der Driftstrecke (5) diffusionshemmende Bereiche (23) mit diffusionshemmenden Störstellen und/oder mit diffusionshemmenden Punktdefekten für mindestens einen der Leitungstypen aufweisen, wobei die diffusionshemmenden Bereiche (23) derart angeordnet sind, dass sie die Ladungskompensationszonen (11) in ihrer lateralen Erstreckung begrenzen. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzonen (9) und die Ladungskompensationszonen (11) vertikal angeordnet sind. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (4) ein hochdotiertes Substrat (12) des ersten oder des komplementären Leitungstyps aufweist, auf dem eine schwach- bis mitteldotierte Epitaxieschicht (17) des ersten Leitungstyps mit der Driftstrecke (5) angeordnet ist. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper auf dem hochdotierten Substrat (12) eine nicht strukturierte schwachdotierte Sockelepitaxieschicht (20) des ersten Leitungstyps aufweist, die frei von Ladungskompensationszonen (11) ist. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ladungskompensationszonen (11) in ihrer Tiefe (t) von einer Oberseite (18) des Halbleiterkörpers (4) bis zu einer Oberseite (19) des Substrats (12) erstrecken. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ladungskompensationszonen (11) in ihrer Tiefe (t) von einer Oberseite (18) des Halbleiterköpers (4) bis zu einer Oberseite (21) einer nicht strukturierten Sockelepitaxieschicht (20) erstrecken. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) eine Dicke d in Nanometern im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 1 × 104 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) Germanium, Kohlenstoff und/oder Fluor Atome als Störstellen auf Substitutionsgitterplätzen des monokristallinen Halbleiterkörpers (4) aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) eine monokristalline Schicht (6) mit der Zusammensetzung SixGeyCz aufweisen, wobei x > y und x > z ist, vorzugsweise mit y ≤ 0,40 und z ≤ 0,25. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) Gitterleerstellen als Punktdefekte aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diffusionsfördernde Bereiche interstitiell angeordnete Halbleiteratome als Punktdefekte aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) eine Diffusion von Akzeptorionen aus p-leitenden Zonen hemmen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) eine Diffusion von Donatorionen aus n-leitenden Zonen hemmen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche parallel oder orthogonal zum Strompfad angeordnet sind. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (11) in Epitaxieschichten (7) schichtweise strukturierte, implantierte und diffundierte Säulen (8) des komplementären Leitungstyps aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in vertikal erstreckenden Driftzonen (9) hochdotierte und schwachdotierte horizontale Bereiche (24, 25) aufeinander gestapelt abwechseln, wobei die hochdotierten Bereiche (24) in gleicher vertikaler Lage angeordnet sind, wie hochdotierte Bereiche in benachbarten Ladungskompensationszonen (11). Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzonen (9) monokristallin auf einem hochdotierten monokristallinen Substrat (12) in einer Grabenstruktur (13) gewachsenes Halbleitermaterial (10) aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (11) monokristallin auf einem hochdotierten monokristallinen Substrat (12) in einer Grabenstruktur (13) gewachsenes Halbleitermaterial (10) aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) vertikal oder parallel zum Strompfad (16) angeordnet sind. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionshemmenden Bereiche (23) im Querschnitt eine U-Form (26) aufweisen. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzonen (5) in der Grabenstruktur (13) mehrere im Querschnitt U-förmige (26) diffusionshemmende Bereiche (23) aufweisen, die ineinander gestapelt sind, wobei zwischen den diffusionshemmenden Bereichen (23) monokristallines Material (27) des ersten Leitungstyps angeordnet ist. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (11) und die Driftzonen (9) streifenförmig nebeneinander zwischen den Elektroden angeordnet sind. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine streifenförmige Driftzone (9) von zwei streifenförmigen Ladungskompensationszonen (11) in Strompfadrichtung in ihrer Breite quer zum Strompfad (16) begrenzt sind. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzone (9) mehrere abwechselnd angeordnete Bereiche aus Silizium (10) des ersten Leitungstyps und diffusionshemmende Bereiche (6) aufweist. Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen (1) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 16, wobei mehrere die Dotierung der Driftzonen (9) aufweisende Epitaxieschichten (7) auf einem hochdotierten Substrat (12) erzeugt werden, und wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) Bereitstellen eines hochdotierten Halbleiterwafers eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterbauelementpositionen als Substrat (12) eines Halbleiterkörpers (4);

