WO2000017937A2 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements - Google Patents

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    • H01L29/417—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/41725—Source or drain electrodes for field effect devices
    • H01L29/41766—Source or drain electrodes for field effect devices with at least part of the source or drain electrode having contact below the semiconductor surface, e.g. the source or drain electrode formed at least partially in a groove or with inclusions of conductor inside the semiconductor

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a semiconductor component having a semiconductor body having a blocking pn junction, a first zone of a first conductivity type which is connected to a first electrode and to a zone forming the blocking pn junction of a second to the first Conductivity type of opposite conduction type adjoins, and with a second zone of the first conduction type, which is connected to a second electrode, the side of the zone of the second conduction type facing the second zone forming a first surface and in the area between the first surface and a second Surface that lies between the first surface and the second zone, areas of the first and the second conduction type are interleaved.
  • Such semiconductor components are also referred to as compensation components.
  • compensation components are, for example, n- or p-channel MOS field-effect transistors, diodes, thyristors, GTOs or other components.
  • a field effect transistor also called “transistor” for short
  • Compensation components are based on mutual compensation of the charge of n- and p-doped regions in the drift region of the transistor.
  • the regions are spatially arranged so that the line integral over the doping long corresponds a vertically extending to the pn junction line in each case below the material-specific breakdown charge ⁇ remains (silicon: 2 ⁇ 10 12 cm "2).
  • p- and n-conducting layers can be arranged laterally between a trench covered with a p-conducting layer and a trench covered with an n-type layer can be stacked alternately one above the other (cf. US Pat. No. 4,754,310).
  • the doping of the current-carrying region (for n-channel transistors the n-range, for p-channel transistors the p-range) can be significantly increased in compensation components, which results in a significant gain in switch-on resistance RDSon despite the loss of current-carrying surface.
  • the blocking capability of the transistor essentially depends on the difference between the two dopings. Since doping of the current-carrying area by at least one order of magnitude is desired in order to reduce the on-resistance, control of the reverse voltage requires a controlled adjustment of the degree of compensation, which can be defined for values in the range ⁇ 10%. With a higher gain in switch-on resistance, the range mentioned becomes even smaller.
  • the degree of compensation can be defined by
  • a robust semiconductor component is therefore sought, which is distinguished on the one hand by a high avalanche strength and high current carrying capacity before or in the breakthrough, and on the other hand is easy to produce in terms of technological fluctuations in manufacturing processes with readily reproducible properties.
  • Such a completely new type of semiconductor component is obtained if the regions of the first and second conductivity types are doped in such a way that charge carriers of the second conductivity type predominate in regions near the first surface and charge carriers of the first conductivity type predominate in regions near the second surface.
  • the regions of the second conductivity type preferably do not reach as far as the second zone, so that a weakly doped region of the first conductivity type remains between this second surface and the second zone. But it is possible to let the width of this area go to "zero".
  • the weakly doped region provides various advantages, such as increasing the reverse voltage, “soft” course of the field strength, improving the commutation properties of the inverse diode.
  • a degree of compensation caused by the doping is varied such that atomic trunks of the second conduction type close to the first surface and atomic trunks of the first conduction near the second surface dominate guys.
  • Electrodes "lateral" transverse field the strength of which depends on the proportion of the lateral charge (line integral perpendicular to the lateral pn junction) relative to the breakthrough charge. This field leads to the separation of electrons and holes and to a reduction in the current-carrying cross-section along the current paths. This fact is of fundamental importance for understanding the processes in the avalanche, the breakthrough characteristic and the saturation range of the characteristic field.
  • the maximum breakdown voltage is achieved with an exactly horizontal field distribution. If the acceptors or donors predominate, the breakdown voltage decreases in each case. If the breakdown voltage is therefore plotted as a function of the degree of compensation, the result is a parabolic curve.
  • a constant doping in the p- and n-conducting regions or also a locally varying doping with periodic maxima of the same level leads to a comparatively sharp maximum of the "compensation parabola".
  • a comparatively high breakdown voltage must be targeted in order to achieve reliable yields and production reliability. The aim must therefore be to make the compensation parabola as flat and wide as possible.
  • the drift path i.e. the area of the areas of opposite doping arranged in pairs, cleared of movable charge carriers.
  • the positively charged donor hulls and the negatively charged acceptor hulls remain in the spanning space charge zone. You then first determine the course of the field.
  • the current flow through the space charge zone causes a change in the electric field when the concentration of the charge carriers associated with the current flow comes into the range of the background doping. Electrons compensate donors, holes acceptors. For the stability of the building So it is very important to elements which doping predominates locally, where charge carriers are generated and how their concentrations occur along their current paths.
  • n-doped region also called “column” in the case of a vertical transistor
  • High current stability is promoted by predominating the n-doping;
  • the channel area with its positive temperature coefficient prevents inhomogeneous current distribution in a cell field, this operating mode is rather uncritical.
  • a reduction in the current density can be achieved by partially shading the duct connection (cf. DE 198 08 348 AI).
  • the hole current is focused along its path through the transverse electrical field: the current density increases here.
  • the longitudinal electrical field is thus initially influenced near the surface.
  • Breakdown voltage This situation is stable as long as the field remains well below the critical field strength (for silicon: about 270 kV / cm for a charge carrier concentration of approx. 10 15 cm -3 ).
  • the breakthrough is near the surface.
  • the holes flow to the source contact and influence the field on the way from where it originated to the p-well.
  • the aim must therefore be to bring the breakthrough location as close as possible to the p-well. This can be done, for example, by locally increasing the n-doping.
  • the electrons flow through the complete drift zone to the rear and also influence the field along their current path. Stability is achieved when the effect of the electron current outweighs that of the hole current. Since the geometry of the cell arrangement plays an important role here, there is a range of stable and unstable characteristic curves, particularly near the maximum of the compensation parabola.
  • the conditions in the Avalanche are very similar to those in the event of a breakthrough.
  • the currents are significantly higher and are up to twice the nominal current of the transistor at a nominal current. Since the electrical transverse field always causes the current to be clearly focused, compensation components leave the stability range with a comparatively low current load. Physically, this means that the current-induced field increase has already progressed so far that the breakthrough field strength is locally reached. The longitudinal electrical field can then no longer increase locally, but the curvature of the longitudinal electrical field continues to increase, which results in a drop in the breakdown voltage of the affected cell. In the characteristic curve of a single cell and also in the simulation, this is shown by a negative differential resistance; ie the voltage decreases with increasing current. In a large transistor with several 10,000 cells, this will lead to a very rapid inhomogeneous redistribution of the current. A filament is formed and the transistor melts locally.
  • the degree of compensation along the doping regions i.e. in the case of a vertical structure from the top towards the rear of the transistor, it varies so that near the surface the atomic trunks of the second conduction type predominate and near the rear the atomic trunks of the first conduction type.
  • the resulting field distribution has a "hump-shaped" course with a maximum at about half the depth.
  • the electrons as well as the holes in the breakthrough and in the avalanche thus influence the field distribution.
  • Both types of charge have a stabilizing effect because they run from their place of origin into areas in which they compensate for the dominant, excess background doping. There is a continuous range of stability from p-type to n-type levels of compensation.
  • the size of this modification The degree of compensation also determines the limits of the stability range. This makes the manufacturing window freely selectable.
  • the degree of compensation e.g. in the direction of "n-load" the electrical field increases in the upper area of the drift path, but at the same time decreases in the lower area (vice versa in the case of variation in the direction of p-load), the breakdown voltage varies only relatively as a function of the degree of compensation little. This makes the compensation parabola preferably flat and wide.
  • the vertical variation of the degree of compensation can take place by varying the doping in the p-region or by varying the doping in the n-region or by varying the doping in both regions.
  • the variation of the doping along the columns can have a constant slope or take place in several stages. In principle, however, the variation increases monotonically from a p-type compensation level to an n-type compensation level.
  • the limits of stability are reached on the n-load side when the field runs horizontally near the surface over a noticeable area of the drift path.
  • the stability limit is reached when the field runs horizontally near the bottom of the compensating column area over a noticeable area of the drift distance.
  • lateral transistors can be seen, for example, in the smart power sector or in microelectronics;
  • Vertical transistors are mainly produced in line electronics.
  • the vertical modification of the degree of compensation is very easy to implement, since only the implantation dose has to be changed in the individual epitaxial planes.
  • the "real" compensation dose is then implanted in the middle epitaxial layer, including e.g. 10% less each, e.g. each 10% more.
  • the epitaxial doping can also be changed.
  • the greater controllable spread makes it possible to reduce the manufacturing costs.
  • the number of necessary Epitaxial layers can be reduced, and the openings for the compensation implantation can be reduced as a result of the higher scatter of the implanted dose due to the greater relative scatter of the lacquer size and, at the same time, extended post-diffusion for the diffusion of the individual p-regions to form the "column".
  • FIG. 16 shows a section through a novel n-channel MOS transistor with an n + -conducting silicon semiconductor substrate 1, a drain electrode 2, a first n-conductive layer 13, a second layer 3 with n-conductive regions 4 and p-type regions 5, p-type zones 6, n-type zones 7, gate electrodes 8 made of, for example, polycrystalline silicon or metal, which are embedded in an insulating layer 9 made of, for example, silicon dioxide, and a source metallization 10 made of, for example Aluminum.
  • the p-type regions 5 do not reach the n + -type semiconductor substrate.
  • the charge of the p-regions 5 is variable, while the charge of the n-regions 4 is constant in each case. It is here as in the previous exemplary embodiments but it is also possible that the charge of the p-type regions 5 is constant and the charge of the n-type regions is varied. It is also possible to make the charge variable in both areas 4 and 5.
  • This object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the regions of the first and the second conductivity type are formed by doping trenches and filling them in such a way that charge carriers of the second conductivity type and in the region in the vicinity of the first surface Charge carriers of the first conductivity type predominate near the second surface.
  • the method according to the invention is preferably applied to a semiconductor body made of silicon.
  • a semiconductor body made of silicon is also possible to apply the invention to other semiconducting materials, such as compound semiconductors, silicon carbide, etc.
  • the etching of the trenches can be set by a suitable choice of process parameters in such a way that the trenches have a defined side wall inclination, so that, for example, trenches are formed which have a smaller cross-sectional area with increasing depth.
  • the required n-doping with, for example, phosphorus for the current-carrying path can then take place either via the background doping of the semiconductor body or via a sidewall doping of the trench that is constant over the entire depth of the trench.
  • Such sidewall doping can be achieved through occupancy processes, doping from the gas phase, plasma doping or by applying epitaxially deposited, doped layers in the trenches.
  • the trench is then partially or completely closed with homogeneously epitaxially grown semiconductor material, for example silicon, of the p-type.
  • semiconductor material for example silicon
  • the vertical course of the doping via the geometry of the trench, which can be done on the one hand by the profile of the trench wall and / or on the other hand by the floor plan of the trenches.
  • the ratio of the effective doping is proportional to the trench diameter, while in the case of circular or columnar trenches the trench opening at the top or bottom edge is square in accordance with the circular area.
  • a sidewall doping of the p-conduction type can also be used instead of an epitaxial filling.
  • a trench etch with a strictly vertical sidewall profile is easier to achieve than a trench with a tapered cross-section.
  • a defined graded tapering of the trench profile into the depth of the trench can be achieved with the aid of one or more spacer or spacer etching steps.
  • a first trench estimate is started here to a certain depth.
