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DE102007063786B3 - Process for producing a doping zone in a semiconductor body - Google Patents

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DE102007063786B3
DE102007063786B3 DE102007063786.3A DE102007063786A DE102007063786B3 DE 102007063786 B3 DE102007063786 B3 DE 102007063786B3 DE 102007063786 A DE102007063786 A DE 102007063786A DE 102007063786 B3 DE102007063786 B3 DE 102007063786B3
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semiconductor
temperature
temperature treatment
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German (de)
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Dr. Mauder Anton
Holger Schulze
Thomas Gutt
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Dotierungszone in einem Halbleiterkörper, aufweisend:- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (1);- Einbringen mindestens eines Dotierstoffs (2) in den Halbleiterkörper (1), wobei der Dotierstoff (2) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Schwefel und Selen sowie Mischungen davon;- Durchführen zumindest einer kurzzeitigen ersten Temperaturbehandlung (7) bei einer Temperatur T1; und- Durchführen einer im Vergleich zur ersten Temperaturbehandlung (7) längeren zweiten Temperaturbehandlung (8) bei einer Temperatur T2 zur Ausbildung einer Dotierungszone (6), wobei T1 höher als T2 ist.Method for producing a doping zone in a semiconductor body, comprising:- providing a semiconductor body (1);- introducing at least one dopant (2) into the semiconductor body (1), the dopant (2) being selected from the group consisting of sulfur and selenium and mixtures thereof;- carrying out at least one short-term first temperature treatment (7) at a temperature T1; and- carrying out a second temperature treatment (8) which is longer than the first temperature treatment (7) at a temperature T2 to form a doping zone (6), with T1 being higher than T2.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Halbleiterbauelemente weisen eine Vielzahl von unterschiedlich dotierten Halbleitergebieten auf, die beispielsweise durch Implantation eines geeigneten Dotierstoffs in einen Halbleiterkörper gebildet werden. Im Anschluss an die Implantation findet typischerweise ein Temperaturschritt statt, durch den der Dotierstoff aktiviert wird und bei der Implantation aufgetretene Implantationsschäden ausgeheilt werden. Die Bildung von Halbleitergebieten durch Implantation ist beispielsweise in den Druckschriften US 6 426 248 B2 , US 2002/0 060 353 A1 , US 2002/0 009 841 A1 sowie US 4 151 008 A beschrieben.Semiconductor components have a multiplicity of differently doped semiconductor regions which are formed, for example, by implanting a suitable dopant into a semiconductor body. Following the implantation, a temperature step typically takes place, as a result of which the dopant is activated and implantation damage that occurred during the implantation is healed. The formation of semiconductor regions by implantation is, for example, in the references U.S. 6,426,248 B2 , US 2002/0 060 353 A1 , US 2002/0009841 A1 such as U.S. 4,151,008 A described.

Leistungshalbleiterbauelemente stellen zum Teil besondere Anforderungen an das Dotierungsprofil und die Dotierstoffkonzentration von Halbleitergebieten, da sich hierdurch die Leistungsfähigkeit von Leistungshalbleiterbauelementen gezielt einstellen lässt. Beispielsweise benötigen IGBTs und Dioden vor ihrem rückseitigen Kontakt eine sogenannte Feldstoppschicht, deren Dotierung hoch genug ist, um das sich in der Driftzone ausbildende elektrische Feld im Sperrfall vor dem Rückseitenemitter bzw. der Rückseitenmetallisierung vollständig abzubauen. Ist die Feldstoppschicht nicht ausreichend dimensioniert, dringt das elektrische Feld bei IGBTs sehr nahe an den auf der Rückseite des IGBTs angeordneten Emitter bzw. bis an Defekten oder Spikes, die beispielsweise durch die Rückseitenmetallisierung im Halbleiterkörper des IGBTs induziert wurden. Dadurch kann es zu erhöhten Leckströmen und sogar bis zum Ausfall des Leistungshalbleiterbauelements kommen. Bei Dioden tritt noch hinzu, dass inhomogene Rückseiten - besonders bei Hochvoltdioden - zu inhomogenen Stromverteilungen beim Abschalten führen. Dies begünstigt das Phänomen der Verrundung der Sperrkennlinie nach einer hohen Schaltbelastung.In some cases, power semiconductor components make special demands on the doping profile and the dopant concentration of semiconductor regions, since this allows the performance of power semiconductor components to be adjusted in a targeted manner. For example, IGBTs and diodes require a so-called field stop layer in front of their rear contact, the doping of which is high enough to completely dissipate the electric field that forms in the drift zone in front of the rear emitter or the rear metallization in the off state. If the field stop layer is not sufficiently dimensioned, the electric field in IGBTs penetrates very close to the emitter arranged on the back of the IGBT or to defects or spikes that were induced, for example, by the backside metallization in the semiconductor body of the IGBT. This can lead to increased leakage currents and even failure of the power semiconductor component. In the case of diodes, there is also the fact that inhomogeneous rear sides - particularly in the case of high-voltage diodes - lead to inhomogeneous current distributions when switching off. This favors the phenomenon of rounding of the blocking characteristic after a high switching load.

Leistungshalbleiterbauelemente mit einer Felstoppschicht sind beispielsweise in DE 100 53 445 A1 , US 6 610 572 B1 und DE 10 2004 013 932 A1 beschrieben. Aus US 6 482 681 B1 und US 6 707 111 B2 ist bekannt, Felstoppschichten durch Implantation von Protonen herzustellen. Aus US 6 441 408 B2 , WO 00/04596 A2 und WO 00/04598 A2 ist dagegen bekannt, Schwefel oder Selen zur Bildung von Feldstoppschichten zu verwenden. Schwefel oder Selen können auch zur Bildung von Randabschlüssen verwendet werden, wie beispielsweise in US 6 455 911 B1 beschrieben.Power semiconductor components with a felstop layer are, for example, in DE 100 53 445 A1 , U.S. 6,610,572 B1 and DE 10 2004 013 932 A1 described. Out of U.S. 6,482,681 B1 and U.S. 6,707,111 B2 it is known to produce felstopp layers by implanting protons. Out of U.S. 6,441,408 B2 , WO 00/04596 A2 and WO 00/04598 A2 on the other hand, it is known to use sulfur or selenium to form field stop layers. Sulfur or selenium can also be used to form edge terminations, such as in U.S. 6,455,911 B1 described.