b) Aufwachsen einer monokristallinen die Dotierung der Driftzonen (9) aufweisenden Epitaxieschicht (7) auf dem Halbleiterwafer;

c) Herstellen einer diffusionshemmenden Schicht (29) durch Einbringen von diffusionshemmenden Fremdatomen und/oder Punktdefekten wie Gitterleerstellen in die Epitaxieschicht (7);

d) Aufbringen und Strukturieren einer photolithographischen Schicht auf die Epitaxieschicht (7) unter Freilassen von Flächen (28), für Ladungskompensationszonen (11);

e) Entfernen der diffusionshemmenden Schicht (29) im Bereich der freigelassenen Flächen (28);

f) Einbringen von Störstellen des komplementären Leitungstyps in die Epitaxieschicht im Bereich der freigelassenen Flächen;

g) Entfernen der photolithographischen Schicht

h) Wiederholen der Schritte b) bis g) bis eine für die Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiterbauelements (1) ausreichende Dicke einer vertikalen Driftstrecke (5) erreicht ist;

i) Aufheizen des Halbleiterwafers auf eine Diffusionstemperatur zur Ausbildung von säulenförmigen durch diffusionshemmende Bereiche (23) lateral begrenzte Ladungskompensationszonen (11) in der aus Epitaxieschichten (7) aufgebauten Driftstrecke (5) in den Leistungshalbleiterbauteilpositionen des Halbleiterwafers.
Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen (1) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 16, wobei mehrere undotierte Epitaxieschichten (32) auf einem hochdotierten Substrat (12) erzeugt werden, und wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) Bereitstellen eines hochdotierten Halbleiterwafers eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterbauelementpositionen als Substrat (12) eines Halbleiterkörpers (4);

b) Aufwachsen einer monokristallinen undotierten Epitaxieschicht (32) auf dem Halbleiterwafer;

c) Herstellen einer diffusionshemmenden Schicht (29) durch Einbringen von diffusionshemmenden Fremdatomen und/oder Punktdefekten wie Gitterleerstellen oder interstitiellen Halbleiteratomen in die Epitaxieschicht (32);

d) Aufbringen und Strukturieren einer photolithographischen Schicht auf die Epitaxieschicht (32) unter Freilassen von Flächen (28), für Ladungskompensationszonen (11);

e) Entfernen der diffusionshemmenden Schicht (29) mit diffusionshemmenden Fremdatomen und/oder Punktdefekten im Bereich der freigelassenen Flächen (28);

f) Einbringen von Störstellen des komplementären Leitungstyps in die Epitaxieschicht (32) im Bereich der freigelassenen Flächen (28);

g) Entfernen der photolithographischen Schicht;

h) Einbringen von Störstellen zur Driftzonendotierung der undotierten Epitaxieschicht (32);

i) Wiederholen der Schritte b) bis h) bis eine für die Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiterbauelements (2) ausreichende Dicke D einer vertikalen Driftstrecke (9) erreicht ist;

j) Aufheizen des Halbleiterwafers auf eine Diffusionstemperatur zur Ausbildung von säulenförmigen durch diffusionshemmende Bereiche (23) lateral begrenzte Ladungskompensationszonen (11) in der aus Epitaxieschichten (32) aufgebauten Driftstrecke (5) und der Dotierung der Driftzellen (9) in den Leistungshalbleiterbauteilpositionen des Halbleiterwafers.
Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26 mit folgenden zusätzlichen Schritten:

– Herstellen von Oberseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterwafer zur Fertigstellung der Leistungshalbleiterbauelemente (1) in den Leistungshalbleiterbauelementpositionen des Halbleiterwafers;

