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Dokumentenidentifikation DE102006015131B4 27.12.2007
Titel Halbleiterstruktur mit Sinker-Kontakt und Verfahren zu deren Herstellung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Schwetlick, Werner, 82194 Gröbenzell, DE;
Hartner, Walter, Dr., 93077 Bad Abbach, DE;
Gottinger, Reinhard, 85579 Neubiberg, DE;
Bonart, Dietrich, Dr., 93077 Bad Abbach, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 31.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006015131
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 29/40(2006.01)A, F, I, 20060331, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/74(2006.01)A, L, I, 20060331, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur, welche ein Halbleitersubstrat, eine hochdotierte vergrabene Schicht, die wenigstens in Teilen des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, eine einkristalline Halbleiterschicht ("Epischicht"), die auf dem Halbleitersubstrat und der vergrabenen Schicht angeordnet ist, und einen von einer Oberfläche der Halbleiterschicht bis zur vergrabenen Schicht reichenden niederohmigen Kontakt in Form eines Diffusionsgebiets ("Sinker-Kontakt") umfasst, wobei eine den Sinker-Kontakt im Wesentlichen umrahmende Sinker-Grabenisolierung angeordnet ist, welche den Sinker-Kontakt von angrenzenden Gebieten der Epischicht elektrisch isoliert.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente und betrifft insbesondere eine Halbleiterstruktur mit einem eine vergrabenene Schicht kontaktierenden Sinker-Kontakt, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Moderne integrierte Schaltungen enthalten eine Vielzahl von elektrisch isolierten Schaltungselementen. Im Zuge einer fortschreitende Miniaturisierung werden diese Schaltungselemente immer kleiner, so dass auch die elektrischen Isolierungen zwischen den Schaltungselementen in entsprechender Weise kleiner werden müssen.

In den heute gängigen Smart Power Technologie (SPT)-Produkten, welche die Funktionalität von CMOS-, Bipolar- und DMOS-Bauteilen in sich vereinigen, werden unterschiedliche Schaltungselemente auf einem Halbleiterchip beispielsweise mittels einer Diffusionsisolierung voneinander elektrisch isoliert. Um eine solche Diffusionsisolierung herzustellen, können beispielsweise durch eine maskierte Implantation geeignete Dotierstoffe in den Halbleiter eingebracht werden, welche durch anschließendes Tempern elektrisch aktiviert werden.

Um als Isolierung wirken zu können, muss das erzeugte Dotiergebiet vom Leitungstyp des Substrats bzw. der darauf aufgebrachten einkristallinen Epischicht verschieden sein. So wird beispielsweise ein p-dotiertes Dotiergebiet in einem n-dotierten Substrat bzw. Epischicht erzeugt. Bekannt ist auch die Formung einer Grabensisolation, bei welcher von der Epischicht bis zum Halbleitersubstrat reichende tiefe Gräben ("deep trenches") geätzt werden, die anschließend mit einem isolierenden Material (beispielsweise Siliziumdioxid) verfüllt werden. Solche Grabenisolationen umrahmen gewöhnlich die Halbleiterbauelemente bzw. lateralen Bereiche, in denen eine Mehrzahl von solchen Halbleiterbauelementen beherbergt sind, um diese elektrisch voneinander zu isolieren.

Manche integrierte Schaltungen, wie Bipolar- und DMOS-Transistoren, welche auch in SPT-Produkten eingesetzt werden, verwenden eine hochdotierte vergrabene Schicht ("buried layer") als Kollektor- oder Draingebiet. Um einen niederohmigen Kontakt zur vergrabenen Schicht herzustellen, wird beispielsweise ein bis zur vergrabenen Schicht reichendes Diffusionsgebiet ("Sinker-Kontakt") erzeugt. Die Herstellung eines solchen Sinker-Kontakts kann durch Implantation geeigneter Dotierstoffe und Tempern erfolgen, wobei das Tempern dazu dient, die Dotierstoffe in die Epischicht einzutreiben, bis diese die vergrabene Schicht erreichen, und um diese elektrisch zu aktivieren. Die Dotierstoffe sind hierbei so gewählt, dass der Sinker-Kontakt eine Dotierung vom gleichen Leitungstyp wie die vergrabene Schicht hat, während die Dotierung zum Leitungstyp der Epi-Schicht verschieden ist, um zu erreichen, dass der Sinker-Kontakt gegenüber der Epischicht elektrisch isoliert ist.