Die US 2007/0 020 901 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Gateelektrode unter Verwendung einer Borimplantation. Die US 2002/0 146 868 A1 beschreibt die Herstellung eines Dünnschichttransistors durch Abscheidung einer amorphen Siliziumschicht mit anschließender thermischer Behandlung. Die US 2004/0 188 767 A1 beschreibt die Herstellung von tiefen Source-/Draingebieten mit einer Arsen-Dotierung mit anschließendem Spike Anneal und einem RTP-Anneal.the US 2007/0 020 901 A1 describes a method of fabricating a gate electrode using a boron implantation. the US 2002/0 146 868 A1 describes the production of a thin-film transistor by depositing an amorphous silicon layer with subsequent thermal treatment. the US 2004/0 188 767 A1 describes the production of deep source/drain regions with an arsenic doping with a subsequent spike anneal and an RTP anneal.

Wie in den vorgenannten Druckschriften gezeigt, können Feldstoppschichten auf verschiedene Weise hergestellt werden. Ein häufiger Anwendungsfall sind n-dotierte Feldstoppschichten, da in den überwiegenden Fällen IGBTs beispielsweise mit einer n-dotierten Driftstrecke verwendet werden. Um die Feldstoppschichten in einer gewissen Tiefe im Halbleiterkörper auszubilden, ist es erforderlich, den dazu verwendeten Dotierstoff entsprechend tief in den Halbleiterkörper einzubringen. Im Falle einer n-dotierten Feldstoppschicht scheidet jedoch die tiefe Implantation bzw. Diffusion von Dotierstoffen aus fertigungstechnischen Gründen häufig aus, weil die dazu erforderlichen langen Temperaturbehandlungen bei hohen Temperaturen in der Regel nicht kompatibel zu auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordneten dotierten Gläsern sowie den Source- und BodyGebieten einer MOS-Zelle sind. Alternativ könnte der Halbleiterkörper gedünnt werden, um sehr tiefe Implantationen und lange Diffusionsprozesse zu vermeiden. Dies würde jedoch das Handling von dünnen Halbleiterkörpern bzw. Waferscheiben über viele Prozessschritte, verbunden mit einem sehr hohen Risiko des Scheibenbruchs nach sich ziehen.As shown in the publications mentioned above, field stop layers can be produced in various ways. A frequent application is n-doped field stop layers, since IGBTs with an n-doped drift path, for example, are used in the majority of cases. In order to form the field stop layers at a certain depth in the semiconductor body, it is necessary to introduce the dopant used for this purpose deep into the semiconductor body. In the case of an n-doped field stop layer, however, the deep implantation or diffusion of dopants is often ruled out for manufacturing reasons, because the long thermal treatments at high temperatures required for this are generally not compatible with the doped glasses arranged on the front side of the semiconductor body and the source and are body regions of a MOS cell. Alternatively, the semiconductor body could be thinned to avoid very deep implantations and long diffusion processes. However, this would entail the handling of thin semiconductor bodies or wafer disks over many process steps, combined with a very high risk of disk breakage.

Eine Methode zur Herstellung tiefer Feldstopps mit niedrigem Temperaturbudget stellt die Protonendotierung mit anschließendem Annealschritt dar. Allerdings folgt das Dotierprofil von Protonen stark dem Implantationsprofil, d. h., dass die resultierende Dotierung peakförmig mit sehr steilen Flanken ist. Dies führt zu einem „härteren“ Feldstoppverhalten, das nicht immer erwünscht ist. Zur Abmilderung des „harten“ Feldstoppverhaltens und zur Nachbildung „weicherer“ Profile könnten mehrere Implantationsschritte, wie beispielsweise in der o. g. Druckschrift US 6 482 681 B1 gezeigt, durchgeführt werden. Dies erhöht jedoch die Herstellungskosten in einem nicht unerheblichen Ausmaß.One method for producing deep field stops with a low temperature budget is proton doping with a subsequent annealing step. However, the doping profile of protons closely follows the implantation profile, ie the resulting doping is peak-shaped with very steep flanks. This leads to a "harder" field stop behavior, which is not always desirable. To mitigate the "hard" field stop behavior and to simulate "softer" profiles, several implantation steps, such as in the above publication U.S. 6,482,681 B1 shown to be carried out. However, this increases the manufacturing costs to a not inconsiderable extent.

Eine weitere Variante zur Herstellung von Feldstoppschichten ist die Dotierung mit schnell diffundierenden Donatoren wie Selen und Schwefel. Die Diffusionstemperaturen liegen unterhalb von etwa 1000°C bei maximal wenigen Stunden Diffusionszeit, was noch kompatibel mit dem Zellaufbau von Leistungshalbleiterbauelementen ist. Problematisch bei diesen Dotierstoffen ist jedoch, dass die erreichbaren Dosen von elektrisch aktivem Dotierstoff im Halbleiterkörper im Bereich einiger 1012/cm2 liegt, weil bei hohen Implantationsdosen die Ausdiffusion insbesondere von Selen stark zunimmt. Letztendlich bleibt nur ein geringer Teil der implantierten Atome im Halbleiterkörper elektrisch aktiv. Dieser Anteil sinkt sogar mit steigender Implantationsdosis.Another variant for producing field stop layers is doping with rapidly diffusing donors such as selenium and sulfur. The diffusion temperatures are below about 1000°C with a maximum diffusion time of a few hours, which is still compatible with the cell structure of power semiconductor components. The problem with these dopants, however, is that the achievable doses of electrically active dopant in the semiconductor body are in the range of a few 10 12 /cm 2 lies because at high implantation doses, the outdiffusion of selenium in particular increases sharply. Ultimately, only a small proportion of the implanted atoms in the semiconductor body remain electrically active. This proportion even decreases with increasing implantation dose.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer Dotierungszone in einem Halbleiterkörper bereitgestellt. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers; Einbringen mindestens eines Dotierstoffs in den Halbleiterkörper, wobei der Dotierstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Schwefel und Selen sowie Mischungen davon; Durchführen zumindest einer kurzzeitigen ersten Temperaturbehandlung bei einer Temperatur T1; und Durchführen einer im Vergleich zur ersten Temperaturbehandlung längeren zweiten Temperaturbehandlung bei einer Temperatur T2 zur Ausbildung einer Dotierungszone, wobei T1 höher als T2 ist.In one embodiment, a method for producing a doping zone in a semiconductor body is provided. The method has the following steps: providing a semiconductor body; introducing at least one dopant into the semiconductor body, the dopant being selected from the group consisting of sulfur and selenium and mixtures thereof; Carrying out at least one short-term first temperature treatment at a temperature T1; and performing a second temperature treatment, which is longer than the first temperature treatment, at a temperature T2 to form a doping zone, with T1 being higher than T2.

