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Dokumentenidentifikation DE102005021302A1 23.11.2006
Titel Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Mauder, Anton, Dr., 83059 Kolbermoor, DE;
Niedernostheide, Franz-Josef, Dr., 48157 Münster, DE;
Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Barthelmess, Reiner, Dr., 59494 Soest, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 09.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005021302
Offenlegungstag 23.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/263(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 29/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 21/324(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 29/74(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 29/739(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 29/861(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper (100; 200; 300), der zwei einander abgewandte Oberflächen (101, 102; 201, 202; 301, 302) aufweist, in wenigstens einem (110, 120) sich an eine der Oberflächen (101, 102; 201, 202; 301, 302) des Halbleiterkörpers (100; 200; 300) anschließenden Bereich, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
- Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100; 200; 300) mit Teilchen über eine der Oberflächen (101, 102; 201, 202; 301, 302) des Halbleiterkörpers, so dass Defekte in dem Halbleiterkörper (100; 200; 300) erzeugt werden,
- Aufheizen des wenigstens einen Bereiches (110, 120) des Halbleiterkörpers (100) durch Bestrahlen der Oberfläche des Halbleiterkörpers (100), an welche sich dieser Bereich anschließt, mit Laserlicht.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper, insbesondere in einem sich an eine Oberfläche des Halbleiterkörpers anschließenden Bereich.

Die gezielte Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer stellt einen wesentlichen Aspekt bei der Herstellung von Leistungsbauelementen, wie beispielsweise Thyristoren, Dioden, MOSFET oder IGBT dar.

Zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer ist es bekannt, sogenannte leichte Ionen, wie beispielsweise Heliumionen, oder auch Protonen oder Elektronen in den Halbleiterkörper zu implantieren. Eine Implantation von Elektronen oder Protonen ist beispielsweise in der Veröffentlichung DE 39 13 123 A1 beschrieben.

Die in den Halbleiterkörper implantierten bzw. eingestrahlten Teilchen erzeugen in dem Halbleiterkörper sogenannte Primärdefekte. Wesentliche Primärdefekte sind dabei Leerstellen in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers und Zwischengitteratome in dem Kristallgitter. Die Leerstellen besitzen eine hohe Mobilität und bilden bei Ausheilprozessen, bei denen der Halbleiterkörper üblicherweise auf eine Temperatur zwischen 200°C und 250°C aufgeheizt wird, sogenannte Doppelleerstellen oder in Verbindung mit unvermeidlich vorhandenem Sauerstoff Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe. Diese Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe bilden Rekombinationszentren für die freien Ladungsträger und beeinflussen damit die Ladungsträgerlebensdauer. Die Ladungsträgerlebensdauer ist dabei um so geringer, je höher die Konzentration dieser als Rekombinationszentren dienenden Defekte in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers ist.

Während Ionen aufgrund ihrer geringeren Eindringtiefe in den Halbleiterkörper im Wesentlichen nur für die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in einem oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers geeignet sind, eignet sich eine Elektronenbestrahlung in Verbindung mit einem Temperaturprozess zur homogenen Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper. Voraussetzung ist, dass die Elektronen mit einer entsprechend hohen Energie, die über 270 keV liegen muss, in den Halbleiterkörper eingestrahlt werden.

Für verschiedene Leistungsbauelemente ist ein Profil der Ladungsträgerlebensdauer wünschenswert, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer in Bauelementbereichen, die in einer vertikalen Richtung beabstandet zu einer Oberfläche angeordnet sind, abgesenkt ist, und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer in einem oberflächennahen Bereich höher als in diesen zur Oberfläche beabstandeten Bereichen ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper zur Verfügung zu stellen, durch welches ein Lebensdauerprofil mit einer höheren Lebensdauer in oberflächennahen Bereichen und einer im Vergleich dazu niedrigeren Lebensdauer in beabstandet zu der Oberfläche angeordneten Bereichen erreicht wird.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper, der zwei einander abgewandte Oberflächen aufweist, ist vorgesehen, den Halbleiterkörper über eine der Oberflächen mit Teilchen zu bestrahlen, so dass Defekte in dem Halbleiterkörper erzeugt werden.