Nachteilig beim Herstellen einer Diffusionsisolierung, wie beispielsweise eines Sinker-Kontakts zur Kontaktierung einer vergrabenen Schicht, ist insbesondere die Tatsache, dass beim Tempern stets eine laterale Ausdiffusion der Dotierstoffe erfolgt, so dass der Platzbedarf einer solchen Diffusionsisolierung vergleichsweise hoch ist. Zudem muss die Diffusionsisolierung zur Erzielung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit die Ausbildung einer Raumladungszone mit einer genügenden lateralen Abmessung ermöglichen, so dass in der Umgebung des Diffusionsgebiets ausreichend Platz vorgehalten werden muss. Insofern benötigen herkömmliche Diffusionsisolierungen vergleichsweise viel Platz, was nachteilig in Hinblick auf eine Miniaturisierung der Halbleiterbauelemente ist.

Im Einzelnen ist aus der US 5,146,304 ein bipolarer Transistor mit einer vergrabenen Kollektorschicht und einer epitaktischen Schicht mit einer Basis und einem Emitter sowie einem Sinker-Kontakt bekannt. Dieser Sinker-Kontakt ist durch dielektrische Isolationsgebiete allseitig umgeben und von der Basis getrennt. Diese dielektrischen Isolationsgebiete haben zur Basis und in der entgegengesetzten Richtung dazu die gleiche Tiefe bis über die vergrabene Schicht hinaus, wobei aber die Isolationsgebiete in der entgegengesetzten Richtung etwas breiter dargestellt sind als bei der Basis.

Weiterhin behandelt die US 5,187,109 die Herstellung von lateralen bipolaren Transistoren und zeigt auf einem Substrat eine vergrabene Schicht und darauf eine epitaktische Schicht und einen durch Implantieren und Ausheilen hergestellten Kontakt, der durch innere Gräben bis zur vergrabenen Schicht und durch äußere Gräben bis zum Substrat isoliert wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterstruktur sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, durch welche ein Sinker-Kontakt zur Kontaktierung einer vergrabenen Schicht mit einem geringeren lateralen Platzbedarf als bislang realisiert werden kann, ohne die Spannungsfestigkeit der Diffusionsisolierung einzubüßen.

Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine Halbleiterstruktur des Patentanspruches 1 bzw. ein Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2 und 3 angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine Halbleiterstruktur gezeigt, welche in herkömmlicher Weise ein Halbleitersubstrat und eine hochdotierte vergrabene Schicht, die wenigstens in Teilen des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, aufweist. Die hochdotierte vergrabene Schicht kann als Kollektor- oder Draingebiet eines Bipolar- oder DMOS-Transistors dienen. Auf dem Halbleitersubstrat und der vergrabenen Schicht ist, wie üblich, eine einkristalline Halbleiterschicht (Epischicht) angeordnet, die gewöhnlich mittels Molekularstrahlepitaxie abgeschieden wird. Weiterhin ist die Halbleiterstruktur mit einem von einer Oberfläche der Epischicht bis zur vergrabenen Schicht reichenden niederohmigen Kontakt in Form eines Diffusionsgebiets (Sinker-Kontakt) versehen, um einen elektrischen Anschluss zur vergrabenen Schicht zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur zeichnet sich nun in wesentlicher Weise dadurch aus, dass eine den Sinker-Kontakt im Wesentlichen umrahmende Grabenisolierung ("Sinker-Grabenisolierung") angeordnet ist, welche den Sinker-Kontakt von angrenzenden (dotierten) Gebieten der Epischicht isoliert bzw. abgrenzt. Um eine elektrische Isolation des Sinker-Kontakts von den angrenzenden Gebieten der Epischicht zu erreichen, sind die Gräben der Grabenisolierung mit einem isolierenden Material, wie Siliziumdioxid, verfüllt. Jedoch kann auch jedes andere, geeignete isolierende Material verwendet werden.

Durch die Sinker-Grabenisolierung kann in vorteilhafter Weise eine räumliche Eingrenzung des Sinker-Kontakts erreicht werden, da bei der Herstellung des Sinker-Kontakts die Dotierstoffe beim Eintreiben in die Epischicht nur bis zur Sinker-Grabenisolierung diffundieren können. Durch die Sinker-Grabenisolierung kann somit ein Sinker-Kontakt mit gewünschten Abmessungen realisiert werden. Zudem muss aufgrund der isolierenden Eigenschaften der Sinker-Grabenisolierung der Sinker-Kontakt lediglich seine Funktion als niederohmiger Anschluss der vergrabenen Schicht erfüllen. Im Unterschied zu einer Diffusionsisolierung erübrigt sich somit hinsichtlich einer genügenden Spannungsfestigkeit ausreichend Platz zur Ausbildung einer Raumladungszone in der Umgebung des Sinker-Kontakts vorzuhalten, so dass der Platzbedarf des Sinker-Kontakts im Vergleich zu einer Diffusionsisolierung reduziert ist.