Mit dem Verfahren ist es möglich, einen Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial mit einer Dotierungszone, die mindestens einen Dotierstoff aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Schwefel, Selen, sowie Mischungen davon, herzustellen, wobei die Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs in der Dotierungszone größer als 1016/cm2 und insbesondere größer als 5*1016/cm2 ist.The method makes it possible to produce a semiconductor body from a semiconductor material with a doping zone that has at least one dopant selected from the group consisting of sulfur, selenium, and mixtures thereof, with the concentration of the electrically active dopant in the doping zone being greater than 10 16 /cm 2 and in particular greater than 5*10 16 /cm 2 .

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den anhängenden Figuren gezeigten Ausführungsformen beschrieben, aus denen sich weitere Vorteile und Modifikationen ergeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.The invention is described below with reference to the embodiments shown in the attached figures, from which further advantages and modifications result. However, the invention is not limited to the concretely described embodiments but can be modified and altered as appropriate. It is within the scope of the invention to suitably combine individual features and combinations of features of one embodiment with features and combinations of features of another embodiment in order to arrive at further embodiments according to the invention.

Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Halbleiterbauelemente. Im Speziellen beziehen sie sich auf Leistungshalbleiterbauelemente und insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente mit zumindest teilweise vertikalem Stromfluss. Weiterhin beziehen sich Ausführungsformen auf Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.

  • 1A bis 1C zeigen einzelne Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Dotierungszone gemäß einer ersten Ausführungsform.
  • 2A zeigt eine Emitterstruktur eines Leistungshalbleiterbauelements mit einer Feldstoppschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 2B zeigt eine Emitterstruktur eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements mit einer Feldstoppschicht sowie hochdotierten Dotierstoffinseln gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 3A zeigt eine Kathodenstruktur eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • 3B zeigt eine Kathodenstruktur eines MCTs (MOS-controlled Thyristor).
  • 3C zeigt eine Kathodenstruktur eines GTOs (Gate turn-off Thyristor).
  • 4 zeigt eine Struktur einer Leistungsdiode gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 5 zeigt den schematischen Verlauf der elektrischen Feldstärke entlang einer vertikalen Linie durch die in 4 gezeigte Struktur.
  • 6 zeigt das Nettodotierstoffprofil eines IGBTs mit einer Feldstoppschicht gemäß einer Ausführungsform.
  • 7 zeigt das schematische Nettodotierstoffprofil eines IGBTs gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 8 zeigt die SIMS- und SRP-Analyse eines mit Selen implantierten Halbleiterkörpers nach einem erfolgten Laseranneal.
  • 9 zeigt die Festkörpersättigungskonzentration verschiedener Dotierstoffe in Silizium als Funktion der Temperatur.
  • 10A und 10B zeigen die Abhängigkeit der Diffusionskonstante verschiedener Dotierstoffe in Silizium in Abhängigkeit von der Temperatur.
Embodiments generally relate to semiconductor devices. In particular, they relate to power semiconductor components and in particular power semiconductor components with at least partially vertical current flow. Furthermore, embodiments relate to methods for manufacturing a semiconductor device.
  • 1A until 1C show individual method steps of a method for producing a doping zone according to a first embodiment.
  • 2A FIG. 1 shows an emitter structure of a power semiconductor component with a field stop layer according to a further embodiment.
  • 2 B shows an emitter structure of a vertical power semiconductor component with a field stop layer and highly doped dopant islands according to a further embodiment.
  • 3A shows a cathode structure of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • 3B shows a cathode structure of an MCT (MOS-controlled thyristor).
  • 3C shows a cathode structure of a GTO (gate turn-off thyristor).
  • 4 12 shows a structure of a power diode according to another embodiment.
  • 5 shows the schematic progression of the electric field strength along a vertical line through the in 4 structure shown.
  • 6 12 shows the net doping profile of an IGBT with a field stop layer according to an embodiment.
  • 7 12 shows the schematic net dopant profile of an IGBT according to a further embodiment.
  • 8th shows the SIMS and SRP analysis of a semiconductor body implanted with selenium after a completed laser anneal.
  • 9 shows the solid-state saturation concentration of various dopants in silicon as a function of temperature.
  • 10A and 10B show the dependence of the diffusion constants of various dopants in silicon as a function of temperature.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Nachfolgend sollen einige Ausführungsformen erläutert werden. Dabei sind gleiche strukturelle Merkmale in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll unter „lateral“ bzw. „laterale Richtung“ eine Richtung bzw. Ausdehnung verstanden werden, die parallel zur lateralen Ausdehnung eines Halbleitermaterials bzw. eines Halbleiterkörpers verläuft. Typischerweise liegt ein Halbleiterkörper als dünner Wafer bzw. Chip vor und umfasst zwei auf gegenüberliegenden Seiten befindliche Flächen, von denen eine Fläche als Hauptfläche bezeichnet wird. Die laterale Richtung erstreckt sich damit parallel zu diesen Oberflächen. Im Gegensatz dazu wird unter dem Begriff „vertikal“ bzw. „vertikale Richtung“ eine Richtung verstanden, die senkrecht zur Hauptfläche und damit zur lateralen Richtung verläuft. Die vertikale Richtung verläuft daher in Dickenrichtung des Wafers bzw. Chips.Some embodiments will be explained below. The same structural features are identified in the figures with the same reference symbols. In the context of the present description, “lateral” or “lateral direction” should be understood to mean a direction or extent that runs parallel to the lateral extent of a semiconductor material or a semiconductor body. Typically, a semiconductor body is in the form of a thin wafer or chip and comprises two surfaces located on opposite sides, one surface of which is referred to as the main surface. The lateral direction thus extends parallel to these surfaces. In contrast, the term "vertical" or "vertical direction" understood a direction that runs perpendicular to the main surface and thus to the lateral direction. The vertical direction therefore runs in the thickness direction of the wafer or chip.