Die Defekte, die durch Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Teilchen erzeugt werden, wirken unmittelbar oder nach Durchführung einer Temperaturbehandlung, als Rekombinationszentren und senken somit die Ladungsträgerlebensdauer in solchen Halbleiterbereichen, in welchen diese Defekte vorhanden sind, ab. Durch die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Laserlicht werden gezielt oberflächennahe Bereiche des Halbleiterkörpers auf solche Temperaturen aufgeheizt, bei welchen die durch die Teilchenbestrahlung erzeugten Defekte ausheilen, so dass die Ladungsträgerlebensdauer in diesen oberflächennahen Bereichen wieder angehoben wird. Die Temperaturen, auf welche die oberflächennahen Bereiche des Halbleiterkörpers durch die Bestrahlung mit Laserlicht aufgeheizt werden, um die dort vorhandenen Defekte auszuheilen und die Ladungsträgerlebensdauer anzuheben, liegen oberhalb von 350°C, vorzugsweise oberhalb von 400°C.

Die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts muss so gewählt sein, dass das Laserlicht zu einer Erwärmung des Halbleiterkörpers in den Bereichen führt, die aufgeheizt werden sollen. Die Wellenlänge muss also kurz genug sein, damit das Licht im Halbleiter absorbiert wird. Für Silizium als Halbleitermaterial sollte die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts maximal etwa 1,1&mgr;m betragen.

Um den Halbleiterkörper aufzuheizen besteht auch die Möglichkeit, eine das Laserlicht absorbierende Schicht auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufzubringen. Diese Schicht erwärmt sich bei Bestrahlung mit Laserlicht und erwärmt dadurch den Halbleiterkörper. Die Wellenlänge des Laserlichts ist in diesem Fall an die Absorptionseigenschaften der verwendeten Schicht anzupassen.

Um den Halbleiterkörper lokal auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, ist eine bestimmte Bestrahlungsenergie pro Fläche erforderlich. Die Dauer der Bestrahlung muss dabei an diese Bestrahlungsenergie pro Fläche angepasst werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die absorbierte Energie durch die Wärmekapazität des Materials zu einem verzögerten Temperaturanstieg im Halbleiter führt, so dass die Bestrahlung gegebenenfalls bereits zu beenden ist, noch bevor die gewünschte Temperatur in den Bauelement entgültig erreicht ist.

Ein Bestrahlungspuls bzw. ein Bestrahlungsschritt darf insbesondere nicht zu lange dauern, weil sonst durch Wärmeleitung die Bereiche des Halbleiters, welche nicht stark erwärmt werden sollen, unzulässig heiß werden und es dort zu einem unerwünschten Ausheilen der Defekte und somit zu einem Anstieg der Ladungsträgerlebensdauer kommt.

Reicht die Dauer eines Pulses bzw. Bestrahlungsschritts nicht aus, um die Ladungsträgerlebensdauer in dem mittels Laserlichtbestrahlung aufgeheizten Bereich auf das gewünschte höhere Niveau zu bringen, so kann die Laserbelichtung nach einer Wartezeit, während der der Halbleiterkörper oder der lokale Halbleiterbereich abkühlt, wiederholt werden. Es ist auch möglich, den mit Laserlicht zu behandelnden Bereich mit einem Laserlichtstrahl, dessen Fläche deutlich kleiner ist als die zu bestrahlende Fläche, mehrmals zu "rastern" bzw. "zu beschreiben".

Der Anteil der zunächst durch Teilchenbestrahlung erzeugten Defekte in dem Halbleiterkörper, der durch die nachfolgende Laserbestrahlung ausgeheilt wird, ist unter anderem abhängig von der Dauer der Laserbestrahlung. Hierbei gilt, dass der Anteil der ausgeheilten Defekte umso größer ist, umso länger die Bestrahlung mit Laserlicht andauert.

An die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Teilchen schließt sich vor der Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Laserlicht vorzugsweise eine Temperaturbehandlung an, die dazu dient, die durch die Teilchenbestrahlung erzeugten Primärdefekte, wie beispielsweise Leerstellen und Zwischengitteratome, auszuheilen und Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe, die als Rekombinationszentren dienen, zu erzeugen.

Zur Erzeugung der Primärdefekte eignen sich insbesondere Elektronen, die mit Energien größer als 270 keV in den Halbleiterkörper eingestrahlt werden. Vorzugsweise werden die Elektronen mit einer Energie im Bereich von 1 MeV oder höher in den Halbleiterkörper eingestrahlt. Aufgrund der großen Eindringtiefe von Elektronen, die mit derart hoher Energie in den Halbleiterkörper eingestrahlt werden, lassen sich dadurch Primärdefekte erzeugen, die nahezu homogen in der Bestrahlungsrichtung über den Halbleiterkörper verteilt sind. Die Eindringtiefe von Elektronen, die mit einer Energie von 1 MeV in Silizium eingestrahlt werden, beträgt rund 2,5 mm, für höhere Bestrahlungsenergien entsprechend mehr. Die Ladungsträgerlebensdauer lässt sich dadurch nahezu homogen in dem gesamten Halbleiterkörper absenken. Die nachfolgende Anhebung der Ladungsträgerlebensdauer in oberflächennahen Bereichen kann dabei im Bereich der Oberfläche erfolgen, über welche die Elektronen in den Halbleiterkörper eingestrahlt wurden. Die Anhebung der Ladungsträgerlebensdauer durch Laserlichtbestrahlung kann jedoch auch im Bereich der gegenüberliegenden Oberfläche erfolgen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Ladungsträgerlebensdauer durch Laserlichtbestrahlung im Bereich beider sich gegenüberliegender Oberflächen des Halbleiterkörpers wieder anzuheben.