  • a sidewall spacer is then formed in the usual way, for example by oxide deposition and anisotropic etching back. Then one closes further trench estimation, these steps possibly having to be repeated several times. Finally the mask and the spacer are removed.
  • a gradation of a p-type doping with increasing trench depth by a trench etching interrupted several times.
  • One possibility is to carry out the side wall doping after reaching a certain partial depth of the trench estimate, so that an increased doping dose results in the upper parts of the trench by adding the respective partial doping.
  • This method can also be combined, for example, with an ion implantation after each partial etching step, for example by diffusing the dose implanted in the bottom of the trench directly after the implantation step, the portion of the dose diffused laterally in this way not being removed by the next trench partial etching step. Finally, the individual p-type regions obtained in this way are connected by diffusion.
  • the ion implantation takes place at a small angle with respect to the depth of the trench, there is also a certain doping in the side walls of the trench.
  • the decrease in the doping with the depth of the trench can easily be carried out by specifically setting the implantation dose in each level.
  • a multi-step side wall doping of the trenches can also be achieved in that, following a continuous deep trench etching, the trench with a material of sufficiently low viscosity , such as photoresist, is partially refilled. This filling of photoresist can then be gradually removed again by simple etching processes with each step between the exposed part of the side wall of the trench is doped. This results in an increased doping concentration in the upper parts of the trench by adding the respective partial doses of the individual doping.
  • the process just explained above can be modified such that the trench is additionally filled with an insulating layer, for example silicon dioxide, which has been deposited by a CVD process, and in stages is etched back.
  • an insulating layer for example silicon dioxide
  • the sidewall doping of the trench from the gas phase can be adjusted by suitable selection of the process parameters in such a way that the dopant becomes depleted towards the trench bottom, as is desired, for example, for p-doping.
  • etching medium for example hydrochloric acid
  • a suitable combination of rotation, tilt angle and energy of the dopant ions, using the ion scattering on the trench side walls enables a doping dose that decreases with depth to be achieved.
  • defects can lead to anisotropic diffusion behavior in the crystal. This property can be used for a targeted deep diffusion of, for example, p-type columns along the defects, the diffusion gradient automatically resulting in a lowering of the doping concentration with increasing depth of the defects.
  • the defects can be generated, for example, with an extreme high-energy implantation over a large area in the semiconductor body, whereupon a masked introduction of, for example, p-type dopant with subsequent deep diffusion takes place. The defects are then to be healed.
  • a shift in the degree of compensation towards p-dominance towards the surface of the semiconductor body can also be achieved by a flat n-conducting background doping of the semiconductor body whose doping concentration decreases towards the surface of the semiconductor body.
  • Another possibility is to diffuse an n-dopant from the back of the semiconductor body, whereby the semiconductor body should be relatively thin under certain circumstances to make long diffusion times that are otherwise necessary manageable.
  • a typical phenomenon in plasma-assisted anisotropic trench estimates, particularly in the case of high aspect ratios of trenches, is the decrease in the trench depth with the measure of
  • Trench opening for a given etching time There are various possibilities for using this phenomenon for the realization of vertically graded p-doping profiles.
  • a central trench can thus be etched with full target depth, with immediately adjacent “satellites”
  • Trenches have a reduced diameter. If necessary, multiple gradations can also be achieved in this way.
  • the central trench is then, for example, provided with a homogeneous n-doping, while the satellite trenches are masked. All trenches are then equipped with p-type doping.
  • the n-doping can also be present homogeneously as background doping in the semiconductor body. Since the doped areas of a compensation component are completely cleared by movable charge carriers in the event of a lock, the lateral spatial separation of the trenches does not play a major role. On average, there remains an excess of p-charge carriers to the depth specified by the neighboring trenches.
  • p- and n-type "columns" can also be spatially separated, so that, for example, the central one Trench can be used as an n-doped electron path, while step-by-step p-compensation is achieved with the satellite trenches, which are gradually reduced in diameter and thus also reduced in depth.
  • the larger, controllable scattering according to the invention also makes it possible to raise the necessary narrow requirements for the manufacturing tolerances with regard to the etching dimension of the trench etching, dose of the various side wall doping or fillings, etc., to the extent that a producible semiconductor component is produced.
  • the respective constant counter-doping can optionally be present as a homogeneous background doping of the semiconductor body or via trench side wall doping before the oxide side wall spacer is generated. consequences.
  • the electron and hole current paths are thus separated vertically by an insulator, but this is insignificant for the basic functionality of the compensation component.
  • those methods in which the net-o-p-load to the surface of the semiconductor body is achieved by varying the p-doping with constant n-doping are to be preferred to those methods which either exclusively or additionally have a vertical gradient in the Have n-doping, since the on-resistance is increased in the latter.
  • 1 to 3 are sectional views for explaining various methods for trench estimation with a defined sidewall inclination
  • FIG. 12 shows a sectional view to explain a method in which a varying side wall profile is generated by ion implantation
  • FIG. 13 is a sectional view for explaining a method with a variable background doping of the semiconductor body
  • 14a to 14c are sectional views for explaining a method in which trenches of different cross sections are combined
  • 15a to 15d are sectional views for explaining a method in which a trench with a vertical side wall and a filling with selective epitaxy are used, and 16 shows a section through a semiconductor component produced by the method according to the invention.
  • the trench 11 shows a trench 11 in an n-type semiconductor region 4, this trench 11 being filled epitaxially by semiconductor material, so that a p-type region 6 is formed.
  • the trench 11 has a structure tapering downwards towards its bottom, i.e. it becomes narrower as the depth increases.
  • the arrangement shown in FIG. 1 can be used for n-type compensation components.
  • the n-doping of the current-carrying path required for these components is determined via the background doping, i.e. the doping of region 4 in the silicon semiconductor body is achieved.
  • FIG. 2 shows another exemplary embodiment in which the trench 11 is provided with a side wall doping in its wall surfaces, so that the n-type region 4 is formed by the side walls of the trench 11 in an i-conducting semiconductor body 1.
  • the structure shown in FIG. 2 can be formed by coating process, doping from the gas phases, plasma doping or by epitaxial deposition of a corresponding layer.
  • the p-type regions 5 are formed by epitaxial growth of silicon.
  • the desired gradient the compensation from p-load to n-load achieved with increasing depth of the trench 11.
  • the vertical course of the doping concentration can thus be set via the geometry of the trench 11, which is done on the one hand by the profile of the trench wall (see FIG. 2) and on the other hand by the floor plan of the trench 11.
  • the ratio of the effective doping is proportional to the diameter of the trench 11, while in the case of circular or columnar trench 11 the trench opening at the top or bottom edge is squared in accordance with the circular area.
  • n-type sidewall doping in the case of circular trenches 11 and a homogeneous p-conducting background doping instead of an epitaxial filling of the trenches 11, so that a trench widening with increasing depth causes a transition from p-load to n-load takes place (see. Fig. 3).
  • FIGS. 4a to 4d show a method in which a trench etching with a vertical sidewall inclination and a stepwise spacer is carried out.
  • a trench etching with a strictly vertical side wall profile is easier to achieve than an oblique side wall profile, as is used in the methods according to FIGS. 1 to 3.
  • a defined gradual tapering of the trench profile downwards can be achieved with the aid of one or more spacer etching steps.
  • a first trench 14 is introduced into an n-conducting semiconductor body up to a certain partial depth (cf. FIG. 4a).
  • a sidewall spacer is then produced in the usual way, for example by deposition of silicon dioxide and anisotropic etching back (cf. FIG. 4b). This is followed by a further trench etching, in which the trench 14 covered with the side wall spacer 15 is "deepened” at its bottom, so that a trench 16 is formed (cf. FIG. 4c).
  • these steps can be repeated several times with a side wall covering and a deepening of the trench.
  • this trench 17 can be treated in the manner explained with reference to FIGS. 1 and 2:
  • the trench 17 is filled, for example, epitaxially with p-conducting silicon, so that a p-conducting region 5 is formed, the width of which progresses in steps from above decreases below.
  • An additional possibility consists in introducing an n-side wall doping already after the step in FIG. 4c, which is then masked in the upper part of the trench 16 by the side wall spacer 15.
  • n-side wall doping already after the step in FIG. 4c, which is then masked in the upper part of the trench 16 by the side wall spacer 15.
  • n- and / or p-side wall doping after removal of the side wall spacer 5, a net excess of p-charge carriers in the upper trench part can be achieved.
  • a gradation of the p-doping with increasing trench depth can also be achieved by a trench etching interrupted several times become. This is possible by, for example, performing the sidewall doping after reaching a certain partial depth of the trench estimate.
  • FIG. 5a in which, after etching a trench 14, sidewall doping is carried out to produce a p-type region 5.
  • the trench 1-4 is deepened further, and then another side wall doping follows, in which the doping overlaps in the upper trench part and causes an increased doping concentration there (cf. FIG. 5b).
  • This procedure can also be used, for example, in the case of an ion implantation after each partial etching step (cf. FIG. 6a): after the trench 14 has been introduced, an ion implantation is carried out (cf. arrows 18), so that a p-conducting region at the bottom of the trench 14 arises. The trench 14 is then deepened in a further etching step and a new ion implantation follows (cf. FIG. 6b). In this way, p-type regions 5 are formed at the edge and at the bottom of the trench 14, which are finally connected to one another by diffusion.
  • This connection can be supported by performing the ion implantation at a small angle to the depth direction of the trench 14, at which a certain dose of the implanted ions also reaches the side walls of the trench 14.
  • the decrease in the net p concentration with the depth of the trench 14 can be achieved simply by the targeted setting of the ion implantation dose in each level of the floor of the respective trench.
  • the 5a, 5b, 6a, 6b, multi-step sidewall doping of the examples in FIGS. 5a, 5b, 6a, 6b can also be achieved in that after a continuous deep trench etching (cf. is filled (see FIG.
  • the photoresist 19 is then removed in stages by simple etching processes, and after each removal of the photoresist 19, the part of the side wall of the trench 14 which is then exposed in each case is doped with p-dopant, for example boron (see FIG. 7c), which ultimately results in multiple Doping results in an increased wall dose in the upper parts due to the addition of the respective partial doses (see FIG. 7d).
  • p-dopant for example boron
  • the exemplary embodiment explained with reference to FIGS. 7a to 7d can also be modified such that the trench 14 is filled with silicon dioxide, for example by CVD (chemical vapor deposition) and then gradually etched back.
  • silicon dioxide is therefore used.
  • the following procedure can alternatively be followed: Before the photoresist 19 is introduced into the trench 14, the trench 14 is first lined with a silicon dioxide layer 20, what can be done by a thermal process (see Fig. 8a). Photoresist 19 is then introduced and etched back (see FIG. 8b), and the exposed part of the oxide layer 20 is removed (see FIG. 8c), which can be done by etching. Then the remaining photoresist 19 is then removed, so that any lower part of the trench 14 to be fixed as desired is replaced by the remaining part Silicon dioxide layer 20 is masked against doping. In this way, a graded doping profile with p-dopant can be obtained, the doping amount of which decreases from top to bottom.
  • the sidewall doping of the trench 14 from the gas phase can be adjusted by a suitable choice of the process parameters in such a way that the doping material becomes depleted towards the trench bottom, as is desired for the p-doping.
  • n-type epitaxial deposition in which an etching medium, for example hydrochloric acid, is also added during the deposition itself. If the deposition rate outweighs the etching rate, a profile is obtained in which there is an increased n-doping in the direction of the trench bottom (cf. FIG. 11).