Die in den Figuren gezeigten Strukturen sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern dienen nur dem besseren Verständnis der Ausführungsformen. Dabei sind einzelne Elemente gegenüber anderen Elementen vergrößert dargestellt, um deren Struktur deutlicher zeigen zu können.The structures shown in the figures are not drawn to scale, but are only provided for a better understanding of the embodiments. Individual elements are shown enlarged compared to other elements in order to be able to show their structure more clearly.

Mit Bezug auf 1A bis 1C sollen zunächst einzelne Verfahrensschritte eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform beschrieben werden. Ausgangspunkt ist beispielsweise ein Halbleiterkörper 1, der eine erste Oberfläche 3 und eine der ersten Oberfläche 3 gegenüber liegende zweite Oberfläche 4 aufweist. Der Halbleiterkörper 1 kann beispielsweise aus einem einkristallinen Siliziumhalbleitermaterial bestehen. Andere Halbleitermaterialien wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) oder Verbindungshalbleiter können ebenfalls verwendet werden.Regarding 1A until 1C individual method steps of a manufacturing method according to one embodiment will first be described. The starting point is, for example, a semiconductor body 1 which has a first surface 3 and a second surface 4 lying opposite the first surface 3 . The semiconductor body 1 can consist of a monocrystalline silicon semiconductor material, for example. Other semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) or compound semiconductors can also be used.

Der Halbleiterkörper 1 kann beispielsweise schwach n-dotiert sein, wobei die Dotierstoffkonzentration zwischen etwa 1*1012/cm3 und etwa 1*1015/cm3 liegen kann. Beispielsweise mittels Implantation wird ein Dotierstoff 2 im Bereich der ersten Oberfläche 3 in oberflächennahe Bereiche des Halbleiterkörpers 1 eingebracht. Bei den implantierten Dotierstoffen handelt es sich insbesondere um Selen, Schwefel sowie Mischungen davon. Der Dotierstoff kann auch als selen-, schwefelhaltige Verbindung bzw. Verbindungen eingebracht werden. Dabei kann der Dotierstoff mit einer Dosis von etwa 1*1011/cm2 bis etwa 1*1015/cm2, insbesondere mit einer Dosis bis etwa 1*1012/cm2 bis etwa 1*1014/cm2, und einer Energie von etwa IkeV bis etwa 10MeV, insbesondere mit einer Energie von etwa 10keV bis etwa 500keV, in den Halbleiterkörper 1 implantiert werden. Typischerweise wird der Dotierstoff 2 flach implantiert, beispielsweise bis in eine Tiefe von etwa 0,01 µm bis etwa 3 µm und insbesondere von etwa 0,02 µm bis etwa 0,3 µm. Die Lage des implantierten Dotierstoffs 2 ist in 1A durch die gestrichelte Linie 5 angedeutet.The semiconductor body 1 can be weakly n-doped, for example, with the dopant concentration being between approximately 1*10 12 /cm 3 and approximately 1*10 15 /cm 3 . A dopant 2 in the region of the first surface 3 is introduced into regions of the semiconductor body 1 close to the surface, for example by means of implantation. The implanted dopants are, in particular, selenium, sulfur and mixtures thereof. The dopant can also be introduced as a compound or compounds containing selenium or sulfur. The dopant can be added with a dose of about 1*10 11 /cm 2 to about 1*10 15 /cm 2 , in particular with a dose of up to about 1*10 12 /cm 2 to about 1*10 14 /cm 2 , and an energy of about IkeV to about 10MeV, in particular with an energy of about 10keV to about 500keV, are implanted in the semiconductor body 1. Typically, the dopant 2 is implanted shallowly, for example to a depth of about 0.01 µm to about 3 µm, and more preferably about 0.02 µm to about 0.3 µm. The position of the implanted dopant 2 is in 1A indicated by the dashed line 5.

Nach erfolgter Implantation wird zumindest eine erste kurzzeitige Temperaturbehandlung durchgeführt (1B). Bei der ersten Temperaturbehandlung wirkt typischerweise ein kurzer Energiepuls im Wesentlichen auf die erste Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 ein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Laseranneal oder einen RTA-Schritt (Rapid Thermal Anneal) handeln. Ziel der ersten Temperaturbehandlung ist die möglichst rasche Beseitigung von durch die Implantation hervorgerufenen Schäden im Kristallgitter des Halbleiterkörpers 1. Es hat sich bei Untersuchungen herausgestellt, dass Kristallfehler insbesondere dann sehr wirkungsvoll ausgeheilt werden können, wenn die erste Temperaturbehandlung sehr kurz und bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt wird. Die erste Temperaturbehandlung sollte daher kürzer als 10 sec und insbesondere kürzer als 5 sec sein. Um eine besonders gute Rekristallisation zu erreichen, kann die erste Temperaturbehandlung auch kürzer als 1 sec und, in besonders günstigen Fällen, sogar im Bereich von wenigen msec (beispielsweise weniger als 100 msec) bis wenigen µsec und sogar unterhalb von 1 µsec sein. Derart kurze Zeiten können insbesondere bei Verwendung eines gepulsten Lasers erreicht werden. Die Pulsdauer von Lasern kann beispielsweise auf Zeiten unterhalb 1 µsec, beispielsweise 200 nsec, eingestellt werden. Im Gegensatz dazu haben Blitzlampen, die beispielsweise bei RTA-Verfahren eingesetzt werden, eine Blitzdauer von einigen msec. Unter der „Dauer“ der ersten Temperaturbehandlung wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Dauer insbesondere eines auf den Halbleiterkörper 1 einwirkenden Energiepulses verstanden.After the implantation has taken place, at least a first short-term temperature treatment is carried out ( 1B) . During the first temperature treatment, a short energy pulse typically acts essentially on the first surface 3 of the semiconductor body 1 . This can be, for example, a laser anneal or an RTA step (rapid thermal anneal). The aim of the first heat treatment is to eliminate damage caused by the implantation in the crystal lattice of the semiconductor body 1 as quickly as possible. Investigations have shown that crystal defects can be healed very effectively in particular if the first heat treatment is carried out very briefly and at very high temperatures becomes. The first temperature treatment should therefore be shorter than 10 seconds and in particular shorter than 5 seconds. In order to achieve particularly good recrystallization, the first heat treatment can also be shorter than 1 second and, in particularly favorable cases, even in the range from a few msec (for example less than 100 msec) to a few μsec and even below 1 μsec. Such short times can be achieved in particular when using a pulsed laser. The pulse duration of lasers can, for example, be set to times below 1 μsec, for example 200 nsec. In contrast to this, flash lamps, which are used for example in RTA methods, have a flash duration of a few msec. In the context of the present description, the “duration” of the first thermal treatment is understood to mean the duration, in particular, of an energy pulse acting on the semiconductor body 1 .