Soll die Ladungsträgerlebensdauer in einem größeren Tiefenbereich des Halbleiters angehoben werden, so kann durch beidseitige Bestrahlung die erforderliche Wärmediffusion zum Aufheizen des Halbleitervolumens reduziert und somit eine schärfere laterale, eventuell an beiden Oberflächen unterschiedliche Abgrenzung zwischen Bereichen hoher und niedriger Ladungsträgerlebensdauer erreicht werden.

Sowohl die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Teilchen als auch die Aufheizung oberflächennaher Bereiche des Halbleiterkörpers unter Verwendung von Laserlicht kann maskiert unter Verwendung geeigneter Masken erfolgen. Durch die maskierte Teilchenbestrahlung kann erreicht werden, dass Defekte nur in bestimmten, durch die Maske vorgegebenen Bereichen des Halbleiterkörpers erzeugt werden. Durch die maskierte Bestrahlung der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit Laserlicht kann erreicht werden, dass nur in bestimmten, durch die Maske vorgegebenen Bereichen des Halbleiterkörpers die Ladungsträgerlebensdauer wieder angehoben wird. Auf diese Weise lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens das Profil der Ladungsträgerlebensdauer sowohl in lateraler als auch in vertikaler Richtung in dem Halbleiterkörper einstellen.

Die Maske kann in Kontakt mit dem Halbleiterkörper oder beabstandet zu diesem angeordnet sein. Bei einer Maske, die in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche steht, kann diese reflektierend oder absorbierend für das Laserlicht ausgeführt werden. Reflektiert die Maske das Licht und/oder ist sie beabstandet von der Halbleiteroberfläche angeordnet, so kommt es in den maskierten Bereichen zu keiner Einkopplung des Lichts und folglich dort zu keiner Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer.

Eine aufliegende absorbierende Maske wird vorzugsweise dann verwendet, wenn die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts zu lang ist, um im Halbleiter absorbiert zu werden, wenn die Wellenlänge bei Silizium als Halbleitermaterial also länger als etwa 1,2&mgr;m ist. In der Maske erfolgt dann eine Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme, welche lokal in den Halbleiterkörper eindiffundiert und die Ladungsträgerlebensdauer lokal erhöht. Eine reflektierende oder beabstandete Maske von der Halbleiteroberfläche erfordert die Absorption des Laserlichts und seine Umwandlung in Wärme im Halbleiterkörper selbst und eine maximale Lichtwellenlänge, welche an das Halbleitermaterial angepasst ist, und die für Silizium als Halbleitermaterial also maximal etwa 1,1&mgr;m beträgt. Eine Erwärmung erfolgt bei einer solchen Maske in den Bereichen des Halbleiterkörpers, die durch die Maske freigelassen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen Halbleiterkörper im Querschnitt während verschiedener Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

2 veranschaulicht das vertikale Profil der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleiterkörper für eine erste Alternative des Verfahrens, bei welchem nur eine Oberfläche des Halbleiterkörpers mit Laserlicht bestrahlt wird.

3 zeigt das vertikale Profil der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleiterkörper für eine zweite Alternative des Verfahrens, bei dem beide Oberflächen des Halbleiterkörpers mit Laserlicht bestrahlt werden.

4 zeigt schematisch ein Bauelement im Querschnitt, bei dem wasserstoffinduzierte Donatoren durch Protonenbestrahlung erzeugt sind und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer im oberflächennahen Bereich angehoben ist.

5 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer im Zentralbereich eines Thyristors.

6 veranschaulicht das laterale Profil der Ladungsträgerlebensdauer in dem Thyristor gemäß 5.

7 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einer Leistungsdiode.

8 zeigt das vertikale Profil der Ladungsträgerlebensdauer für die Diode gemäß 6.