  • an etching medium for example hydrochloric acid
  • a suitable combination of rotation, tilt angle and energy of the dopant ions, using the ion scattering on the side walls of the trench 14, allows a dose that decreases with the depth to be achieved (cf. FIG. 12).
  • the aspect ratio of the trench is high, it may be necessary to work with a successive combination of tilting angles, including an implantation at an angle of 0 °.
  • Such a procedure is indicated schematically in FIG. 12 with a tilt angle ⁇ of the ion implantation 18.
  • the lower doping with increasing trench depth arises from the fact that the intensity of the “reflected” ion beams decreases towards the depth of the trench 14, so that an increasingly weaker dose is obtained there.
  • Certain types of defects can lead to anisotropic diffusion behavior in the silicon compound semiconductor or silicon carbide crystal of a semiconductor body. This property can be exploited for a targeted deep diffusion of, for example, p-type columns along the defects, the diffusion gradient automatically resulting in a lowering of the concentration with increasing depth.
  • the defects can be generated, for example, with an areal surface in the semiconductor body 1 using an extreme high-energy implantation, whereupon the masked introduction of the p-type dopant, for example boron, with subsequent deep diffusion takes place. It is of course important that the defects can then be healed.
  • the p-type dopant for example boron
  • a shift in the degree of compensation towards p-load to the surface of the semiconductor body 1 can also be achieved by a flat n-background doping whose concentration decreases towards the surface. This can be done, for example, by using a base material with several epitaxial layers 23, 24, 25 with different n-doping (see FIG. 13) or by graduated doping during the deposition. For example, in FIG. 13, layer 23 is more heavily doped than layer 24, and layer 24 is again more heavily doped than layer 25.
  • Another possibility is to diffuse an n-dopant from the back of the semiconductor body, in which case the semiconductor body must be made relatively thin in order to avoid long diffusion times, if necessary.
  • Etching step etched both a central trench 28 with a full target depth and immediately adjacent satellite trenches 26 with a reduced diameter.
  • the trench 28 is provided with an n-type region 4 in the i-type semiconductor body 1.
  • the trenches 25, 26 are then filled with p-conducting semiconductor material, in particular silicon.
  • FIG. 14c Another possibility is shown in FIG. 14c: here the central trench 28 is provided with a homogeneous n-doping, so that there is an n-conducting region 4, while the satellite trenches 26 have a p-doping and p- form conductive areas 5.
  • n-doping homogeneously as background doping.
  • the doped areas of a compensation component are completely cleared of movable charge carriers in the event of blocking.
  • the lateral spatial separation of the trenches 25, 26 therefore does not play a major role. What remains in the spatial mean is a p-excess to the depth specified by the neighboring trench.
  • the p- and n- "columns" can also be spatially separated, as shown in the example in FIG. 14c: the central trench 28 is used as an n-doped electron path, while the diameter is reduced and in order to a step-by-step p compensation is also achieved in the depth-reduced satellite trenches 26.
  • the trench 14 can be filled with monocrystalline silicon 27 using the “selective epitaxy” method, but this can be achieved by the oxide covering of the side wall grows starting from the trench bottom (see Fig. 15c).
  • the respective constant counter-doping can optionally be used as a homogeneous background doping of the semiconductor body 1 may be present or else be carried out via a trench side wall doping before the generation of the spacer 15.
  • the electron or hole current paths are thus separated vertically by an insulator (cf. FIG. 15d), but this is irrelevant for the basic functionality of the compensation component. ⁇
  • the regions 4, 5 of the semiconductor component shown in FIG. 16 have been described above.
  • the remaining parts of this semiconductor component, in particular the first zone of the first conductivity type, the zone of the second conductivity type and the second zone of the first conductivity type, and the electrodes connected to these zones, are produced in a conventional manner, which is achieved by appropriate diffusion ion implantation epitaxy and Metallization steps can happen.
  • What is essential to the present invention is therefore the generation of the regions of the first and the second conduction type in such a way that charge carriers of the second conduction type predominate in areas near a first surface and charge carriers of the first conduction type predominate in areas near a second surface, as is the case with all exemplary embodiments 1 to 15 is the case.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit in einem Halbleiterkörper alternierend angeordneten Halbleitergebieten (4, 5) abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, die sich im Halbleiterkörper (1) von wenigstens einer ersten Zone (6) bis in die Nähe zu einer zweiten Zone (1) erstrecken und durch variable Dotierung aus Trenchen (11, 14) und deren Auffüllung ein elektrisches Feld erzeugen, das einen von beiden Zonen (6, 1) aus ansteigenden Verlauf hat.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem einen sperrenden - pn-Übergang aufweisenden Halbleiterkörper, einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps, die mit einer ersten Elektrode verbunden ist und an eine den sperrenden pn-Übergang bildende Zone eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angrenzt, und mit einer zweiten Zone des ersten Leitungstyps, die mit einer zweiten Elektrode verbunden ist, wobei die der zweiten Zone zugewandte Seite der Zone des zweiten Leitungstyps eine erste Oberfläche bildet und im Be- reich zwischen der ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Zone liegt, Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps ineinander verschachtelt sind.
Derartige Halbleiterbauelemente werden auch als Kompensationsbauelemente bezeichnet. Bei solchen Kompensationsbauelementen handelt es sich beispielsweise um n- oder p-Kanal-MOS- Feldeffekttransistoren, Dioden, Thyristoren, GTOs oder auch andere Bauelemente. Im folgenden soll jedoch als Beispiel von einem Feldeffekt-Transistor (auch kurz "Transistor" genannt) ausgegangen werden.
Zu Kompensationsbauelementen gibt es über einen langen Zeitraum verstreut verschiedene theoretische Untersuchungen (vgl. US 4 754 310 und US 5 216 275), in denen jedoch speziell Verbesserungen des Einschaltwiderstandes RSDon und nicht der Stabilität bei Strombelastung, wie insbesondere Robustheit hinsichtlich Avalanche und Kurzschluß im Hochstromfall bei hoher Source-Drain-Spannung, angestrebt werden. Kompensationsbauelemente beruhen auf einer gegenseitigen Kompensation der Ladung von n- und p-dotierten Gebieten in der Driftregion des Transistors. Die Gebiete sind dabei räumlich so angeordnet, daß das Linienintegral über die Dotierung ent- lang einer vertikal zum pn-Übergang verlaufenden Linie jeweils unterhalb der materialspezifischen Durchbruchsladung ~ bleibt (Silizium: ca. 2 ■ 1012 cm"2) . Beispielsweise können in einem Vertikaltransistor, wie er in der Leistungselektronik üblich ist, paarweise p- und n-Säulen oder Platten etc. ange- ordnet sein. In einer Lateralstruktur können p- und n-lei- tende Schichten lateral zwischen einem mit einer p-leitenden Schicht belegten Graben und einem mit einer n-leitenden Schicht belegten Graben abwechselnd übereinander gestapelt sein (vgl. US 4 754 310) .
Durch die weitgehende Kompensation der p- und n-Dotierungen läßt sich bei Kompensationsbauelementen die Dotierung des stromführenden Bereichs (für n-Kanal-Transistoren der n-Be- reich, für p-Kanal-Transistoren der p-Bereich) deutlich erhö- hen, woraus trotz des Verlusts an stromführender Fläche ein deutlicher Gewinn an Einschaltwiderstand RDSon resultiert. Die Sperrfähigkeit des Transistors hängt dabei im wesentlichen von der Differenz der beiden Dotierungen ab. Da aus Gründen der Reduktion des Einschaltwiderstandes eine um min- destens eine Größenordnung höhere Dotierung des stromführenden Gebiets erwünscht ist, erfordert die Beherrschung der Sperrspannung eine kontrollierte Einstellung des Kompensationsgrades, der für Werte im Bereich < ±10 % definierbar ist. Bei einem höheren Gewinn an Einschaltwiderstand wird der ge- nannte Bereich noch kleiner. Der Kompensationsgrad ist dabei definierbar durch
(p-Dotierung - n-Dotierung) /n-Dotierung oder durch
Ladungsdifferenz/Ladung eines Dotierungsgebiets.
Es sind aber auch andere Definitionen möglich.
Es wird daher ein robustes Halbleiterbauelement angestrebt, das sich einerseits durch eine hohe Avalanchefestigkeit und große Strombelastbarkeit vor bzw. im Durchbruch auszeichnet und andererseits im Hinblick auf technologische Schwankungsbreiten von Herstellungsprozessen mit gut reproduzierbaren Eigenschaften einfach herstellbar ist.
Ein solches vollkommen neuartiges Halbleiterbauelement wird erhalten, wenn die Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps derart dotiert sind, daß in Bereichen nahe der ersten Oberfläche Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und in Bereichen nahe der zweiten Oberfläche Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen.
Die Gebiete des zweiten Leitungstyps reichen vorzugsweise nicht bis zu der zweiten Zone, so daß zwischen dieser zweiten Oberfläche und der zweiten Zone ein schwach dotierter Bereich des ersten Leitungstyps verbleibt. Es ist aber möglich, die Breite dieses Bereiches gegen "null" gehen zu lassen. Der schwach dotierte Bereich liefert aber verschiedene Vorteile, wie Erhöhung der Sperrspannung, "weicher" Verlauf der Feldstärke, Verbesserung der Kommutierungseigenschaften der In- versdiode.
In Gebieten des zweiten Leitungstyps wird ein durch die Dotierung bewirkter Kompensationsgrad derart variiert, daß nahe der ersten Oberfläche Atomrümpfe des zweiten Leitungstyps und nahe der zweiten Oberfläche Atomrümpfe des ersten Leitungs- typs dominieren. Es liegen also Schichtenfolgen p, p~, n", n oder n, n", p~, p zwischen den beiden Oberflächen vor.
Die Wirkung der ineinander verschachtelten Gebiete abwech- selnd unterschiedlichen Leitungstyps auf das elektrische Feld ist im Unterschied zu beispielsweise einem klassischen DMOS~- Transistor wie folgt ("lateral" und "vertikal" beziehen sich im folgenden auf einen Vertikaltransistor) :
(a) Es existiert ein zur Verbindungsrichtung zwischen den
Elektroden "laterales" Querfeld, dessen Stärke vom Anteil der lateralen Ladung (Linienintegral senkrecht zum lateralen pn-Übergang) relativ zur Durchbruchsladung abhängt. Dieses Feld führt zur Trennung von Elektronen und Löchern und zu einer Verringerung des stromtragenden Querschnitts entlang der Strompfade. Diese Tatsache ist für das Verständnis der Vorgänge im Avalanche, der Durchbruchskennlinie und des Sättigungsbereichs des Kennlinienfelds von prinzipieller Bedeutung.
(b) Das zur Verbindungsrichtung zwischen den Elektroden parallele "vertikale" elektrische Feld wird lokal von der Differenz der benachbarten Dotierungen bestimmt. Dies bedeutet, daß sich bei einem Überschuß von Donatoren (n- Lästigkeit: die Ladung in den n-leitenden Gebieten überwiegt die Ladung der p-Gebiete) einerseits eine DMOS-ähn- liche Feldverteilung (Maximum des Felds am sperrenden pn- Übergang, in Richtung gegenüberliegender Bauelementrückseite abnehmendes Feld) einstellt, wobei der Gradient des Felds jedoch deutlich geringer ist, als es der Dotierung des n-Gebiets alleine entsprechen würde. Andererseits ist jedoch durch Überkompensation des n-leitenden Gebiets mit Akzeptoren eine in Richtung Rückseite ansteigende Feldverteilung möglich (p-Lastigkeit, Überschuß der Akzepto- ren gegenüber den Donatoren) . Das Feldmaximum liegt in einer solchen Auslegung am Boden des p-Gebiets. Kompensieren sich beide Dotierungen exakt, ergibt sich eine horizontale Feldverteilung.