Die Verwendung von sehr kurz gepulsten kurzwelligen Lasern mit einer maximalen Impulsdauer von beispielsweise 1000 nsec hat sich als besonders günstig herausgestellt. Ohne sich einschränken zu wollen, wird der Grund hierfür wie folgt verstanden. Die elektromagnetische Strahlung des Laserlichts wird in sehr oberflächennahen Schichten des Halbleiterkörpers 1 nahezu vollständig absorbiert. Dabei dringt das Laserlicht nur wenige nm in den Halbleiterkörper 1 ein, da der Absorptionskoeffizient von beispielsweise UV-Strahlung mit etwa 3 bis 5 eV Photonenenergie im Bereich 3*104/cm bis etwa 3*106/cm bei kristallinem Silizium als Festkörper liegt. Bei einer Wellenlänge des Laserlichts im Bereich von etwa 300 nm ist daher die eingestrahlte Lichtleistung I0 innerhalb von etwa 5 bis 10 nm auf 1/e*I0 abgesunken. Die eingestrahlte Energie führt zur Ausbildung einer „Wärmewelle“, die von der ersten Oberfläche 3 in den Halbleiterkörper 1 eindringt. Bei entsprechend hoher zugeführter Energie führt diese Wärmewelle zum Aufschmelzen von oberflächennahen Bereichen des Halbleiterkörpers 1. Dabei kann es zum Aufschmelzen des Halbleiterkörpers 1 bis in eine Tiefe von etwa 200 bis 300 nm kommen. Beobachtungen haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Wärmewelle und damit verbunden eine „Aufschmelzwelle“ in den Halbleiterkörper 1 eindringt, von der Dauer der Belichtung abhängt, wobei die Geschwindigkeit umso höher ist, je kürzer die Belichtungszeit ist. Aus Vergleichen ist ebenfalls bekannt, dass ein kurzes und schnelles Aufschmelzen zu einer besseren Rekristallisation des Halbleiterkörpers führt.The use of very short-pulsed, short-wave lasers with a maximum pulse duration of, for example, 1000 nsec has proven to be particularly advantageous. Without intending to be limiting, the reason for this is understood as follows. The electromagnetic radiation of the laser light is almost completely absorbed in layers of the semiconductor body 1 that are very close to the surface. The laser light only penetrates a few nm into the semiconductor body 1 since the absorption coefficient of UV radiation, for example, with photon energy of around 3 to 5 eV is in the range of 3*10 4 /cm to around 3*10 6 /cm with crystalline silicon as the solid body . With a wavelength of the laser light in the range of about 300 nm, the radiated light power I 0 has therefore dropped to 1/e*I 0 within about 5 to 10 nm. The radiated energy leads to the formation of a “heat wave” that penetrates the semiconductor body 1 from the first surface 3 . If the energy supplied is correspondingly high, this heat wave leads to the melting of regions of the semiconductor body 1 near the surface. The semiconductor body 1 can thereby melt down to a depth of approximately 200 to 300 nm. Observations have shown that the speed at which the heat wave and the associated “melting wave” penetrates into the semiconductor body 1 depends on the duration of the exposure, with the speed being higher the shorter the exposure time is. It is also known from comparisons that short and rapid melting leads to better recrystallization of the semiconductor body.

Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, kann durch die kurzzeitige erste Temperaturbehandlung eine Clusterbildung des eingebrachten Dotierstoffs vermindert und teilweise sogar weitgehend vermieden werden. Das Problem der Clusterbildung soll nachfolgend, ohne sich einschränken zu wollen, am Beispiel von in einen Siliziumhalbleiterkörper implantiertem Selen beschrieben werden.As has surprisingly been shown, cluster formation of the introduced dopant can be reduced and in some cases even largely avoided by the brief first heat treatment. The problem of cluster formation will be described below, without wishing to be restricted, using the example of selenium implanted in a silicon semiconductor body.