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

Die grundsätzlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der 1a und 1b erläutert. Diese Figuren zeigen schematisch einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100 im Querschnitt, der zwei einander gegenüberliegende Oberflächen 101, 102, die auch als Vorder- und Rückseite des Halbleiterkörpers 100 bezeichnet werden, aufweist. Der Halbleiterkörper 100 besteht beispielsweise aus Silizium.

Bezug nehmend auf 1a ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, den Halbleiterkörper wenigstens über eine der beiden Oberflächen 101, 102 mit Teilchen zu bestrahlen, wodurch Defekte in dem Halbleiterkörper 100 erzeugt werden. Diese Defekte sind zunächst überwiegend Primärdefekte in Form von Leerstellen in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers 100 oder in Form von Zwischengitteratomen.

An diese Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 mit Teilchen schließt sich vorzugsweise eine Temperaturbehandlung an, durch welche der Halbleiterkörper 100 für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, um aus den durch die Bestrahlung erzeugten Primärdefekten solche Defekte in dem Halbleiterkörper 100 zu erzeugen, die als Rekombinationszentren dienen. Solche als Rekombinationszentren dienende Defekte sind beispielsweise Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe.

Die Dauer dieser Temperaturbehandlung zur Umwandlung der Primärdefekte in als Rekombinationszentren dienende Defekte beträgt bei Silizium als Material des Halbleiterkörpers 100 zwischen einigen Minuten und vielen Stunden, vorzugsweise zwischen 30 Minuten und 4 Stunden. Die Temperatur, auf welche der Halbleiterkörper 100 während dieser Temperaturbehandlung aufgeheizt wird, liegt bei Verwendung von Elektronen zur Erzeugung der Primärdefekte zwischen 200°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 300°C.

In der Darstellung gemäß 1a ist angenommen, dass die als Rekombinationszentren dienenden Defekte 111, die durch die Teilchenbestrahlung und eine sich gegebenenfalls anschließende Temperaturbehandlung erzeugt wurden, homogen über den gesamten Halbleiterkörper 100 verteilt sind. Zur Erzeugung einer solchen homogenen Defektverteilung eignen sich insbesondere Elektronen als Teilchen für die Bestrahlung. Bei einer Bestrahlungsenergie im Bereich von 1 MeV lassen sich Halbleiterkörper aus Silizium bis zu einer Dicke von etwa 2,5 mm mittels Elektronen vollständig durchstrahlen, so dass in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers nahezu homogen verteilte Defekte entstehen. In nicht näher dargestellter Weise besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, den Halbleiterkörper von beiden Seiten 101, 102 mit Teilchen zu bestrahlen. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Defektverteilung in vertikaler Richtung über die Bestrahlungsenergie der Teilchen einzustellen.

Hierfür eignen sich insbesondere Protonen oder Heliumatome. als Bestrahlungsteilchen, die bei einer gegebenen Bestrahlungsenergie eine geringere Eindringtiefe als Elektronen besitzt und deren Eindringtiefe über die Bestrahlungsenergie gut steuerbar ist.

Die Defektverteilung in einer quer zu der Bestrahlungsrichtung verlaufenden lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 lässt sich durch eine maskierte Teilchenbestrahlung des Halbleiterkörpers erreichen. Hierzu wird optional eine Maske 401, die in 1a gestrichelt dargestellt ist, zwischen die Quelle (nicht dargestellt) der Teilchenstrahlung und den Halbleiterkörper 100 eingebracht, die eine oder mehrere Öffnungen 402 aufweist. Durch die Öffnung 402 der Maske 401 werden die lateralen Abmessungen der Bereiche des Halbleiterkörpers 100 festgelegt, die bestrahlt werden und in denen entsprechend als Rekombinationszentren dienende Defekte erzeugt werden.

Bezug nehmend auf 1b ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin vorgesehen, wenigstens eine der beiden Oberflächen 101, 102 mit Laserlicht zu bestrahlen, um dadurch den unterhalb der bestrahlten Oberfläche 101, 102 befindlichen Halbleiterbereich 110, 120 auf Temperaturen aufzuheizen, bei welchen die als Rekombinationszentren dienenden Defekte wenigstens teilweise ausgeheilt werden und wodurch die Ladungsträgerlebensdauer in diesen oberflächennahen Bereichen 110, 120 wieder angehoben wird.