Mit einer exakt horizontalen Feldverteilung wird das Maximum der Durchbruchsspannung erreicht. Überwiegen die Akzeptorenoder die Donatoren, nimmt die DurchbruchsSpannung jeweils ab. Trägt man folglich die Durchbruchsspannung als Funktion des Kompensationsgrads auf, ergibt sich ein parabelförmiger Ver- lauf.
Eine konstante Dotierung in den p- und n-leitenden Gebieten oder auch eine lokal variierende Dotierung mit periodischen Maxima gleicher Höhe führt dabei zu einem vergleichsweise scharf ausgeprägten Maximum der "Kompensationsparabel". Zu Gunsten eines "Fertigungsfensters" (Einbeziehung der Schwankungen aller relevanter Einzelprozesse) muß eine vergleichsweise hohe Durchbruchsspannung angepeilt werden, um verläßliche Ausbeuten und Produktionssicherheit zu erreichen. Ziel muß es daher sein, die Kompensationsparabel möglichst flach und breit zu gestalten.
Wird an das Bauelement Sperrspannung angelegt, so wird die Driftstrecke, d.h. der Bereich der paarweise angeordneten Ge- biete entgegengesetzter Dotierung, von beweglichen Ladungsträgern ausgeräumt. Es verbleiben die positiv geladenen Donatorrümpfe und die negativ geladenen Akzeptorrümpfe in der sich aufspannenden Raumladungszone. Sie bestimmen dann zunächst den Verlauf des Felds.
Der Stromfluß durch die Raumladungszone bewirkt eine Veränderung des elektrischen Felds, wenn die Konzentration der mit dem Stromfluß verbundenen Ladungsträger in den Bereich der Hintergrunddotierung kommt. Elektronen kompensieren dabei Do- natoren, Löcher die Akzeptoren. Für die Stabilität des Bau- elements ist es also sehr wichtig, welche Dotierung lokal überwiegt, wo Ladungsträger erzeugt werden und wie sich ihre Konzentrationen entlang ihrer Strompfade einstellen.
Für die folgenden Ausführungen zum Verständnis der Basismechanismen wird zunächst eine konstante Dotierung der p- und- n-leitenden Gebiete angenommen.
Im eingeschalteten Zustand und insbesondere im Sättigungsbe- reich des Kennlinienfeldes eines MOS-Transistors fließt ein reiner Elektronenstrom aus dem Kanal in ein n-dotiertes Gebiet, bei einem Vertikaltransistor auch "Säule" genannt, wobei in der Tiefe eine zunehmende Fokussierung des Stromflusses aufgrund des elektrischen Querfelds eintritt. Hochstrom- Stabilität wird durch Überwiegen der n-Dotierung gefördert; da jedoch der Kanalbereich mit seinem positiven Temperaturkoeffizienten eine inhomogene Stromverteilung in einem Zellenfeld unterbindet, ist diese Betriebsart eher unkritisch. Eine Reduktion der Stromdichte läßt sich durch partielle Ab- schattung des Kanalanschlusses erreichen (vgl. DE 198 08 348 AI) .
Für die Durchbruchskennlinie bzw. deren Verlauf ist folgendes zu beachten: Die Erzeugung von Elektronen und Löchern erfolgt im Bereich maximaler Feldstärke. Die Trennung beider Ladungsträgerarten wird durch das elektrische Querfeld vorgenommen. Entlang beider Strompfade im p- bzw. n-Gebiet tritt eine Fokussierung und weitere Multiplikation ein. Schließlich tritt auch keine Wirkung einer partiellen Kanalabschattung ein. Stabilität liegt nur dann vor, wenn die beweglichen Ladungsträger außerhalb ihrer Entstehungsorte zu einem Anstieg des elektrischen Felds und damit zu einem Anstieg der Durchbruchsspannung der jeweiligen Zelle führen. Für Kompensationsbauelemente bedeutet dies Stabilität im p- und n-lastigen Bereich, jedoch nicht im Maximum der Kompensationsparabel. Im p-lastigen Bereich erfolgt der Durchbruch am "Boden" der Säule. Die Elektronen fließen aus der Driftregion heraus und beeinflussen das Feld somit nicht. Die Löcher werden durch das elektrische Längsfeld zum oberseitigen Source-Kontakt gezo- gen. Dabei wird der Löcherstrom längs seines Weges durch das elektrische Querfeld fokussiert: die Stromdichte steigt hier an. Damit wird das elektrische Längsfeld zunächst oberflächennah beeinflußt. Infolge der Kompensation der überschüssigen Akzeptorrümpfe (p-Lastigkeit) ergibt sich eine Reduktion des Gradienten des elektrischen Felds und ein Anstieg der
Durchbruchsspannung. Dieses Situation ist solange stabil, als das Feld dort deutlich unterhalb der kritischen Feldstärke (für Silizium: etwa 270 kV/cm für eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 1015 cm-3) bleibt.
Im n-lastigen Bereich mit einem Überschuß an Donatoren ist der Durchbruch oberflächennah. Die Löcher fließen zum Source- kontakt und beeinflussen das Feld noch auf dem Weg von ihrem Entstehungsort bis zur p-Wanne. Ziel muß daher sein, den Durchbruchsort möglichst nahe an die p-Wanne heranzulegen. Dies kann beispielsweise durch eine lokale Anhebung der n- Dotierung geschehen. Die Elektronen fließen durch die komplette Driftzone zur Rückseite und beeinflussen das Feld ebenfalls entlang ihres Strompfads. Stabilität wird dann er- zielt, wenn die Wirkung des Elektronenstroms die des Löcherstroms überwiegt. Da hier die Geometrie der Zellenanordnung eine wichtige Rolle spielt, gibt es insbesondere nahe des Maximums der Kompensationsparabel einen Bereich stabiler und instabiler Kennlinien.
Die Verhältnisse im Avalanche sind sehr ähnlich zu denjenigen bei einem Durchbruch. Die Ströme sind jedoch deutlich höher und betragen bei einem Nennstrom bis zum Doppelten des Nennstromes des Transistors. Da das elektrische Querfeld immer eine deutliche Fokussierung des Stroms bewirkt, wird bei Kom- pensationsbauelementen bei vergleichsweise geringer Strombelastung der Stabilitätsbereich verlassen. Physikalisch bedeutet dies, daß der strominduzierte Feldanstieg bereits so weit fortgeschritten ist, daß lokal die Durchbruchsfeldstärke er- reicht wird. Das elektrische Längsfeld kann dann lokal nicht mehr weiter ansteigen, die Krümmung des elektrischen Längsfelds nimmt jedoch weiter zu, woraus ein Rückgang der Durchbruchsspannung der betroffenen Zelle resultiert. In der Kennlinie einer Einzelzelle und auch in der Simulation zeigt sich dies durch einen negativen differentiellen Widerstand; d.h. die Spannung geht mit ansteigendem Strom zurück. In einem großen Transistor mit mehreren 10.000 Zellen wird dies zu einer sehr raschen inhomogenen Umverteilung des Stroms führen. Es bildet sich ein Filament, und der Transistor schmilzt lo- kal auf.
Daraus ergeben sich die folgenden Konsequenzen für die Stabilität von Kompensationsbauelementen:
(a) Durch die Trennung von Elektronen und Löchern kommt es nicht wie bei IGBTs und Dioden zu einer "Autostabilisie- rung". Vielmehr müssen Kompensationsgrad, Feldverteilung und Durchbruchsort exakt eingestellt werden.
(b) Auf der Kompensationsparabel gibt es bei konstanter Dotierung der p- und n-Gebiete bzw. "Säulen" stabile Bereiche im deutlich p- und im deutlich n-lastigen Bereich. Beide Bereiche hängen nicht zusammen. Damit ergibt sich nur ein extrem kleines Fertigungsfenster. Die Kompensati- onsparabel ist bei konstanter Dotierung der p- und n-Gebiete bzw. Säulen überaus steil. Der Durchbruchsort verlagert sich innerhalb weniger Prozente vom Boden der p- Säule in Richtung Oberfläche. (c) Für jedes Kompensationsbauelement gibt es eine Stromzer¬ störungsschwelle im Avalanche, die unmittelbar mit dem Kompensationsgrad gekoppelt ist. Der Kompensationsgrad bestimmt andererseits die erzielbare Durchbruchsspannung und hat Einfluß auf den RDSon-Gewinn.
(d) Bei konstanter Dotierung der p- und n-Gebiete sind - wie oben gesagt - die Bauelemente nahe des Maximums der Kompensationsparabel instabil. Dies führt dazu, daß die Bau- elemente mit der höchsten Sperrspannung im Avalanche-Test zerstört werden.
Wie oben erläutert wurde, wird zur Vermeidung der Nachteile der Kompensationsgrad längs der Dotierungsgebiete, d.h. bei einer Vertikalstruktur von der Oberseite in Richtung Rückseite des Transistors, so variiert, daß nahe der Oberfläche die Atomrümpfe des zweiten Leitungstyps und nahe der Rückseite die Atomrümpfe des ersten Leitungstyps vorherrschen.
Die resultierende Feldverteilung weist einen "buckeiförmigen" Verlauf mit einem Maximum in etwa halber Tiefe auf. Damit beeinflussen sowohl die Elektronen als auch die Löcher im Durchbruch und im Avalanche die Feldverteilung. Beide Ladungsträgerarten wirken stabilisierend, da sie von ihrem Ent- stehungsort aus jeweils in Gebiete laufen, in denen sie die dominierende, überschüssige Hintergrunddotierung kompensieren. Es gibt so einen durchgehenden Stabilitätsbereich von p- lastigen bis zu n-lastigen Kompensationsgraden.
Eine Variation des Kompensationsgrads durch Fertigungsschwankungen verschiebt den Durchbruchsort in vertikaler Richtung nur wenig und auch kontinuierlich hin und her, solange diese Variation kleiner ist als die technologisch eingestellte Variation des Kompensationsgrads. Die Größe dieser Modifikation des Kompensationsgrads bestimmt auch die Grenzen des Stabilitätsbereichs. Damit wird das Fertigungsfenster frei wählbar.
Die Fokussierung der Ströme ist deutlich geringer ausgeprägt, da beide Ladungsträgerarten nur jeweils die halbe Wegstrecke im Bereich des komprimierenden elektrischen Querfelds zurücklegen. Damit werden die Bauelemente im Avalanche mit deutlich höheren Strömen belastbar.
Da bei einer Variation des Kompensationsgrads z.B. in Richtung auf "n-Lastigkeit " das elektrische Feld jeweils im oberen Bereich der Driftstrecke zunimmt, im unteren Bereich aber gleichzeitig abnimmt (bei Variation in Richtung auf p-Lastig- keit umgekehrt) , variiert die Durchbruchsspannung als Funkti- on des Kompensationsgrads nur relativ wenig. Damit wird die Kompensationsparabel vorzugsweise flach und breit.
Die vertikale Variation des Kompensationsgrads kann durch Variation der Dotierung im p-Gebiet oder durch Variation der Dotierung im n-Gebiet oder durch Variation der Dotierung in beiden Gebieten erfolgen. Die Variation der Dotierung längs der Säulen kann eine konstante Steigung aufweisen oder in mehreren Stufen erfolgen. Grundsätzlich steigt die Variation jedoch monoton von einem p-lastigen Kompensationsgrad zu ei- nem n-lastigen Kompensationsgrad an.