Durch den gewählten Ausdruck "im Wesentlichen" bezüglich der Umrahmung des Sinker-Kontakts durch die Sinker-Grabenisolierung soll angedeutet werden, dass es nicht notwendig ist, dass die Sinker-Grabenisolierung den Sinker-Kontakt auf seiner ganzen, die Epischicht querenden (vertikalen) Abmessung umgibt. Vielmehr genügt es, wenn die Sinker-Grabenisolierung den Sinker-Kontakt in Bezug auf dessen vertikale Abmessung so weit umgibt, dass eine Ausdiffusion der Dotierstoffe aus dem Sinker-Kontakt in die umliegenden dotierten Gebiete der Epischicht so weit verhindert wird, dass die elektrischen Eigenschaften der umliegenden dotierten Gebiete bzw. die Spannungsfestigkeit der Isolation nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Beispielsweise soll sich der Zahlenwert einer elektrischen Eigenschaft durch die Ausdiffusion der Dotierstoffe um nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, ändern. Eine gewisse geringe Ausdiffusion der Dotierstoffe aus dem Sinker-Kontakt in die umliegenden dotierten Gebiete der Epischicht ist somit unschädlich.

In vorteilhafter Weise reicht die den Sinker-Kontakt umrahmende Sinker-Grabenisolierung jedoch wenigstens bis zur Höhe der vergrabenen Schicht, um eine Ausdiffusion der Dotierstoffe des Sinker-Kontakts in die umliegenden Gebiete der Epischicht oder eine Verringerung der Spannungsfestigkeit gänzlich zu vermeiden. Die Sinker-Grabenisolierung kann hierbei in die vergrabene Schicht eintauchen, jedoch nur so weit, dass elektrische Eigenschaften der vergrabenen Schicht nicht wesentlich beeinträchtigt sind. Ein Teil der Sinker-Grabenisolierung kann die vergrabene Schicht auch durchtrennen, wobei die Sinker-Grabenisolierung an der gewünschten Kontaktstelle nicht vollständig durchtrennt werden darf.

Weist die Halbleiterstruktur eine Tiefgrabenisolierung zur elektrischen Isolierung von aktiven Strukturen, wie Bipolar- oder DMOS-Transistoren, oder von lateralen Bereichen, in denen solche aktiven Strukturen enthalten sind, auf, bei welcher die Gräben von der Oberfläche der Epischicht bis wenigstens zum Halbleitersubstrat reichen, so ist es äußerst vorteilhaft, wenn ein Teil der Tiefgrabenisolierung einen Teil der den Sinker-Kontakt umrahmenden Sinker-Grabenisolierung formt. Eine vollständige Ummantelung des Sinker-Kontakts durch die Tiefgrabenstruktur ist jedoch nicht sinnvoll, da die vergrabene Schicht ansonsten an der gewünschten Kontaktstelle durchtrennt wäre. Beispielsweise kann die Tiefgrabenstruktur den Sinker-Kontakt bezüglich dreier Raumrichtungen umgeben, während bezüglich einer vierten Raumrichtung lediglich ein bis zur vergrabenen Schicht reichender Isolationsgraben vorgesehen ist. Aus Gründen einer einfachen Herstellung weist die Tiefgrabenisolierung eine größere Breite auf als der lediglich bis zur vergrabenen Schicht reichende Isolationsgraben der Sinker-Grabenisolierung.

Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur mit einer, durch einen Sinker-Kontakt kontaktierten, vergrabenen Schicht gezeigt, welches die folgenden Schritte umfasst:

  • a) Bereitstellen eines Halbleiter-Schichtstapels, der ein Halbleitersubstrat, eine hochdotierte vergrabene Schicht, die wenigstens in Teilen des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und eine einkristalline Halbleiterschicht, die auf dem Halbleitersubstrat und der vergrabenen Schicht angeordnet ist, umfasst;
  • b) Herstellen einer laterale Bereiche des Halbleitersubstrats voneinander elektrisch isolierenden, bis in das Halbleitersubstrat reichenden Tiefgrabenisolierung;
  • c) Herstellen einer Grabenisolierung ("Sinker-Kontakt-Fenster"), welche ein von der Oberfläche der Halbleiterschicht im Wesentlichen (oder mindestens) bis zur vergrabenen Schicht reichendes Gebiet umrahmt, das als Sinker-Kontakt zur vergrabenen Schicht vorgesehen ist;
  • d) Herstellen eines Diffusionsgebiets (Sinker-Kontakt) innerhalb des Sinker-Kontakt-Fensters, was in herkömmlicher Weise beispielsweise durch maskierte Implantation von geeigneten Dotierstoffen und anschließendes Tempern erfolgen kann.

Die Tiefgrabenisolierung und das Sinker-Kontakt-Fenster (bzw. deren Gräben) werden in einem gleichen Ätzschritt hergestellt. Die Tiefe des Sinker-Kontakt-Fensters oder wenigstens eines Teils hiervon lässt sich in vorteilhafter Weise über die Grabenbreite vorgeben.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:

1A1B eine Aufsicht (1A) und eine Seitenansicht (1B) eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur;

2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Grabentiefe T und Grabenbreite W beim Ätzen eines Isolationsgrabens.

Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Zunächst wird Bezug auf die 1A und 1B genommen, worin eine Aufsicht (1A) und eine Seitenansicht (1B) eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur dargestellt sind. Demnach umfasst eine erfindungsgemäße Halbleiterstruktur ein nicht näher dargestelltes Halbleitersubstrat 1, beispielsweise n-dotiertes Silizium, welches mit einer, beispielsweise p-hochdotierten, vergrabenen Schicht 2 versehen ist. Auf dem Halbleitersubstrat 1 und der vergrabenen Schicht 2 ist eine einkristalline Halbleiterschicht (Epischicht) 6 angeordnet, welche in den Figuren nicht näher dargestellt ist. In der Epischicht 6 ist ein von der Oberfläche 7 bis zur vergrabenen Schicht 2 reichender niederohmiger Sinker-Kontakt 3 in Form eines (beispielsweise p-dotierten) Diffusionsgebiets geformt. Die vergrabene Schicht 2 dient etwa als Kollektor- oder Drain-Gebiet eines Bipolar- oder DMOS-Transistors.

Weiterhin ist eine von der Oberfläche 7 der Epischicht 6 bis zum Halbleitersubstrat 1 reichende Tiefgrabenisolierung 4 angeordnet, welche dazu dient, ein die vergrabene Schicht 2 nutzendes Halbleiterbauelement, wie ein Bipolar- oder DMOS-Transistor, oder einen lateralen Bereich, in dem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen beherbergt ist, elektrisch zu isolieren. Die Tiefgrabenisolierung 4 umfasst einen in der yz-Ebene angeordneten Graben, sowie zwei in der xz-Ebene angeordnete Gräben, die allesamt die vergrabene Schicht 2 durchtrennen.

Der Sinker-Kontakt 3 wird auf drei Seiten von den Gräben der Tiefgrabenisolierung 4 begrenzt. Auf einer vierten Seite ist ein weiterer Isolationsgraben 5 vorgesehen, welcher von der Oberfläche 7 der Epischicht 6 bis zur vergrabenen Schicht 2 reicht, ohne diese zu durchtrennen. Der Isolationsgraben 5 ist in Kontakt mit den beiden Gräben der Tiefgrabenisolation 4 und formt gemeinsam mit diesen einen Isolationsrahmen (Sinker-Kontakt-Fenster) um den Sinker-Kontakt 3.

Mithilfe des den Sinker-Kontakt 3 umgebenden Isolationsrahmens kann der Sinker-Kontakt in einfacher Weise durch Einbringen von Dotierstoffen in die Epischicht 6, beispielsweise mittels maskierter Implantation, und anschließendem Eintreiben der Dotierstoffe in die Epischicht und deren elektrische Aktivierung mittels Tempern hergestellt werden (wie in 1B durch die Pfeile schematisch dargestellt ist), ohne hierbei eine unerwünschte Ausdiffusion der Dotierstoffe und damit einher gehende laterale Verbreiterung des Sinker-Kontakts in Kauf nehmen zu müssen. Die eingebrachten Dotierstoffe können lediglich bis zum Isolationsrahmen diffundieren.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sinker-Kontakt 3 in Platz sparender Weise ganz am Rand einer ohnehin vorhandenen Tiefgrabenisolierung 4 platziert worden. Jedoch könnte das Sinker-Kontakt-Fenster auch für sich alleine, entfernt von der Tiefgrabenisolierung 4, an jeder andere Stelle platziert werden.