Auch die Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 mit Laserlicht kann maskiert unter Verwendung einer Maske 403 erfolgen, die in 1b gestrichelt dargestellt ist. Eine Aufheizung der oberflächennahen Bereiche des Halbleiterkörpers 100 erfolgt dabei nur in solchen Bereichen, die durch die Maske freigelassen werden. Anstelle einer Maske kann auch eine geeignete Fokussiereinrichtung (nicht dargestellt) verwendet werden, die das Laserlicht nur auf gewünschte Bereiche der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 richtet. Eine solche Fokussiereinrichtung kann auch dazu genutzt werden, die Halbleiteroberfläche mit dem Laserstrahl zu "beschreiben" oder "rastern", indem der Strahl über verschiedene Abschnitte der Oberfläche geführt wird. Hierdurch können Bereiche bestrahlt werden, die flächenmäßig größer sind als der Durchmesser des Laserstrahls.

Durch diese maskierte bzw. fokussierte Bestrahlung können in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers solche Bereiche festgelegt werden, in denen die Ladungsträgerlebensdauer wieder angehoben wird.

2 zeigt die Ladungsträgerlebensdauer des Halbleiterkörpers 100 in vertikaler Richtung bzw. x-Richtung für den Fall einer zunächst homogenen Defektverteilung und einer anschließenden Laserlichtbestrahlung nur im Bereich der Vorderseite 101. Die Ladungsträgerlebensdauer ist dadurch in dem sich an die Vorderseite 101 anschließenden oberflächennahen Halbleiterbereich 110 im Vergleich zu solchen Halbleiterbereichen, die weiter entfernt zu der Oberfläche 101 angeordnet sind und die während des Laserbestrahlungsschrittes entsprechend nicht aufgeheizt werden, deutlich erhöht. Mit &tgr;2 ist in 2 die erhöhte Ladungsträgerlebensdauer im oberflächennahen Bereich bezeichnet; &tgr;1 bezeichnet die niedrigere Ladungsträgerlebensdauer in Bereichen beabstandet zu der Oberfläche.

Das in 3 dargestellte Profil der Ladungsträgerlebensdauer, bei welchem die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich beider Oberflächen 101, 102 auf den höheren Wert &tgr;2 angehoben ist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer mit zunehmendem Abstand zu diesen beiden Oberflächen 101, 102 abnimmt, lässt sich durch beidseitige Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Laserlicht erreichen. Die Energie, die Wellenlänge und die Dauer dieser Laserlichtbestrahlung sind so gewählt, dass während des Bestrahlungsschrittes nur oberflächennahe Halbleiterbereiche 110, 120 bis zu einer gewünschten Tiefe so stark aufgeheizt werden, dass die dort als Rekombinationszentren dienenden Defekte ausheilen.

In dem anhand der 1a und 1b erläuterten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird angenommen, dass nach der Teilchenbestrahlung und einem sich gegebenenfalls daran anschließend Ausheilschritt eine homogene Defektverteilung in dem Halbleiterkörper 100 vorliegt. Eine solche homogene Defektverteilung lässt sich durch Verwendung einer Elektronenbestrahlung erzeugen.

Wie bereits erläutert, besitzen Protonen im Vergleich zu Elektronen gleicher Energie eine geringere Eindringtiefe. Die Erzeugung einer homogenen Defektverteilung in Halbleiterkörpern hochsperrender Leistungshalbleiterbauelemente einer üblichen Dicke oberhalb von 200&mgr;m ist mit Protonen unwirtschaftlich.

Das primäre Ziel das der Bestrahlung eines Halbleiterkörpers mit Protonen hoher Dosis (> 1012 cm–2) zugrunde liegt, ist üblicherweise nicht die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer, sondern die Erzeugung sogenannter wasserstoffinduzierter bzw. wasserstoffkorrelierter Donatoren. Diese wasserstoffinduzierten Donatoren werden durch Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Protonen und einen anschließenden Ausheilschritt mit Temperaturen zwischen 300°C und 500°C erzeugt. Das Maximum der Verteilung dieser wasserstoffinduzierten Donatoren in Bestrahlungsrichtung liegt dabei im Bereich der maximalen Eindringtiefe der Protonen und ist damit von der Bestrahlungsenergie abhängig.

Die Protonen erzeugen auf ihrem Weg durch den Halbleiterkörper, und damit insbesondere im oberflächennahen Bereich allerdings auch Defekte, die nach Durchführung des Ausheilschrittes als Rekombinationszentren dienen und die damit die Ladungsträgerlebensdauer im oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers absenken. Diese Defekte werden durch die vergleichsweise hohen Temperaturen, die zur Erzeugung der wasserstoffinduzierten Donatoren angewendet werden, üblicherweise nicht vollständig ausgeheilt. Durch die Bestrahlung der Oberfläche, über welche der Halbleiterkörper mit Protonen bestrahlt wurde, kann die Ladungsträgerlebensdauer in diesem oberflächennahen Bereich weiter angehoben werden.