Das obige Prinzip kann ohne weiteres auch bei p-Kanal-Tran- sistoren angewandt werden. Es tritt dann ein entsprechend geänderter Verlauf der Halbleitergebiete auf: Ein (p, p-domi- niert, n-dominiert, n) -Verlauf wird durch einen (n, n-domi- niert, p-dominiert, p) -Verlauf ersetzt.
Die Grenzen der Stabilität werden auf der n-lastigen Seite erreicht, wenn das Feld oberflächennah über einen merklichen Bereich der Driftstrecke horizontal verläuft. Auf der p- lastigen Seite erreicht man die Stabilitätsgrenze, wenn das Feld nahe des Bodens des kompensierenden Säulenbereichs über einen merklichen Bereich der Driftstrecke horizontal verläuft .
Generell gilt, daß die Kompensationsparabel um so flacher und breiter wird, je größer der Gradient des Kompensationsgrads ist. Die Durchbruchsspannung im Maximum der Kompensationsparabel sinkt entsprechend.
Eine weitere wichtige Limitierung der Variation des Kompensationsgrads wird durch die Forderung nach Unterschreitung der Durchbruchsladung gegeben. Darüber hinaus treten bei starker Anhebung der p-Säulen-Dotierung nahe der Oberfläche Stromein- schnürungseffekte auf (lateraler JFET-Effekt) .
Für 600 V-Bauelemente ist beispielsweise eine Variation des Kompensationsgrads längs der p- und n-Gebiete von 50 % vorteilhaft.
Anwendungen für solche Lateraltransistoren sind beispielsweise im Smart-Power-Bereich oder auch in der Mikroelektronik zu sehen; Vertikaltransistoren werden dagegen vorwiegend in der Leitungselektronik erzeugt.
Die vertikale Modifikation des Kompensationsgrades ist sehr einfach umzusetzen, da in den einzelnen Epitaxieebenen nur die Implantationsdosis verändert werden muß. Die "echte" Kompensationsdosis wird dann in der mittleren Epitaxieschicht implantiert, darunter z.B. jeweils 10 % weniger, darüber z.B. jeweils 10 % mehr. Anstelle der Implantationsdosis kann aber auch die Epitaxiedotierung geändert werden.
Durch die größere beherrschbare Streuung ist es möglich, die Herstellungskosten zu verringern. Die Zahl der notwendigen Epitaxieschichten kann reduziert werden, und die Öffnungen für die Kompensations-Implantation können infolge höherer Streuung der implantierten Dosis durch die größere relative Streuung des Lackmaßes bei gleichzeitig verlängerter Nachdif- fusion für das Zusammendiffundieren der einzelnen p-Bereiche zur "Säule" verkleinert werden. -
Fig. 16 zeigt einen Schnitt durch einen neuartigen n-Kanal- MOS-Transistor mit einem n+-leitenden Silizium-Halbleiter- substrat 1, einer Drainelektrode 2, einer ersten n-leitenden Schicht 13, einer zweiten Schicht 3 mit n-leitenden Gebieten 4 und p-leitenden Gebieten 5, p-leitenden Zonen 6, n-leitenden Zonen 7, Gate-Elektroden 8 aus beispielsweise polykristallinem Silizium oder Metall, die in eine Isolierschicht 9 aus beispielsweise Siliziumdioxid eingebettet sind, und einer Source-Metallisierung 10 aus beispielsweise Aluminium. Die p- leitenden Gebiete 5 erreichen auch hier das n+-leitende Halbleitersubstrat nicht.
In Fig. 16 sind zur besseren Übersichtlichkeit lediglich die metallischen Schichten schraffiert dargestellt, obwohl auch die übrigen Gebiete bzw. Zonen geschnitten gezeichnet sind.
In den p-leitenden Gebieten 5 sind in einer Zone I ein p-La- dungsüberschuß, in einer Zone II eine "neutrale" Ladung und in Zone III ein n-Ladungsüberschuß vorhanden. Dies bedeutet, daß im Gebiet 5, das eine "p-Säule" bildet, in der Zone I die Ladung der p-Säule die Ladung des umgebenden n-leitenden Gebietes 5 überwiegt, daß weiterhin in der Zone II die Ladung der p-Säule genau die Ladung des umgebenden n-Gebietes 5 kompensiert und daß in der Zone III die Ladung der p-Säule noch nicht die Ladung des umgebenden n-Gebiets 5 überwiegt. Wesentlich ist also, daß die Ladung der p-Gebiete 5 variabel ist, während die Ladung der n-Gebiete 4 jeweils konstant ist. Es ist hier wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen aber auch möglich, daß die Ladung der p-leitenden Gebiete 5 konstant ist und die Ladung der n-leitenden Gebiet variiert wird. Ebenso ist es möglich, in beiden Gebieten 4 und 5 die Ladung variabel zu gestalten.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das auf einfache Weise die Herstellung der Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps mit der gewünschten variablen Dotierung erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps mittels Dotierung aus Trenchen und deren Auffüllung derart gebildet werden, daß in Be- reichen nahe der ersten Oberfläche Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und im Bereich nahe der zweiten Oberfläche Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper angewandt. Es ist aber auch möglich, die Erfindung auf andere halbleitende Materialien, wie beispielsweise Verbindungshalbleiter, Silizi- umcarbid usw. anzuwenden.
Die Ätzung der Trenche kann durch geeignete Wahl von Prozeßparametern so eingestellt werden, daß sich für die Trenche eine definierte Seitenwandneigung ergibt, so daß beispielsweise Trenche entstehen, die mit zunehmender Tiefe eine geringere Querschnittsfläche haben. Für beispielsweise n-Typ- Kompensationsbauelemente kann dann die erforderliche n-Dotierung mit beispielsweise Phosphor für den stromführenden Pfad wahlweise über die Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers oder über eine über der gesamten Trenchtiefe konstante Seitenwanddotierung des Trenches erfolgen. Eine solche Seitenwanddotierung kann durch Belegungsprozesse, Dotierung aus der Gasphase, Plasmadotierung oder durch Auftragen epitaktisch abgeschiedener, dotierter Schichten in den Trenchen erfolgen. Bei dem Beispiel der n-Typ-Kompensationsbauelemente wird sodann der Trench mit homogen epitaktisch aufgewachsenem Halbleitermaterial, also beispielsweise Silizium, vom p-Typ teilweise oder ganz verschlossen. Damit wird der gewünschte Gradient der Kompensation von p-dominiert bzw. p-lastig zu n-dominiert bzw. n-lastig mit zunehmender Tiefe des Trenches erreicht.
Es ist also möglich, über die Geometrie des Trenches den vertikalen Verlauf der Dotierung einzustellen, was einerseits durch das Profil der Trenchwand und/oder andererseits durch den Grundriß der Trenches geschehen kann. Bei linearen, ge- streckten Trenchstrukturen ist dann das Verhältnis der effektiven Dotierung proportional zum Trenchdurchmesser, während bei kreis- bzw. säulenförmigen Trenches die Trenchöffnung an der Ober- bzw. Unterkante im Quadrat entsprechend der Kreisfläche eingeht. Entsprechend kann beispielsweise bei kreis- förmigen Trenches und homogener n-Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers anstelle einer epitaktischen Auffüllung auch eine Seitenwanddotierung vom p-Leitungstyp verwendet werden.
Unter bestimmten Umständen ist eine Trenchätzung mit streng vertikalem Seitenwandprofil einfacher zu erzielen als ein Trench mit einem sich verjüngenden Querschnitt. Um dennoch insgesamt diesen sich verjüngenden Querschnitt zu erreichen, kann eine definiert abgestufte Verjüngung des Trenchprofils in die Tiefe des Trenches mit Hilfe eines oder mehrerer Abstandshalter- bzw. Spacerätzschritte erzielt werden. Es wird hier mit einer ersten Trenchätzung bis zu einer gewissen Teiltiefe begonnen. Anschließend wird ein Seitenwandspacer in üblicher Weise, beispielsweise durch Oxidabscheidung und an- isotrope Rückätzung, gebildet. Es schließt sich sodann eine weitere Trenchätzung an, wobei diese Schritte gegebenenfalls mehrfach zu wiederholen sind. Schließlich werden die Maske und der Spacer entfernt.
In einer Variation des obigen Verfahrens ist es möglich, beispielsweise eine Abstufung einer p-Dotierung mit zunehmende-r Trenchtiefe durch eine mehrfach unterbrochene Trenchätzung zu erreichen. Eine Möglichkeit besteht nun darin, die Seitenwanddotierung jeweils nach Erreichen einer gewissen Teiltiefe der Trenchätzung vorzunehmen, so daß eine erhöhte Dotierungsdosis in den oberen Teilen des Trenches durch Addition der jeweiligen Teildotierungen ergibt. Dieses Verfahren läßt sich beispielsweise auch mit einer Ionenimplantation nach jedem Teilätzschritt kombinieren, indem beispielsweise die im Boden des Trenches implantierte Dosis jeweils direkt nach dem Implantationsschritt ausdiffundiert wird, wobei der so lateral ausdiffundierte Anteil der Dosis vom nächsten Trenchteilätz- schritt nicht entfernt wird. Abschließend werden schließlich die so erhaltenen einzelnen p-leitenden Gebiete durch Diffu- sion verbunden. Erfolgt die Ionenimplantation unter einem geringen Winkel bezüglich der Tiefe des Trenches, so ergibt sich auch eine gewisse Dotierung in den Seitenwänden des Trenches. Die Abnahme der Dotierung mit der Tiefe des Trenches kann ohne weiteres über eine gezielte Einstellung der Implantationsdosis in jeder Ebene vorgenommen werden.
Bei Verwendung von Dotierverfahren, die sich durch Materialien wie Photolack maskieren lassen, was insbesondere für Ionenimplantation und Plasmadotierung gilt, kann eine mehrfach abgestufte Seitenwanddotierung der Trenches auch dadurch erreicht werden, daß im Anschluß an eine durchgehende tiefe Trenchätzung der Trench mit einem Material hinreichend niedriger Viskosität, wie beispielsweise Photolack, wieder teilweise aufgefüllt wird. Sodann kann durch einfache Ätzverfah- ren diese Füllung aus Photolack stufenweise wieder entfernt werden, wobei bei jedem Schritt dazwischen der jeweils freiliegende Teil der Seitenwand des Trenches dotiert wird. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Dotierungskonzentration in den oberen Teilen des Trenches durch Addition der jeweiligen Teildosen der einzelnen Dotierungen.
Bei Dotierungsverfahren, die sich nicht mit Lack maskieren lassen, wie beispielsweise bei Belegungsverfahren, kann das gerade oben erläuterte Verfahren so abgewandelt werden, daß der Trench zusätzlich mit einer Isolierschicht, beispielsweise Siliziumdioxid, das durch ein CVD-Verfahren abgeschieden ist, gefüllt und stufen weise rückgeätzt wird. Alternativ ist es aber auch möglich, vor dem Einbringen des Photolacks in den Trench diesen mit der Isolierschicht, also beispielsweise thermisch abgeschiedenem Siliziumdioxid, auszukleiden und nach dem Rückätzen des Lacks den freiliegenden Teil der Isolierschicht durch Ätzen zu entfernen. Nach Abtragen des Restphotolacks bleibt so ein beliebig festzulegender unterer Teil des Trenches gegen Dotierung maskiert.