– Auftrennen des Halbleiterwafers in mehrere Leistungshalbleiterbauelemente (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwachsen einer mittel dotierten oder undotierten Epitaxieschicht (7) des ersten Leitungstyps auf den Halbleiterwafer eine schwachdotierte Sockelepitaxieschicht (20) des ersten Leitungstyps aufgewachsen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen einer diffusionshemmenden Schicht (29) als diffusionshemmende Fremdatome Germaniumionen und/oder Kohlenstoffionen und/oder Fluorionen mittels Ionenimplantation eingebracht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen einer diffusionshemmenden Schicht (29) diffusionshemmende Fremdatome mittels einer mehrstufigen Ionenimplantation mit unterschiedlichen Implantationsenergien eingebracht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen von diffusionshemmenden Punktdefekten wie Gitterleerstellen eine Implantation mit Argonionen durchgeführt wird. verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen (2) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13 oder eines der Ansprüche 17 bis 23, wobei mindestens eine die Dotierung der Driftzonen (9) oder der Ladungskompensationszonen (11) einer Driftstrecke (5) aufweisende Epitaxieschicht (17) auf einem hochdotierten Substrat erzeugt wird, und wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Bereitstellen eines hochdotierten Halbleiterwafers eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterelementpositionen als Substrat (12) eines Halbleiterkörpers (4);

– Aufwachsen einer Epitaxieschicht (17) des ersten Leitungstyps oder eines komplementären Leitungstyps auf den Halbleiterwafer als Ausgangsmaterial für eine Driftstrecke (5) mit Driftzonen (9) und Landungskompensationszonen (11);

– Einbringen einer Grabenstruktur (13) mit nahezu vertikalen Grabenwänden (14, 15) und einem Grabenboden (30) in die Epitaxieschicht (17) in den Leistungshalbleiterelementpositionen;

– Abscheiden eines diffusionshemmenden Bereichs (23) aus einer monokristallinen Halbleiterschicht auf dem Halbleiterwafer;

– anisotropes Freiätzen des Grabenbodens (30) der Grabenstruktur (13) und der Oberseiten (34) der Mesen (33) aus Epitaxiematerial von der monokristallinen Halbleiterschicht;

– Aufwachsen einer komplementär zu den Mesen (33) dotierten Epitaxieschicht unter Auffüllen der Grabenstruktur (13);

– Herstellen von Oberseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterkörper (4) zur Fertigstellung der Leistungshalbleiterelemente (2) in den Leistungshalbleiterelementpositionen des Halbleiterwafers;

– Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Leistungshalbleiterelemente (2).
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass für die monokristalline Halbleiterschicht Silizium eingesetzt wird und zur Diffusionshemmung Germanium, Kohlenstoff und/oder Fluor zugesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht unter Auffüllen der Grabenstruktur (31) die Oberseite des Halbleiterwafers bis zu der Driftstrecke (5) aus Drift- und Ladungskompensationszonen (9, 11) zu einem Halbleiterkörper (4) mit eingeebneter Oberseite (18) und ebener Rückseite (31) eingeebnet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht (17) auf den Halbleiterwafer eine schwachdotierte Sockelepitaxieschicht (20) des ersten Leitungstyps aufgewachsen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht (17) des ersten Leitungstyps auf den Halbleiterwafer bzw. auf die Sockelepitaxieschicht (20) eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur (13) epitaxial aufgebracht wird, die einen Ätzstopp ermöglicht und vorzugsweise SixGey mit x > y oder SixGeyCz mit x > y und x > z aufweist. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammensetzung der Hilfsschicht mit y ≤ 0,40 und z ≤ 0,25 eingehalten wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht (17) des ersten Leitungstyps auf den Halbleiterwafer bzw. auf die Sockelepitaxieschicht (20) eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur (13) aufgebracht wird, die einen Ätzstopp ermöglicht und vorzugsweise ein Halbleiteroxid oder Halbleiternitrid aufweist, wobei die Struktur der Hilfsschicht in den Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur (13) in einer derartigen Feinstruktur aufgebracht wird, dass ein laterales monokristallines Überwachsen der Feinstruktur ermöglicht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (13) in die Epitaxieschicht (17) des ersten Leitungstyps eine Ätzmaske auf den Halbleiterwafer mit streifenförmigen Mustern im Bereich der Driftstrecke (5) in den Leistungshalbleiterbauelementpositionen photolithographisch aufgebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (13) eine anisotrope und/oder isotrope Ätzung der Grabenstruktur (13) erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (13) eine anisotrope reaktive Ionenätzung durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (13) eine gerichtete Plasmaätzung durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (13) eine gerichtete Plasmaätzung mit Endpunktdetektion durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die photolithographische Maske entfernt wird, und die Oberseite des Halbleiterwafers Driftzonen (9) mit den hergestellten Mesen (33) zwischen den Grabenstrukturen (13) bildet. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Ätzmaske eine strukturierte Endpunktkontrollschicht vorzugsweise aus einem Halbleiteroxid und/oder einem Halbleiternitrid und/oder einer Six-GeyCz-Schicht mit x > y und x > z, vorzugsweise mit Si0,86 Ge0,07 C0,07. aufgebracht wird, welche die Oberseiten der Diffusionszonen (9) bedeckt. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Grabenstruktur (13) und vor dem Aufbringen eines diffusionshemmenden Bereichs (23) auf die Grabenwände (14, 15) die Oberflächen der Grabenstruktur (13) chemisch gereinigt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Grabenstruktur (13) und vor dem Aufbringen eines diffusionshemmenden Bereichs (23) auf die Grabenwände (14, 15) die Oberfläche des Halbleiterwafers oxidiert und anschließend die Oxidschicht weggeätzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Grabenstruktur (13) und vor dem Aufbringen eines diffusionshemmenden Bereichs (23) auf die Grabenwände (14, 15) diese mittels eines Wasserstoff-Temperschrittes geglättet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass als diffusionshemmender Bereich (23) eine monokristalline Schicht aus germaniumhaltigen Silizium mit einer Dicke d in Nanometern im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 1 × 103 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm aufgewachsen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass ein diffusionshemmender Bereich (23) auch auf dem Grabenboden (30) beibehalten wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Grabenwänden (14, 15) mehrere monokristalline Schichten aus germaniumhaltigem Silizium für diffusionshemmende Bereiche (23) im Wechsel mit dotiertem Silizium vertikal ausgerichtet als Driftzonen (9) hergestellt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Grabenwänden (14, 15) und auf dem Grabenboden mehrere monokristalline Schichten aus germaniumhaltigem Silizium für diffusionshemmender Bereiche (23) im Wechsel mit dotiertem Silizium ineinander gestapelt als Driftzonen (9) hergestellt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass zum anisotropen Freiätzen des Bodenbereichs (30) der Grabenstruktur (13) und/oder der Oberseiten (34) von Mesen (33) ein Trockenätzverfahren wie es auch für das Einbringen der Grabenstruktur gemäß einem der Ansprüche 38 bis 40 eingesetzt wird, verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper (4) mit eingeebneter Oberseite (18) ein chemical mechanical polishing-Verfahren (CMP) verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper (4) mit eingeebneter Oberseite (18) und Rückseite (31) zunächst eine nivellierende Photolackschicht oder eine Spin-on-Glas-Schicht auf die unebene Oberseite aufgebracht wird, deren Ätzselektivitätsfaktor gegenüber dem Halbleitermaterial der Driftstrecke (5) in Verbindung mit den gewählten Ätz- bzw. Abtragverfahren nahezu 1 ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers bis zu den aufgewachsenen Drift- und Ladungskompensationszonen (9, 11) die aufgebrachte eingeebnete Photolackschicht oder Spin-on-Glas-Schicht und das Epitaxiematerial rückgeätzt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessblock bestehend aus Aufbringen einer Epitaxie-, Mesaätzung, Einbringen diffusionshemmender Schichten, epitaktiales Auffüllen und Rückätzen mehrfach hintereinander durchgeführt wird.






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