4 zeigt einen Halbleiterkörper nach Durchführung eines solchen Verfahrens in Seitenansicht im Querschnitt. Mit dem Bezugszeichen 112 sind dabei wasserstoffinduzierte Donatoren bezeichnet, die im Wesentlichen in einem Bereich angeordnet sind, der beabstandet zu der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers liegt. Diese wasserstoffinduzierten Donatoren 112 sind durch Bestrahlen der ersten Oberfläche 101 mit Protonen und einem anschließenden Ausheilschritt hergestellt. Im Bereich zwischen der Oberfläche 101 und dem Bereich der wasserstoffinduzierten Donatoren 112 sind Bestrahlungsdefekte vorhanden, die auch durch den Ausheilschritt zur Erzeugung der wasserstoffinduzierten Donatoren nicht vollständig ausgeheilt werden. Die Konzentration dieser Defekte 111 im oberflächennahen Bereich 110 ist dabei durch Bestrahlen der Oberfläche 101 mit Laserlicht reduziert worden.

Die wasserstoffinduzierten Donatoren bilden beispielsweise eine sogenannte vergrabene Stoppzone in einem vertikalen Halbleiterbauelement, beispielsweise einer Diode oder einem IGBT. Zur Realisierung einer Diode besitzt der Bereich 110, in dem die Ladungsträgerlebensdauer angehoben wird, beispielsweise eine n-Dotierung und bildet den n-Emitter des Bauelements. Der Halbleiterbereich, in dem die Stoppzone realisiert wird, besitzt eine n-Dotierung und bildet die n-Basis des Bauelements. An diese n-Basis schließt sich im Bereich der anderen Oberfläche 102 des Bauelements eine p-dotierte Halbleiterzone 113 an, die den p-Emitter der Diode bildet. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich Bezug nehmend auf 5 beispielsweise zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer im sogenannten Zentralbereich eines Leistungsthyristors. 5 zeigt einen solchen Leistungsthyristor in Seitenansicht im Querschnitt. Der Thyristor weist einen p-Emitter bzw. anodenseitigen Emitter 210, eine n-Basis 211, eine p-Basis 212 sowie einen n-Emitter bzw. kathodenseitigen Emitter 213 auf, die in einer vertikalen Richtung eines Halbleiterkörpers 200 aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Das Bauteil ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse A-A ausgebildet, wobei in 6 im Wesentlichen der Zentralbereich des Thyristors dargestellt ist. Der flächenmäßig üblicherweise wesentlich größere Bereich mit dem n-Hauptemitter 213 und der den n-Hauptemitter 213 kontaktierenden Hauptkathode 222 ist lediglich abschnittsweise im rechten Teil der 6 dargestellt. Das Bezugszeichen 214 bezeichneten einen sogenannten Emitterkurzschluss, der vorzugsweise bei dem Thyristor vorhanden ist.

Im Zentralbereich des Bauelements ist eine BOD-Struktur (BOD = Break Over Diode) ausgebildet, die dadurch realisiert ist, dass die p-Basis 212 in diesem Bereich einen in Richtung einer Vorderseite 201 des Halbleiterkörpers 200 gekrümmten Abschnitt 216 aufweist. In der p-Basis 212 sind zwischen dieser BOD-Struktur 216 und dem Hauptemitter 213 mehrere Hilfsemitter 215 beabstandet zueinander angeordnet. Diese Hilfsemitter 215 sind in nicht näher dargestellter Weise in Draufsicht auf das Bauelement im Wesentlichen ringförmig um die BOD-Struktur 216 angeordnet. Die Hilfsemitter 215 sind durch Gate-Elektroden 221 mit der p-Basis 212 kurzgeschlossen. Diese Gate-Elektroden, die auch als Amplifying-Gates bezeichnet werden, steuern in Verbindung mit den Hilfsemittern 215 in bekannter Weise eine Zündausbreitung in Richtung des Hauptemitters 213 nach einer Zündung des Bauelements im Bereich der BOD-Struktur 216.