Durch geeignete Wahl der Prozeßparameter kann die Seitenwanddotierung des Trenches aus der Gasphase heraus so eingestellt werden, daß sich eine Verarmung des Dotierstoffes zum Trench- boden hin ergibt, wie dies beispielsweise für eine p-Dotie- rung gewünscht wird. Dies gilt insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen der Trenchätzung, wie sie bei Kompensationsbauelementen mit hoher Durchbruchsspannung und niedrigem Einschaltwiderstand notwendig sind. Alternativ kann dies auch durch eine nicht konforme epitaktische Abscheidung von bei- spielsweise einer p-leitenden Halbleiterschicht im Trench erreicht werden.
Zusätzlich ist es auch möglich, während der epitaktischen Abscheidung noch ein ätzendes Medium, beispielsweise Salzsäure, beizugeben: überwiegt die Äbscheidung die Ätzung, so ergibt sich ein Profil, das beispielsweise eine erhöhte n-Dotie- rungskonzentration in Richtung auf den Trenchboden aufweist.
Bei Implantationsverfahren kann durch geeignete Kombinationen von Rotation, Verkippungswinkel und Energie der Dotierstoff Ionen unter Ausnutzung der Ionenstreuung an den Trenchseiten- wänden eine mit der Tiefe abnehmende Dosis der Dotierung erreicht werden. Hierzu ist es im allgemeinen erforderlich, den Halbleiterkörper mit verschiedenen Verdrehungswinkeln zu im- plantieren, um so keine Asymmetrie verschieden orientierter Trenchwände zu erhalten. Bei hohen Aspektverhältnissen im Trench kann es zweckmäßig sein, sukzessiv verschiedene Verkippungswinkel anzuwenden, wobei gegebenenfalls auch eine Implantation unter einem Winkel von 0° erfolgen kann.
Bekanntlich können bestimmte Arten von Defekten zu einem anisotropen Diffusionsverhalten im Kristall führen. Diese Eigenschaft kann zu einer gezielten Tiefdiffusion von beispielsweise p-leitenden Säulen entlang der Defekte ausgenutzt werden, wobei sich hier durch den Diffusionsgradienten automatisch eine Erniedrigung der Dotierungskonzentration mit zunehmender Tiefe der Defekte ergibt. Die Defekte können beispielsweise mit einer extremen Hochenergie-Implantation flächig im Halbleiterkörper erzeugt werden, worauf eine maskier- te Einbringung von beispielsweise p-leitendem Dotierstoff mit anschließender Tiefdiffusion erfolgt. Anschließend sind dann die Defekte auszuheilen.
Wird ein vertikaler Trench mit konstanter, beispielsweise p- leitender Seitenwanddotierung oder epitaktischer p-Typ-Fül- lung verwendet, kann eine Verschiebung des Kompensationsgrades in Richtung auf p-Dominanz zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin auch durch eine flächige n-leitende Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers erreicht werden, deren Dotie- rungskonzentration zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin abnimmt .
Dies kann beispielsweise durch Grundmaterial mit mehreren Epitaxieschichten unterschiedlicher n-Dotierung oder durch eine graduierte Dotierung während der Abscheidung erfolgen-: Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen n-Dotierstoff von der Rückseite des Halbleiterkörpers her einzudiffundieren, wobei der Halbleiterkörper unter Umständen relativ dünn sein sollte, um sonst notwendige lange Diffusionszeiten beherrschbar zu machen.
Eine typische Erscheinung bei plasmaunterstützten anisotropen Trenchätzungen insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen von Trenchen ist die Abnahme der Trenchtiefe mit dem Maß der
Trenchöffnung bei gegebener Ätzzeit. Es ergeben sich so verschiedene Möglichkeiten, diese Erscheinung für die Realisierung von vertikal abgestuften p-Dotierungsprofilen auszunutzen. Es kann so ein zentraler Trench mit voller Zieltiefe ge- ätzt werden, wobei unmittelbar benachbarte "Satelliten"-
Trenches einen reduzierten Durchmesser haben. Gegebenenfalls kann so auch eine mehrfache Abstufung erzielt werden. Der zentrale Trench wird dann beispielsweise mit einer homogenen n-Dotierung versehen, während die Satelliten-Trenches mas- kiert werden. Anschließend werden sodann alle Trenches mit einer p-Dotierung ausgestattet. Wahlweise kann auch die n- Dotierung homogen als Hintergrunddotierung im Halbleiterkörper vorhanden sein. Da die dotierten Gebiete bei einem Kompensationsbauelement im Sperrfall vollständig von beweglichen Ladungsträgern ausgeräumt werden, spielt die laterale räumliche Trennung der Trenches keine große Rolle. Es verbleibt im räumlichen Mittel ein Überschuß an p-Ladungsträgern bis zu der jeweils durch die Nachbar-Trenches vorgegebenen Tiefe. Mit diesem Konzept lassen sich p- und n-leitende "Säulen" auch räumlich trennen, so daß beispielsweise der zentrale Trench als ein n-dotierter Elektronenpfad verwendet werden kann, während mit den im Durchmesser stufenweise reduzierten und damit auch in der Tiefe reduzierten Satelliten-Trenches eine schrittweise p-Kompensation erreicht wird.
Die angegebenen Möglichkeiten zur Realisierung von vertikaten Dotierungsgradienten bei Kompensationsbauelementen sind insbesondere bei Trenchtechnik maßgebend, da sie es gestatten, den Ort des Durchbruchs in die Trenchmantelflache und damit weg von kritischen Stellen wie dem Trenchboden zu verlegen.
Durch die erfindungsgemäße größere beherrschbare Streuung ist es außerdem möglich, die notwendigen engen Anforderungen an die Fertigungstoleranzen hinsichtlich Ätzmaß der Trenchätzung, Dosis der verschiedenen Seitenwanddotierungen bzw. Fül- lungen usw., soweit anzuheben, daß ein fertigbares Halbleiterbauelement entsteht.
Es ist möglich, die Prozeßparameter von Epitaxieprozessen so einzustellen, daß die Abscheidung auf oxidbedeckten Oberflä- chen unterdrückt ist, so daß eine selektive Epitaxie vorliegt. Wird nun nach einer Trenchätzung, die über ein Oxidmaske vorgenommen wird, diese Maske auf dem Halbleiterkörper belassen und wird sodann in üblicher Weise ein dünner Oxid- seitenwandspacer im Trench beispielsweise durch thermische Oxidation und anschließende anisotrope Rückätzung des Oxids erzeugt, so kann mit dem Verfahren der selektiven Epitaxie eine Füllung des Trenches mit monokristallinem Silizium erreicht werden, die jedoch durch die Oxidbedeckung der Seitenwand vom Trenchboden her beginnend aufwächst. Dadurch besteht die Möglichkeit, während des Epitaxieprozesses die Dotierung zu ändern und damit grundsätzlich beliebige vertikale Dotierungsverläufe zu erzielen. Die jeweilige konstante Gegendotierung kann wahlweise als homogene Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers vorhanden sein oder über eine Trenchseiten- wanddotierung vor der Erzeugung des Oxidseitenwandspacers er- folgen. Die Elektronen- und Lochstrompfade sind damit vertikal durch einen Isolator getrennt, was aber für die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Kompensationsbauelementes unerheblich ist.
Grundsätzlich sind diejenigen Verfahren, bei denen die Nett-o- p-Lastigkeit zur Oberfläche des Halbleiterkörpers hin durch Variation der p-Dotierung bei konstanter n-Dotierung erreicht wird, demjenigen Verfahren vorzuziehen, die entweder aus- schließlich oder zusätzlich einen vertikalen Gradienten in der n-Dotierung aufweisen, da bei letzteren der Einschaltwiderstand erhöht ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 Schnittdarstellungen zur Erläuterung verschiedener Verfahren zur Trenchätzung mit definierter Seitenwandneigung,
Fig. 4a bis 4d Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines
Verfahrens zur Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und stufenweisen Spacer,
Fig. 5a, 5b, 6a und 6b Schnittdarstellungen zur Erläuterung von zwei Varianten einer Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung bei mehrfach unterbrochener Trenchätzung,
Fig. 7a bis 7d Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer
Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung durch mehrfach gestufte Rückätzung einer Lackfüllung, Fig. 8a bis 8d Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer
Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung durch mehrfach gestufte Rückätzung einer Oxidfüllung bzw. Lackfüllung, die mit einem Wandoxid kombiniert ist, -
Fig. 9a bis 9c Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer
Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und gestufter Seitenwanddotierung durch mehrfach gestufte Rückätzung einer Lackfüllung und Trenchaufweitung durch isotrope Ätzung,
Fig. 10a, 10b und 11 Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens mit einem stufenlos variierenden Seitenwandprofil durch diffusionslimi- tierte Dotierung oder Füllung,
Fig. 12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem ein variierendes Seiten- wandprofil durch Ionenimplantation erzeugt wird,
Fig. 13 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens mit einer variablen Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers,
Fig. 14a bis 14c Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem Trenches unterschied- licher Querschnitte kombiniert werden,
Fig. 15a bis 15d Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem ein Trench mit vertikaler Seitenwand und eine Füllung mit selek- tiver Epitaxie verwendet werden, und Fig. 16 einen Schnitt durch ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement .
Die Fig. 16 ist bereits eingangs erläutert worden. -
In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Trench 11 in einem n-leitenden Halbleitergebiet 4, wobei dieser Trench 11 epitaktisch durch Halbleitermaterial gefüllt ist, so daß ein p-leitendes Gebiet 6 entsteht. Der Trench 11 hat eine sich nach unten zu seinem Boden verjüngende Struktur, d.h., er wird mit zunehmender Tiefe immer schmaler.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung kann für n-Typ-Kompensa- tionsbauelemente verwendet werden. Die für diese Bauelemente erforderliche n-Dotierung des stromführenden Pfades wird über die Hintergrunddotierung, d.h. die Dotierung des Gebietes 4 im Silizium-Halbleiterkörper erreicht.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Trench 11 in seinen Wandflächen mit einer Seitenwanddotierung versehen ist, so daß in einem i-leitenden Halbleiterkörper 1 das n-leitende Gebiet 4 durch die Seitenwände des Trenches 11 gebildet wird. Die in Fig. 2 gezeigte Struktur kann durch Belegungsprozeß, Dotierung aus der Gasphasen, Plasmadotierung oder durch epitaktische Abscheidung einer entsprechenden Schicht gebildet werden.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 werden die p- leitenden Gebiete 5 durch epitaktisches Aufwachsen von Sili- zium gebildet. In beiden Fällen wird der gewünschte Gradient der Kompensation von p-lastig zu n-lastig mit zunehmender Tiefe des Trenches 11 erreicht. Über die Geometrie des Trenches 11 kann so der vertikale Verlauf der Dotierungskonzentration eingestellt werden, was einerseits durch das Profil der Trenchwand (vgl. Fig. 2) und andererseits auch über den Grundriß des Trenches 11 geschieht. Bei linearen, gestreckten Trenchstrukturen ist das Verhältnis der effektiven Dotierung proportional zu dem Durchmesser des Trenches 11, während bei kreis- bzw. säulenförmigen Trenches 11 die Trenchöffnung an der Ober- bzw. Unterkante entsprechend der Kreisfläche im Quadrat eingeht.
Es ist auch möglich, bei kreisförmigen Trenches 11 und einer homogenen p-leitenden Hintergrunddotierung anstelle einer epitaktischen Auffüllung des Trenches 11 eine Seitenwanddotierung vom n-Typ vorzusehen, so daß bei einem nach unten breiter werdenden Trench mit zunehmender Tiefe ein Übergang von p-Lastigkeit zu n-Lastigkeit erfolgt (vgl. Fig. 3).