Selen hat eine vergleichsweise geringe Festkörpersättigungskonzentration in Silizium, wie es beispielsweise aus 9 ersichtlich ist. Die Festkörpersättigungslöslichkeit beschreibt die Konzentration von Fremdatomen in einem Halbleitergitter, bis zu der die Fremdatome in das Gitter eingebaut werden können, ohne dass es zu Störungen des Festkörpergitters kommt. Wird die Konzentration der Fremdatome, im vorliegenden Fall Selen, über die Festkörpersättigungskonzentration erhöht, wird Selen in Form von Clustern aus dem Gitter ausgeschieden. Die Clusterbildung erfolgt dabei bevorzugt an Kondensationskeimen im Siliziumgitter, wobei hier insbesondere Kristallfehler eine Rolle spielen. Kristallfehler treten jedoch unweigerlich in Folge einer Implantation auf. Bei entsprechend hohen Implantationsdosen kann es sogar zu einer Amorphisierung des Halbleiterkörpers kommen. Bei einer nachträglichen Wärmebehandlung zur Ausheilung des Kristallgitters diffundieren die Selenatome und segregieren an den vorhandenen Kristallfehlern. Die Segregation führt zur Bildung von Selen-Clustern. Da Selen eine hohe Diffusionskonstante in Silizium aufweist, konzentriert sich vergleichsweise schnell viel Selen in den Clustern.Selenium has a comparatively low solid state saturation concentration in silicon, such as that made of 9 is evident. The solid-state saturation solubility describes the concentration of foreign atoms in a semiconductor lattice up to which the foreign atoms can be incorporated into the lattice without disturbing the solid-state lattice. If the concentration of foreign atoms, in this case selenium, is increased above the saturation concentration of the solid, selenium is eliminated from the lattice in the form of clusters. The cluster formation preferably takes place at condensation nuclei in the silicon lattice, with crystal defects playing a particular role here. However, crystal defects inevitably occur as a result of implantation. With correspondingly high implantation doses, amorphization of the semiconductor body can even occur. During a subsequent heat treatment to heal the crystal lattice, the selenium atoms diffuse and segregate at the existing crystal defects. The segregation leads to the formation of selenium clusters. Since selenium has a high diffusion constant in silicon, a large amount of selenium is concentrated in the clusters comparatively quickly.

Die kurzzeitige erste Temperaturbehandlung führt jedoch zu einer deutlichen Reduktion der Segregation von Selen. Die erste Temperaturbehandlung wird dabei so kurz durchgeführt, dass im Wesentlichen keine oder nur eine geringe Diffusion des Selens im Halbleiterkörper erfolgt. Gleichzeitig werden durch die erste Temperaturbehandlung die Kristallgitterschäden und damit die „Kondensationskeime“ beseitigt. Wird die erste Temperaturbehandlung so durchgeführt, dass es zu einem Aufschmelzen von oberflächennahen Bereichen des Halbleiterkörpers kommt, erfolgt sogar eine zusätzliche Reinigung dieser Bereiche durch das Aufschmelzen, vergleichbar einem Floating-Zone-Verfahren. Da Selen aufgrund der Kürze der ersten Temperaturbehandlung nicht nennenswert diffundieren kann, kann sich Selen auch nicht in Clustern sammeln. Die Selenatome bleiben daher weitgehend gleichmäßig im Siliziumkristallgitter verteilt.However, the brief first temperature treatment leads to a significant reduction in the segregation of selenium. In this case, the first temperature treatment is carried out so briefly that there is essentially no diffusion of the selenium, or only a small one, in the semiconductor body. At the same time, the crystal lattice damage and thus the "condensation nuclei" are eliminated by the first temperature treatment. If the first temperature treatment is carried out in such a way that regions of the semiconductor body near the surface are melted, these regions are even cleaned by the melting, comparable to a floating zone method. Since selenium cannot diffuse appreciably due to the shortness of the first temperature treatment, selenium cannot collect in clusters either. The selenium atoms therefore remain largely evenly distributed in the silicon crystal lattice.

Im Ergebnis wird durch die erste Temperaturbehandlung die Ausbildung mehratomiger Selencluster, welche wesentlich geringer als implantierte Einzelatome als Dotierstoffquelle wirken, vermieden. Dadurch kann selbst bei deutlicher Störung des Kristallgitters durch die Implantation von Selen, wobei die Amorphisierungsdosis etwa 2*1014/cm2 beträgt, und sogar bei darüber hinaus gehenden Dosen eine Clusterbildung vermindert oder sogar deutlich reduziert werden.As a result, the formation of polyatomic selenium clusters, which act as a dopant source to a much lesser extent than implanted individual atoms, is avoided by the first heat treatment. As a result, cluster formation can be reduced or even significantly reduced even if the crystal lattice is clearly disturbed by the implantation of selenium, with the amorphization dose being approximately 2*10 14 /cm 2 , and even with doses that go beyond this.

Zur Durchführung der ersten Temperaturbehandlung können pro bestrahlte Fläche ein oder mehrere Laserpulse verwendet werden. Eine typische Pulsdauer beträgt dabei etwa 100 nsec bis 300 nsec, wobei dies zu einer Schmelzdauer von etwa 100 nsec bis 800 nsec je nach Leistung des Laserpulses führen kann. Die eingestrahlte Energieflächendichte kann dabei im Bereich von etwa 0,5 bis 10 J/cm2 und insbesondere in einem Bereich größer als 3 J/cm2 liegen. Als Lichtquelle können beispielsweise XeCl-Eximer-Laser mit einer Laserlichtwellenlänge von 308 nm oder Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm eingesetzt werden. Weitere geeignete Excimer-Laser mit anderen Gaszusammensetzungen sind F2 (157 nm), Xe (172 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeBr (282 nm) und XeF (351 nm) Laser, wobei insbesondere die Excimer-Laser mit sehr kurzwelliger Emissionswellenlänge für eine oberflächennahe Absorption geeignet sind. Die Maximaltemperatur beim Aufschmelzen liegt dabei etwa bei 1400°C. In einigen Ausführungsbeispielen liegt die erreichte Maximaltemperatur T1 der ersten Temperaturbehandlung bei Werten oberhalb von etwa 700°C. In anderen Ausführungsbeispielen kann die erreichte Maximaltemperatur T1 der ersten Temperaturbehandlung sogar Werte oberhalb von 1000°C bzw. sogar 1100°C und darüber erreichen. Je höher die Maximaltemperatur T1 der ersten Temperaturbehandlung ist, desto kürzer kann deren Dauer sein, so dass dadurch die Ausbildung der Cluster besser vermieden werden kann.One or more laser pulses can be used per irradiated area to carry out the first temperature treatment. A typical pulse duration is about 100 nsec to 300 nsec, which can lead to a melting duration of about 100 nsec to 800 nsec, depending on the power of the laser pulse. The energy surface density radiated in can be in the range from about 0.5 to 10 J/cm 2 and in particular in a range greater than 3 J/cm 2 . For example, XeCl eximer lasers with a laser light wavelength of 308 nm or Nd-YAG lasers with a wavelength of 532 nm can be used as the light source. Other suitable excimer lasers with other gas compositions are F 2 (157 nm), Xe (172 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeBr (282 nm) and XeF (351 nm) lasers, in particular the Excimer lasers with a very short emission wavelength are suitable for near-surface absorption. The maximum temperature during melting is around 1400°C. In some exemplary embodiments, the maximum temperature T1 reached during the first temperature treatment is at values above approximately 700°C. In other exemplary embodiments, the maximum temperature T1 reached during the first temperature treatment can even reach values above 1000° C. or even 1100° C. and above. The higher the maximum temperature T1 of the first temperature treatment, the shorter its duration can be, so that the formation of the clusters can be better avoided as a result.