Vorteilhafterweise ist bei einem solchen Leistungsthyristor die Ladungsträgerlebensdauer in der p-Basis 212 im Zentralbereich hoch im Vergleich zur Ladungsträgerlebensdauer in der p-Basis 212 im Bereich des Hauptemitters 213. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lebensdauer in der p-Basis 212 im Zentralbereich und im sich daran in vertikaler Richtung anschließenden Bereich der n-Basiszone 211 hoch im Vergleich zu den entsprechenden Zonen im Bereich des Hauptemitters 213. Zur Einstellung dieser Ladungsträgerlebensdauer wird der Halbleiterkörper 200 des Thyristors über die Vorderseite 201 beispielsweise ganzflächig mit Elektronen bestrahlt, um dadurch gleichmäßig verteilt in dem Halbleiterkörper 200 Primärdefekte zu erzeugen. Aus diesen Primärdefekten entstehen während eines nachfolgenden Temperaturschrittes, bei dem der Halbleiterkörper 200 für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe, die als Rekombinationszentren dienen und die die Ladungsträgerlebensdauer in dem Bauelement beeinflussen.

Unter Verwendung einer Maske 403, die den Bereich des Thyristors mit dem Hauptemitter 213 bzw. der Hauptkathode 222 abdeckt, die jedoch den Zentralbereich des Bauelements freilässt, wird die Vorderseite 201 nachfolgend mit Laserlicht bestrahlt, um insbesondere die p-Basis 212 und gegebenenfalls einen Teil der darunter liegenden n-Basiszone in dem durch die Maske 403 nicht abgedeckten Zentralbereich auf eine Temperatur aufzuheizen, bei welcher die zuvor erzeugten, als Rekombinationszentren dienenden Defekte ausheilen.

6 zeigt schematisch die Ladungsträgerlebensdauer in der p-Basis 212 nach Durchführung dieses Bestrahlungsschrittes. Wie ersichtlich ist, ist die Ladungsträgerlebensdauer in der p-Basis 212 im Zentralbereich höher als im Bereich des durch die Maske 403 abgedeckten Hauptemitters 213.

Die Laserbestrahlung zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer muss nach dem letzten Metallisierungsschritt erfolgen, also insbesondere nach Herstellung der Gates 221 und der Hauptkathode 222 erfolgen, da die Metall-Temperungen bei Temperaturen im Bereich 400°C oder knapp darüber durchgeführt werden. Bei so hohen Temperaturen würden die Strahlenschäden zu einem sehr großen Anteil ausgeheilt. Die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer kann daher erst nach der Herstellung der Metallisierungen erfolgen.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der 7 und 8 erläutert. Das Verfahren dient hierbei zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einer in einem Halbleiterkörper 300 integrierten Leistungsdiode, die einen p-Emitter 311, eine n-Basis 312 und einen sich an die n-Basis 312 anschließenden n-Emitter 313 aufweist. Zur Verbesserung des Abschaltverhaltens ist bei einer solchen Leistungsdiode ein vertikaler Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer erwünscht, wie er in 8 dargestellt ist. Die Ladungsträgerlebensdauer ist hierbei im Bereich des n-Emitters 313 am größten und nimmt in Richtung des p-Emitters 311 ab. Zur Einstellung eines solchen Ladungsträgerlebensdauerprofils wird der Halbleiterkörper 300 beispielsweise über die erste Oberfläche 301, an welche sich der n-Emitter 313 anschließt, ganzflächig mit Elektronen bestrahlt. Die Bestrahlungsenergie dieser Elektronen ist dabei so gewählt, dass nahezu homogen verteilt in dem Halbleiterkörper 300 Primärdefekte entstehen, die durch einen nachfolgenden Ausheilprozess in Defekte umgewandelt werden, die als Rekombinationszentren dienen. An diesen Ausheilprozess schließt sich eine in 7 schematisch dargestellte Bestrahlung der ersten Oberfläche 301 mit Laserlicht an. Durch diese Bestrahlung wird insbesondere der Halbleiterbereich, in welchem der n-Emitter 313 angeordnet ist, auf eine Temperatur aufgeheizt, bei welcher die als Rekombinationszentren dienenden Defekte ausheilt werden, um dadurch die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich dieses n-Emitters 313 wieder anzuheben.

Gestrichelt ist in 8 darüber hinaus die mit N bezeichnete Dotierungskonzentration der einzelnen Bereiche in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers dargestellt.