Die Fig. 4a bis 4d zeigen ein Verfahren, bei dem eine Trenchätzung mit vertikaler Seitenwandneigung und einen stufenweisen Spacer vorgenommen wird. Unter bestimmten Umständen ist nämlich eine Trenchätzung mit einem streng vertikalen Seitenwandprofil einfacher zu erzielen als ein schräges Sei- tenwandprofil, wie dieses bei den Verfahren gemäß den Fig. 1 bis 3 verwendet wird. Bei einer vertikalen Seitenwandneigung kann eine definiert abgestufte Verjüngung des Trenchprofils nach unten mit Hilfe eines oder mehrerer Spacerätzschritte erzielt werden. Zunächst wird in einem ersten Ätzschritt mit Hilfe einer Maskierungsschicht 12 in einen n-leitenden Halbleiterkörper ein erster Trench 14 bis zu einer bestimmten Teiltiefe eingebracht (vgl. Fig. 4a). Sodann wird ein Seiten- wandspacer beispielsweise durch Abscheidung von Siliziumdioxid und anisotrope Rückätzung in üblicher Weise erzeugt (vgl. Fig. 4b) . Es folgt anschließend eine weitere Trenchätzung, bei der der mit dem Seitenwandspacer 15 belegte Trench 14 an seinem Boden "vertieft" wird, so daß ein Trench 16 entsteht (vgl. Fig. 4c) .
Gegebenenfalls können diese Schritte mit einer Seitenwandbe- legung und einem Vertiefen des Trenches mehrmals wiederholt werden.
Nach Entfernung der Maskierungsschicht 12 und des Seiten- wandspacers 15 wird schließlich eine Struktur erhalten, bei der ein Trench 17 sich nach unten stufenartig verjüngt (vgl. Fig. 4d) .
Abschließend kann dieser Trench 17 in der anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten Weise behandelt werden: Der Trench 17 wird beispielsweise epitaktisch mit p-leitendem Silizium gefüllt, so daß ein p-leitendes Gebiet 5 entsteht, dessen Breite stu- fenartig von oben nach unten abnimmt. Es ist aber auch möglich, eine Seitenwanddotierung entsprechend dem Beispiel von Fig. 2 vorzunehmen.
Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, bereits nach dem Schritt der Fig. 4c eine n-Seitenwanddotierung einzubringen, die dann im oberen Teil des Trenches 16 durch den Seitenwandspacer 15 maskiert wird. Dadurch kann in Kombination mit anschließenden n- und/oder p-Seitenwanddotierungen nach Entfernung des Seitenwandspacers 5 ein Nettoüberschuß an p- Ladungsträgern im oberen Trenchteil erzielt werden.
Bei einem Trenchätzverfahren mit vertikaler Seitenwand, wie dieses oben anhand der Fig. 4a bis 4d erläutert wurde, kann eine Abstufung der p-Dotierung mit zunehmender Trenchtiefe auch durch eine mehrfach unterbrochene Trenchätzung erreicht werden. Dies ist möglich, indem beispielsweise die Seitenwanddotierung jeweils nach Erreichen einer bestimmten Teiltiefe der Trenchätzung vorgenommen wird. Ein solches Beispiel ist in Fig. 5a gezeigt, in welcher nach Ätzen eines Trenches 14 eine Seitenwanddotierung zur Erzeugung eines p-leitenden Gebietes 5 erfolgt. Nach dieser Dotierung wird der Trench 1-4 weiter vertieft, und es schließt sich sodann eine weitere Seitenwanddotierung an, bei der sich die Dotierungen in dem oberen Trenchteil überlagern und dort eine erhöhte Dotie- rungskonzentration bewirken (vgl. Fig. 5b). Es liegt hier also eine erhöhte Wanddosis in den oberen Teilen des Trenches 14 vor, die auf der Addition der jeweiligen Teildosen bei den einzelnen Dotierungen nach Erreichen einer jeweiligen Teiltiefe beruht.
Dieses Vorgehen läßt sich beispielsweise auch bei einer Ionenimplantation nach jedem Teilätzschritt anwenden (vgl. Fig. 6a) : Nach Einbringen des Trenches 14 wird eine Ionenimplantation (vgl. Pfeile 18) vorgenommen, so daß ein p-leitendes Ge- biet am Boden des Trenches 14 entsteht. Der Trench 14 wird anschließend in einem weiteren Ätzschritt vertieft, und es folgt eine erneute Ionenimplantation (vgl. Fig. 6b). Auf diese Weise entstehen p-leitende Gebiete 5 am Rand und am Boden des Trenches 14, die abschließend durch eine Diffusion mit- einander verbunden werden. Dieses Verbinden kann unterstützt werden, indem die Ionenimplantation unter einem geringen Winkel zur Tiefenrichtung des Trenches 14 vorgenommen wird, bei der eine gewisse Dosis der implantierten Ionen auch die Seitenwände des Trenches 14 erreicht. Die Abnahme der Netto-p- Konzentration mit der Tiefe des Trenches 14 kann einfach durch die gezielte Einstellung der Ionenimplantationsdosis in jeder Ebene des Bodens der jeweiligen Teiltrenche erfolgen. Bei Verwendung von Dotierverfahren, die sich durch Materialien wie Photolack maskieren lassen, was insbesondere für Io- nenimplantations- und Plasmadotierverfahren gilt, kann die mehrfach gestufte Seitenwanddotierung der Beispiele der Fig. 5a, 5b, 6a, 6b auch dadurch erreicht werden, daß im Anschluß an eine durchgehende tiefe Trenchätzung (vgl. Fig. 7a) der Trench durch ein Material hinreichend niedriger Viskosität, wie beispielsweise Photolack 19, wieder gefüllt wird (vgl. Fig. 7b) . Sodann wird durch einfache Ätzverfahren der Photolack 19 stufenweise entfernt, wobei nach jedem Abtragen des Photolacks 19 der dann jeweils freiliegende Teil der Seitenwand des Trenches 14 mit p-Dotierstoff, beispielsweise Bor, dotiert wird (vgl. Fig. 7c) wodurch sich schließlich durch Mehrfach-Dotierung eine erhöhte Wanddosis in den oberen Teilen durch die Addition der jeweiligen Teildosen ergibt (vgl. Fig. 7d) .
Bei Dotierungsverfahren, die sich nicht mit Lack maskieren lassen, also beispielsweise bei allen Belegungsverfahren, kann das anhand der Fig. 7a bis 7d erläuterte Ausführungsbeispiel auch so abgewandelt werden, daß der Trench 14 mit Siliziumdioxid, beispielsweise durch CVD (chemische Dampfabschei- düng) gefüllt und sodann stufenweise rückgeätzt wird. Anstelle des Photolacks 19 der Fig. 7a bis 7d wird also Siliziumdioxid verwendet.
Da aber eine void- bzw. hohlraumfreie Oxidauskleidung bei ho- hen Aspektverhältnissen des Trenches 14 technisch sehr anspruchsvoll ist, kann alternativ in der folgenden Weise vorgegangen werden: Vor dem Einbringen des Photolacks 19 in den Trench 14 wird dieser zunächst mit einer Siliziumdioxidschicht 20 ausgekleidet, was durch ein thermisches Verfahren geschehen kann (vgl. Fig. 8a). Es wird sodann Photolack 19 eingebracht und rückgeätzt (vgl. Fig. 8b), und der freiliegende Teil der Oxidschicht 20 wird entfernt (vgl. Fig. 8c), was durch Ätzen geschehen kann. Anschließend wird sodann der Rest-Photolack 19 abgetragen, so daß ein beliebig festzule- gender unterer Teil des Trenches 14 durch die verbleibende Siliziumdioxidschicht 20 gegen Dotierung maskiert ist. Auf diese Weise kann ein abgestuftes Dotierungsprofil mit p-Do- tierstoff erhalten werden, dessen Dotierungsmenge von oben nach unten abnimmt.
Das oben anhand der Fig. 7a bis 7g erläuterte Verfahren läß-t sich auch mit einer isotropen Siliziumätzung anstelle des Schrittes der Fig. 7c kombinieren, das zu einer ähnlich gestuften Trenchform wie bei dem Verfahren gemäß den Fig. 4a bis 4d führt. Weiterhin läßt sich damit eine mit der
Trenchtiefe zunehmende n-Dotierung erreichen, indem nach der Trenchätzung eine n-Seitenwanddotierung vorgenommen wird (vgl. Fig. 9a), anschließend der untere Teil des Trenches mit beispielsweise Photolack 19 abgedeckt wird und die Trenchwand des darüberliegenden Teiles partiell abgetragen wird, so daß dort der Trench 14 eine größere Breite besitzt. Mit diesem Abtragen der Trenchwand werden auch Teile der n-Seitenwanddo- sis entfernt (vgl. Fig. 9b), so daß schließlich in Kombination mit einer anschließenden p-Dotierung oder p-Füllung schließlich ein zur Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 hin zunehmenden Überschuß an p-Ladungsträgern besteht.
Durch geeignete Wahl der Prozeßparameter kann die Seitenwanddotierung des Trenches 14 aus der Gasphase heraus so einge- stellt werden, daß sich eine Verarmung des Dotierstoffes zum Trenchboden hin ergibt, wie dies für die p-Dotierung gewünscht ist. Es entsteht so ein "diffusionskontrollierter" Bereich. Dies gilt insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen der Trenchätzung, wie sie bei Kompensationsbauelementen mit hoher Durchbruchsspannung und niedrigem Einschaltwiderstand notwendig sind. Alternativ kann dies auch durch eine nicht konforme epitaktische Abscheidung vom p-Typ im Trench erreicht werden, was ebenfalls durch geeignete Wahl der Prozeßparameter für den diffusionskontrollierten Bereich erreicht werden kann. Zusätzlich gewinnt man hier einen Freiheitsgrad für die Optimierung, in dem der epitaktische Abscheidungspro- zeß graduell von einer konformen Abscheidung einer p-leitenden Schicht 21 (vgl. Fig. 10a) hin zu einer nicht konformen Abscheidung einer p-leitenden Schicht 22 (vgl. Fig. 10b) variiert wird.
Ein gegenteiliger Effekt kann mit einer epitaktischen Abscheidung vom n-Typ erreicht werden, bei der während der Abscheidung selbst auch ein ätzendes Medium, beispielsweise Salzsäure, beigefügt wird. Überwiegt die Abscheidungsrate die Ätzrate, so ergibt sich ein Profil, bei dem eine erhöhte n- Dotierung in Richtung auf den Trenchboden vorliegt (vgl. Fig. 11) .
Bei Implantationsverfahren kann durch geeignete Kombination von Rotation, Verkippungswinkel und Energie der Dotierstoff Ionen unter Ausnutzung der Ionenstreuung an den Seitenwänden des Trenches 14 eine mit der Tiefe abnehmende Dosis erreicht werden (vgl. Fig. 12). Hierzu ist es im allgemeinen erforder- lieh, den Halbleiterkörper 1 unter verschiedenen Verkippungs- winkeln zu implantieren, um keine Asymmetrie unterschiedlich orientierter Trenchwände zu erhalten. Weiterhin kann es bei hohen Aspektverhältnissen des Trenches in diesem erforderlich sein, mit einer sukzessiven Kombination von Verkippungswin- kein einschließlich einer Implantation unter einem Winkel von 0° zu arbeiten.