Bei den üblicherweise verwendeten Dotierstoffen wie Bor, Phosphor und Arsen, wird dagegen nur eine sehr geringe Clusterbildung beobachtet. Auch ist die Festkörpersättigungslöslichkeit dieser Dotierstoffe, wie 9 entnommen werden kann, vergleichsweise hoch, so dass die Konzentration von elektrisch aktivem Dotierstoff bei den üblicherweise verwendeten Dotierstoffen ebenfalls sehr hoch ist. Dabei werden unter elektrisch aktivem Dotierstoff die Dotierstoffatome verstanden, die im Gitter des Halbleiterkörpers eingebaut sind und damit elektrisch aktiviert werden können, d. h. diese wirken als Donatoren bzw. Akzeptoren. Die in Clustern konzentrierten Dotierstoffatome sind dagegen nicht im Gitter eingebaut und können daher auch nicht als Donatoren bzw. Akzeptoren wirken.In the case of the dopants usually used, such as boron, phosphorus and arsenic, only very little cluster formation is observed. Also, the solid state saturation solubility of these dopants, such as 9 can be removed is comparatively high, so that the concentration of electrically active dopant is also very high in the case of the dopants that are usually used. In this context, electrically active dopant is understood to mean the dopant atoms which are built into the lattice of the semiconductor body and can therefore be electrically activated, ie they act as donors or acceptors. In contrast, the dopant atoms concentrated in clusters are not built into the lattice and therefore cannot act as donors or acceptors.

Bei Schwefel, Indium und Antimon kann ebenfalls eine störende Segregation auftreten. So zeigt insbesondere auch Indium eine relativ geringe Festkörpersättigungslöslichkeit und eine starke Tendenz zur Präzipitation bzw. Segregation aus dem Siliziumgitter.Disturbing segregation can also occur with sulphur, indium and antimony. Indium in particular also shows a relatively low saturation solid solubility and a strong Ten denz to precipitation or segregation from the silicon lattice.

Zur Durchführung der ersten Temperaturbehandlung kann beispielsweise der Strahlquerschnitt eines Laserstrahls 7 so konzentriert werden, dass die gewünschte Energiedichte erreicht wird. Die maximal zu belichtende Fläche hängt somit von der Leistungsfähigkeit des verwendeten Lasers ab. Die belichtete Fläche kann dabei etwa quaderförmig mit einer Kantenlänge von beispielsweise etwa 15 mm sein. Beispielsweise mit jeweils einem Impuls wird der Halbleiterkörper 1 an seiner ersten Oberfläche 3 aufgeschmolzen. Dann wird der Halbleiterkörper 1 bzw. die Abbildungsoptik des Lasers relativ zueinander versetzt und ein weiterer Flächenbereich durch einen weiteren Laserpuls aufgeschmolzen. Der Versatz wird dabei so gewählt, dass ein leichter Überlapp zwischen belichteten Flächen auftritt, so dass ein vollständiges Aufschmelzen aller gewünschten Oberflächenbereiche sichergestellt ist. Erfolgt die Implantation nur in einzelnen Oberflächenbereiche, beispielsweise bei Verwendung von Implantationsmasken, genügt es, nur diese Bereiche der ersten Temperaturbehandlung zu unterziehen, d. h. zu bestrahlen.To carry out the first temperature treatment, for example, the beam cross section of a laser beam 7 can be concentrated in such a way that the desired energy density is achieved. The maximum area to be exposed therefore depends on the performance of the laser used. The exposed area can be cuboid with an edge length of about 15 mm, for example. For example, the semiconductor body 1 is melted on its first surface 3 with one pulse each time. Then the semiconductor body 1 or the imaging optics of the laser is offset relative to one another and a further surface area is melted by a further laser pulse. The offset is selected in such a way that there is a slight overlap between exposed areas, so that complete melting of all desired surface areas is ensured. If the implantation only takes place in individual surface areas, for example when using implantation masks, it is sufficient to only subject these areas to the first temperature treatment, i. H. to irradiate.

Es soll angemerkt werden, dass bei der ersten Temperaturbehandlung die Energie im Wesentlichen nur der ersten Oberfläche 3 zugeführt wird, so dass die erste Temperaturbehandlung insbesondere bei Verwendung von kurzen Laserpulsen nur zu einem Aufschmelzen bzw. Aufheizen der ersten Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 führt. Bei Verwendung von Blitzlampen, deren Pulsdauer im Bereich von Millisekunden liegt, kann es dagegen auch zu einem deutlichen Aufheizen der zweiten Oberfläche 4 kommen. Die Temperatureinwirkung ist im Wesentlichen auf diese Oberseite begrenzt, so dass auf der zweiten Oberfläche 4 befindliche Strukturen thermisch nicht oder nur gering belastet werden. Da die eingestrahlte Energie relativ schnell dissipiert, führt die Wärmebehandlung auf der ersten Oberfläche 3 nur zu einem geringen Aufwärmen der zweiten Oberfläche 4. Dadurch können auf der zweiten Oberfläche 4 sogar Strukturen vorhanden sein, beispielsweise Metallisierungen, die bei Temperaturen zwischen 400°C und 500°C schmelzen.It should be noted that during the first temperature treatment, the energy is essentially only supplied to the first surface 3, so that the first temperature treatment only leads to melting or heating of the first surface 3 of the semiconductor body 1, particularly when short laser pulses are used. On the other hand, when flash lamps are used, the pulse duration of which is in the range of milliseconds, the second surface 4 can also heat up significantly. The effect of temperature is essentially limited to this upper side, so that structures located on the second surface 4 are not or only slightly thermally stressed. Since the radiated energy is dissipated relatively quickly, the heat treatment on the first surface 3 leads to only a slight warming up of the second surface 4. As a result, structures can even be present on the second surface 4, for example metallizations, which are produced at temperatures between 400° C. and 500 melting °C.