100
Halbleiterkörper
101
Erste Oberfläche des Halbleiterkörpers
102
Zweite Oberfläche des Halbleiterkörpers
110, 120
Halbleiterbereiche mit erhöhter Ladungsträgerle
bensdauer
111
als Rekombinationszentren dienende Defekte
112
wasserstoffinduzierte Donatoren
113
p-Emitter
200
Halbleiterkörper
201
Oberfläche des Halbleiterkörpers, Vorderseite
202
Oberfläche des Halbleiterkörpers, Rückseite
210
p-Emitter
211
n-Basis
212
p-Basis
213
Hauptemitter
214
Emitterkurzschluss
215
Hilfsemitter
216
BOD-Struktur
221
Amplifying-Gates
222
Hauptkathode
300
Halbleiterkörper
301
Oberfläche des Halbleiterkörpers, Vorderseite
302
Oberfläche des Halbleiterkörpers, Rückseite
311
p-Emitter
312
n-Basis
313
n-Emitter
402
Aussparung der Maske
403
Maske


Anspruch[de]
Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper (100; 200; 300), der zwei einander abgewandte Oberflächen (101, 102; 201, 202; 301, 302) aufweist, in wenigstens einem (110, 120) sich an eine der Oberflächen (101, 102; 201, 202; 301, 302) des Halbleiterkörpers (100; 200; 300) anschließenden Bereich, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100; 200; 300) mit Teilchen über eine der Oberflächen (101, 102; 201, 202; 301, 302) des Halbleiterkörpers, so dass Defekte in dem Halbleiterkörper (100; 200; 300) erzeugt werden,

– Aufheizen des wenigstens einen Bereiches (110, 120) des Halbleiterkörpers (100) durch Bestrahlen der Oberfläche des Halbleiterkörpers (100), an welche sich dieser Bereich anschließt, mit Laserlicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Teilchen Elektronen, Protonen oder Heliumionen sind. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bestrahlung des Halbleiterkörpers (100) mit Teilchen über die Oberfläche erfolgt (101), welche durch Bestrahlung mit Laserlicht nachfolgend aufgeheizt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bestrahlung des Halbleiterkörpers (100) mit Teilchen über die Oberfläche (101) erfolgt, welche der Oberfläche (102), die durch Bestrahlung mit Laserlicht aufgeheizt wird, gegenüberliegt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) ganzflächig mit Laserlicht bestrahlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Bestrahlung der Oberfläche (101; 201) des Halbleiterkörpers (200) mit Laserlicht maskiert unter Verwendung einer Maske (403) erfolgt, so dass die Oberfläche (101; 201) in durch die Maske (403) vorgegebenen Bereichen mit Laserlicht bestrahlt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) ganzflächig über die eine der Seiten des Halbleiterkörpers mit Teilchen bestrahlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Halbleiterkörper maskiert unter Verwendung einer weiteren Maske (403) über die eine der Seiten des Halbleiterkörpers (100) mit den Teilchen bestrahlt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem beide Oberflächen (101, 102) des Halbleiterkörpers (100) mit Laserlicht bestrahlt wird, um die Ladungsträgerlebensdauer in den sich an die Oberfläche anschließenden Bereichen (110, 120) einzustellen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung mit Laserlicht derart erfolgt, dass der Halbleiterkörper (100) in dem sich an die bestrahlte Oberfläche anschließenden Bereich (110, 120) auf eine Temperatur größer als 350°C aufgeheizt wird. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Bestrahlung mit Laserlicht derart erfolgt, dass der Halbleiterkörper (100) in dem sich an die bestrahlte Oberfläche anschließenden Bereich (110, 120) auf eine Temperatur größer als 400°C aufgeheizt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung mit Laserlicht durch einen oder mehrere Laserpulse erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) nach der Bestrahlung mit den nicht dotierenden Teilchen und vor der Bestrahlung mit Laserlicht einer Temperaturbehandlung bei einer vorgegebenen Temperatur und für eine vorgegebene Dauer unterzogen wird. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Teilchen Elektronen sind und bei dem die Temperatur während der Temperaturbehandlung zwischen 200°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 300°C, beträgt. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Teilchen Protonen sind und bei dem die Temperatur während der Temperaturbehandlung zwischen 200°C und 300°C, vorzugsweise zwischen 300°C und 500°C beträgt. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, bei dem die Dauer der Temperaturbehandlung zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden, vorzugsweise zwischen 30 Minuten und 4 Stunden, beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper wenigstens zwei unterschiedlich dotierte, wenigstens einen pn-Übergang bildende Halbleiterzonen aufweist. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Thyristor, einem IGBT oder einer Diode. Verwendung des Verfahrens zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in der p-Basis (212, 216) im Zentralbereich eines Thyristors derart, dass die Ladungsträgerlebensdauer im Zentralbereich der p-Basis (212, 216) höher ist als in der p-Basis (212) im Bereich eines Hauptemitters (213). Verwendung des Verfahrens zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in der n-Basis (211) im Zentralbereich eines Thyristors derart, dass die Ladungsträgerlebensdauer im Zentralbereich der n-Basis (211) höher ist als in der n-Basis (211) im Bereich eines Hauptemitters (213).






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