Ein derartiges Vorgehen ist schematisch in Fig. 12 mit einem Verkippungswinkel α der Ionenimplantation 18 angedeutet. Die geringere Dotierung mit zunehmender Trenchtiefe entsteht dadurch, daß die "reflektierten" Ionenstrahlen in ihrer Intensität zur Tiefe des Trenches 14 hin abnehmen, so daß dort eine zunehmend schwächere Dosis erhalten wird. Bestimmte Arten von Defekten können zu einem anisotropen Diffusionsverhalten im Silizium-Verbindungshalbleiter- oder Si- liziumcarbid-Kristall eines Halbleiterkörpers führen. Diese Eigenschaft kann zu einer gezielten Tiefdiffusion von bei- spielsweise p-leitenden Säulen entlang der Defekte ausgenutzt werden, wobei sich durch den Diffusionsgradienten automatis-ch eine Erniedrigung der Konzentration mit zunehmender Tiefe ergibt. Die Defekte können beispielsweise mit einer extremen Hochenergieimplantation flächig im Halbleiterkörper 1 erzeugt werden, worauf eine maskierte Einbringung des p-leitenden Dotierstoffes, also beispielsweise Bor, mit anschließender Tiefdiffusion erfolgt. Von Bedeutung ist selbstverständlich, daß die Defekte anschließend ausgeheilt werden können.
Sollte ein vertikaler Trench 14 mit konstanter p-Seitenwand- dotierung oder epitaktischer p-Typ-Füllung verwendet werden, kann eine Verschiebung des Kompensationsgrades in Richtung auf p-Lastigkeit zur Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 hin auch durch eine flächige n-Hintergrunddotierung erreicht wer- den, deren Konzentration zur Oberfläche hin abnimmt. Dies kann beispielsweise durch ein Grundmaterial mit mehreren Epitaxieschichten 23, 24, 25 unterschiedlicher n-Dotierung (vgl. Fig. 13) oder durch graduierte Dotierung während der Abscheidung erfolgen. So ist in Fig. 13 beispielsweise die Schicht 23 stärker dotiert als die Schicht 24, und die Schicht 24 ist wiederum stärker dotiert als die Schicht 25.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Eindiffusion eines n- Dotierstoffes von der Rückseite des Halbleiterkörpers her, wobei dann der Halbleiterkörper relativ dünn ausgeführt sein muß, um gegebenenfalls lange Diffusionszeiten zu vermeiden.
Ein typisches Phänomen bei plasmaunterstützten anisotropen Trenchätzungenn insbesondere bei hohen Aspektverhältnissen ist bekanntlich die Abnahme der Trenchtiefe mit dem Maß der Trenchöffnung bei gegebener Ätzzeit. Es ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, dieses Phänomen für die Realisierung von vertikal abgestuften p-Dotierungsprofilen auszunutzen.
Fig. 14a zeigt eine solche Möglichkeit: es wird mit einem
Ätzschritt sowohl ein zentraler Trench 28 mit voller Zielt-ie- fe sowie unmittelbar benachbarte Satelliten-Trenche 26 mit reduziertem Durchmesser geätzt. Der Trench 28 wird in dem i- leitenden Halbleiterkörper 1 mit einem n-leitenden Gebiet 4 versehen. Anschließend werden die Trenche 25, 26 mit p-leitendem Halbleitermaterial, also insbesondere Silizium, gefüllt.
Gegebenenfalls ist es auch möglich, eine mehrfache Abstufung vorzusehen, wie dies in Fig. 14b angedeutet ist.
Eine andere Möglichkeit ist in Fig. 14c gezeigt: hier ist der zentrale Trench 28 mit einer homogenen n-Dotierung versehen, so daß ein n-leitendes Gebiet 4 vorliegt, während die Satel- liten-Trenche 26 eine p-Dotierung aufweisen und p-leitende Gebiete 5 bilden.
Gegebenenfalls ist es aber auch möglich, die n-Dotierung homogen als Hintergrunddotierung vorzusehen.
Hierbei ist zu beachten, daß die dotierten Gebiete bei einem Kompensationsbauelement im Sperrfall vollständig von beweglichen Ladungsträgern ausgeräumt werden. Daher spielt die laterale räumliche Trennung der Trenche 25, 26 keine große Rolle. Es verbleibt im räumlichen Mittel, ein p-Überschuß bis zu der jeweils durch die Nachbartrenche vorgegebenen Tiefe. Es lassen sich also die p- und n-"Säulen" auch räumlich trennen, wie dies im Beispiel von Fig. 14c gezeigt ist: der zentrale Trench 28 wird als n-dotierter Elektronenpfad verwendet, wäh- rend mit dem im Durchmesser stufenweise reduzierten und damit auch in der Tiefe verringerten Satelliten-Trenches 26 eine schrittweise p-Kompensation erreicht wird.
Die oben angegebenen Möglichkeiten zur Realisierung von ver- tikalen Dotierungsgradienten bei Kompensationsbauelementen sind insbesondere bei Trenchtechnik maßgebend, da sie es gestatten, den Ort des Durchbruchs in die Trenchmantelflache und damit weg von kritischen Stellen wie dem Trenchboden zu verlegen. Durch die bei der vorliegenden Erfindung erzielte größere beherrschbare Streuung ist es weiterhin möglich, die notwendigen engen Anforderungen an die Fertigungstoleranzen hinsichtlich Ätzmaß der Trenchätzung, Dosis der verschiedenen Seitenwanddotierungen bzw. Füllungen usw. so weit anzuheben, daß ein in hohem Maße fertigbares Bauelement entsteht.
Schließlich ist es möglich, die Prozeßparameter von Epitaxieprozessen so einzustellen, daß die Abscheidung auf oxidbedeckten Oberflächen unterdrückt ist und eine sogenannte "selektive Epitaxie" vorliegt. Wird nun nach einer Trenchät- zung, die über eine Maskierungsschicht 12 aus beispielsweise Siliziumdioxid durchgeführt wird, diese Maskierungsschicht 12 auf dem Halbleiterkörper 1 belassen, wie dies in Fig. 15a gezeigt ist und wird danach mit einem üblichen Verfahren ein dünner Seitenwandspacer 15 aus Siliziumdioxid im Trench 14 erzeugt, was beispielsweise durch thermische Oxidation und anschließende anisotrope Rückätzung des Siliziumdioxids geschehen kann (vgl. Fig. 15b), so kann mit dem Verfahren der "selektiven Epitaxie" eine Füllung des Trenches 14 mit monokristallinem Silizium 27 erreicht werden, das jedoch durch die Oxidbedeckung der Seitenwand vom Trenchboden her beginnend aufwächst (vgl. Fig. 15c). Dadurch besteht die Möglichkeit, während des Epitaxieprozesses die Dotierung zu ändern und damit im Prinzip beliebige vertikale Dotierungsverläufe zu erreichen. Die jeweilige konstante Gegendotierung kann wahlweise als homogene Hintergrunddotierung des Halbleiter- körpers 1 vorhanden sein oder aber über eine Trenchseiten- wanddotierung vor der Erzeugung des Spacers 15 erfolgen. Die Elektronen- bzw. Lochstrompfade sind damit vertikal durch einen Isolator getrennt (vgl. Fig. 15d) , was aber für die prin- zipielle Funktionsfähigkeit des Kompensationsbauelementes keine Rolle spielt. ~
Oben wurden verschiedene Verfahren zum Herstellen der Gebiete 4, 5 des in Fig. 16 dargestellten Halbleiterbauelements be- schrieben. Die übrigen Teile dieses Halbleiterbauelements, also insbesondere die erste Zone des ersten Leitungstyps, die Zone des zweiten Leitungstyps und die zweite Zone des ersten Leitungstyps sowie die mit diesen Zonen verbundenen Elektroden werden in üblicher Weise erzeugt, was durch entsprechende Diffusions-Ionenimplantations-Epitaxie- und Metallisierungsschritte geschehen kann.
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist also die Erzeugung der Gebiete des ersten und des zweiten Leitungstyps der- art, daß in Bereichen nahe einer ersten Oberfläche Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und in Bereichen nahe einer zweiten Oberfläche Ladungsträger des ersten Leitungstyps überwiegen, wie dies bei allen Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 15 der Fall ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem einen sperrenden pn-Übergang aufweisenden Halblei- terkörper, einer ersten Zone (7) eines ersten Leitungstyps, die mit einer ersten Elektrode (10) verbunden ist- und an eine den sperrenden pn-Übergang bildende Zone (6) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angrenzt, und mit einer zweiten Zone (1) des ersten Leitungstyps, die mit einer zweiten Elektrode (2) verbunden ist, wobei die der zweiten Zone (1) zugewandte Seite der Zone (6) des zweiten Leitungstyps eine erste Oberfläche (A) bildet und im Bereich zwischen der ersten Oberfläche (A) und einer zweiten Oberfläche (B) , die zwi- sehen der ersten Oberfläche (A) und der zweiten Zone (1) liegt, Gebiete (4, 5) des ersten und des zweiten Leitungstyps ineinander verschachtelt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gebiete (4, 5) des ersten und des zweiten Lei- tungstyps mittels Dotierung aus Trenchen (11, 14) und deren Auffüllung derart gebildet werden, daß in Bereichen (I) nahe der ersten Oberfläche (A) Ladungsträger des zweiten Leitungstyps und in Bereichen (III) nahe der zweiten Oberfläche (B) Ladungsträger des ersten Leitungs- typs überwiegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trenches (11) mit einem sich von der ersten zur zweiten Oberfläche ändernden Querschnitt eingebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Seitenwände der Trenches (11) homogen durch Belegung, Dotierung aus der Gasphase oder Plasmadotierung dotiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß auf den Seitenwänden der Trenches (11) eine dotierte epitaktische Schicht abgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trenches in wenigstens zwei Stufen (14; 16) mit in der Tiefe der Trenches kleiner werdendem Querschnitt eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Seitenwanddotierung (15) der Trenches (14, 16) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trenches (14) in mehreren Stufen eingebracht werden und nach jeder Stufe eine Dotierung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dotierung durch Ionenimplantation erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ionenimplantation unter einem geringen Winkel zur Senkrechten vorgenommen wird, so daß auch die Seitenwände der Trenches (14) dotiert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein eingebrachter Trench wenigstens einmal mit Photolack (19) gefüllt und nach jeder Lackfüllung eine Dotie- rung vorgenommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Teil des Trenches mit einer Isolierschicht (20) maskiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Trench nach einer Seitenwanddotierung teilweise mit Photolack (19) gefüllt und danach in seinem nicht mit Lack gefüllten Teil aufgeweitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Trench (14) eine nicht konforme epitaktische Abscheidung (22) vorgenommen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Variation von einer konformen (21) zu einer nicht konformen Abscheidung (22) vorgenommen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß während einer epitaktischen Abscheidung im Trench ein ätzendes Medium zur Einwirkung gebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Trench (14) eine Ionenimplantation oder einem Neigungswinkel (α) zur Tiefenrichtung des Trenches (14) vorgenommen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , ~ daß die Diffusion entlang von Defekten aus dem Trench (14) vorgenommen wird und die Defekte anschließend ausgeheilt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Trench in einem Halbleiterkörper mit einer variablen Hintergrunddotierung (23, 24, 25) eingebracht wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Trenches (25, 26) unterschiedlicher Tiefe und Breite eingebracht werden.
20. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Seitenwände der Trenches mit einer Isolierschicht (20) belegt und danach die Trenches epitaktisch mit Halb- leitermaterial (27) mit variablem Dotierungsverlauf gefüllt werden.
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