Wie aus 2, einem Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Grabentiefe T und Grabenbreite W beim Ätzen eines Isolationsgrabens, ersichtlich ist, kann durch Wahl einer geeigneten Breite des Grabens eine gewünschte Tiefe erzielt werden. In dem in den 1A und 1B gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Sinker-Kontakt-Fenster drei Gräben mit einer Breite W1 von ca. 2 &mgr;m, welche Teil der Tiefgrabenisolierung 4 sind, sowie einen Graben 5 mit einer Breite W2 von ca. 0,7 &mgr;m. Während die breiteren Gräben der Tiefgrabenisolierung die vergrabene Schicht 2 durchtrennen, reicht der engere Isolationsgraben lediglich bis zur vergrabenen Schicht, ohne diese zu durchtrennen. Durch eine geeignete Wahl der Grabenbreite der jeweiligen Gräben wird somit das Sinker-Kontakt-Fenster in einem einzigen Ätzschritt gemeinsam mit der Tiefgrabenisolierung in einfacher Weise hergestellt. Die Gräben werden anschließend mit einem isolierenden Material, wie Siliziumdioxid, verfüllt.

In der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur kann in vorteilhafter Weise eine konventionelle Sinker-Kontaktbelegung eingesetzt werden. Eine laterale Ausdiffusion der Dotierstoffe während des Eintreibens und der elektrischen Aktivierung wird durch das Sinker-Kontakt-Fenster unterbunden. In vorteilhafter Weise werden nur Gräben zum Zwecke einer Isolation eingesetzt.

1
Halbleitersubstrat
2
vergrabene Schicht
3
Sinker-Kontakt
4
Tiefgrabenisolierung
5
Isolationsgraben
6
Epischicht
7
Oberfläche
T
Grabentiefe
W
Grabenweite


Anspruch[de]
Halbleiterstruktur, welche ein Halbleitersubstrat (1), eine hochdotierte vergrabene Schicht (2), die wenigstens in Teilen des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist, eine einkristalline Halbleiterschicht (6), die auf dem Halbleitersubstrat (1) und der vergrabenen Schicht (2) angeordnet ist, einen von einer Oberfläche der Halbleiterschicht (6) bis zur vergrabenen Schicht reichenden niederohmigen Sinker-Kontakt (3) in Form eines Diffusionsgebiets und eine den Sinker-Kontakt (3) im Wesentlichen umrahmende Sinker-Grabenisolierung (4, 5) welche den Sinker-Kontakt (3) von angrenzenden Gebieten der Halbleiterschicht (6) elektrisch isoliert, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefgrabenisolierung (4) eine größere Grabenbreite hat als wenigstens ein Graben der den Sinker-Kontakt (3) umrahmenden Sinker-Grabenisolierung (5). Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sinker-Kontakt (3) umrahmende Sinker-Grabenisolierung (5) wengistens bis zur vergrabenen Schicht (2) reicht. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinker-Grabenisolierung (5) teilweise von der laterale Bereiche der Halbleiterstruktur elektrisch isolierenden, bis in das Halbleitersubstrat (1) reichenden Tiefgrabenisolierung (4) geformt ist. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, welches die folgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Halbleiter-Schichtstapels, der ein Halbleitersubstrat (1), eine hochdotierte vergrabene Schicht (2), die wenigstens in Teilen des Halbleitersubstrats (1) ausgebildet ist, und eine einkristalline Halbleiterschicht (6), die auf dem Halbleitersubstrat (1) und der vergrabenen Schicht (2) angeordnet ist, umfasst;

– Herstellen einer laterale Bereiche des Halbleitersubstrats (1) elektrisch isolierenden, bis in das Halbleitersubstrat (1) reichenden Tiefgrabenisolierung (4);

– Herstellen eines aus Isolationsgräben geformten Sinker-Isolationsrahmens (5), welcher von der Oberfläche der Halbleiterschicht (6) bis im Wesentlichen zur vergrabenen Schicht (2) reicht; und

– Herstellen eines Sinker-Diffusionsgebiets (3) innerhalb des Sinker-Isolationsrahmens (5),

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gräben der Tiefgrabenisolierung (4) und des Sinker-Isolationsrahmes (5) in einem gleichen Ätzschritt hergestellt werden.






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