Nach der ersten Temperaturbehandlung wird eine zweite Temperaturbehandlung durchgeführt, deren Maximaltemperatur T2 unterhalb der Maximaltemperatur T1 der ersten Temperaturbehandlung liegt. Die zweite Temperaturbehandlung ist schematisch in 1C gezeigt. Typischerweise ist die zweite Temperaturbehandlung ein Ofenprozess, durch den der eingebrachte Dotierstoff ausdiffundiert und damit die räumliche Ausdehnung der Dotierungszone, die in 1C mit 6 bezeichnet ist, eingestellt wird. Die zweite Temperaturbehandlung ist schematisch in 1C durch die gewellte Linie 8 angedeutet. Die Dotierungszone 6 kann neben dem Dotierstoff 2 noch mit weiteren Dotierstoffen, beispielsweise die der Grunddotierung des Halbleiterkörpers, dotiert sein. Der Dotierstoff 2 sollte jedoch die vorherrschende Dotierung sein.After the first temperature treatment, a second temperature treatment is carried out, the maximum temperature T2 of which is below the maximum temperature T1 of the first temperature treatment. The second temperature treatment is shown schematically in 1C shown. Typically, the second temperature treatment is a furnace process, through which the introduced dopant diffuses out and thus the spatial expansion of the doping zone, which is 1C denoted by 6 is adjusted. The second temperature treatment is shown schematically in 1C indicated by the wavy line 8. In addition to the dopant 2, the doping zone 6 can also be doped with other dopants, for example those of the basic doping of the semiconductor body. However, dopant 2 should be the dominant doping.

Bei einem typischen Ofenprozess kann der Halbleiterkörper 1 beispielsweise in einen auf etwa 600°C vorgeheizten Ofen eingebracht werden. Nachdem sich der Halbleiterkörper 1 auf diese Temperatur erwärmt hat, erfolgt ein kontrolliertes Aufheizen auf beispielsweise 900°C mit einem Temperaturgradienten von etwa 1 bis 10°C/min. In Abhängigkeit von der gewünschten Diffusionstiefe wird der Halbleiterkörper 1 bei der Zieltemperatur für mindestens 1 min und insbesondere mehr als 5 min temperiert. Typische Zeiten liegen sogar bei mindestens 10 bis 15 min, wobei eine durchschnittliche Temperierungszeit bei der Zieltemperatur etwa 30 Minuten beträgt. Als Zeitdauer der zweiten Temperaturbehandlung gilt dabei die Dauer der Temperung bei der Zieltemperatur T2. Anschließend wird der Halbleiterkörper beispielsweise mit einem Temperaturgradienten von etwa 1 bis 10°C/min und insbesondere etwa 5°C/min auf Temperaturen unterhalb von 600°C abgekühlt und dann dem Ofen entnommen.In a typical furnace process, the semiconductor body 1 can be introduced into a furnace that has been preheated to approximately 600° C., for example. After the semiconductor body 1 has heated up to this temperature, it is heated up in a controlled manner to, for example, 900° C. with a temperature gradient of approximately 1 to 10° C./min. Depending on the desired diffusion depth, the semiconductor body 1 is tempered at the target temperature for at least 1 minute and in particular for more than 5 minutes. Typical times are even at least 10 to 15 minutes, with an average tempering time at the target temperature being around 30 minutes. The duration of the second temperature treatment is the duration of the tempering at the target temperature T2. The semiconductor body is then cooled to temperatures below 600° C., for example with a temperature gradient of approximately 1 to 10° C./min and in particular approximately 5° C./min, and then removed from the furnace.

Die Zieltemperatur bzw. Maximaltemperatur T2 der zweiten Temperaturbehandlung liegt bei einigen Ausführungsformen unterhalb von 1000°C. In anderen Ausführungsbeispielen erreicht die Zieltemperatur T2 dagegen nur Werte im Bereich bis zu 950°C. Typischerweise liegt die Zieltemperatur T2 etwa im Bereich von 700°C bis 950°C.The target temperature or maximum temperature T2 of the second temperature treatment is below 1000° C. in some embodiments. In other exemplary embodiments, on the other hand, the target temperature T2 only reaches values in the range of up to 950°C. Typically, the target temperature T2 is approximately in the range of 700°C to 950°C.

Durch die zweistufige Temperaturbehandlung ist es möglich, die Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs sogar so weit zu erhöhen, dass Sie oberhalb der Festkörpersättigungslöslichkeit im Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers liegt. Daher wird der Dotierstoff in einer Ausführungsform mit einer Dosis eingebracht, die so gewählt ist, dass die Konzentration des Dotierstoffs im Halbleiterkörper zumindest bereichsweise höher ist als die Festkörpersättigungslöslichkeit des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers.The two-stage temperature treatment makes it possible to increase the concentration of the electrically active dopant to such an extent that it is above the solid-state saturation solubility in the semiconductor material of the semiconductor body. Therefore, in one embodiment, the dopant is introduced with a dose that is selected such that the concentration of the dopant in the semiconductor body is at least in regions higher than the solid-state saturation solubility of the semiconductor material of the semiconductor body.

Die Erhöhung der Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs gegenüber der Festkörpersättigungslöslichkeit lässt sich dabei, ohne sich einschränken zu wollen, wie folgt verstehen. In aufgeschmolzenem Halbleitermaterial kann der Dotierstoff in einer Konzentration vorliegen, welche die Festkörpersättigungslöslichkeit deutlich übersteigen kann. Durch ein rasches Aufschmelzen und insbesondere rasches Abkühlen wird erreicht, dass über die Festkörpersättigungslöslichkeit hinaus mehr Dotierstoffatome in das Kristallgitter eingebaut werden. Erfolgt das Abkühlen auf ausreichend geringe Temperaturen so schnell, dass die Dotierstoffatome weitgehend immobil sind, ist auch eine Segregation bis zu einem gewissen Grad oder sogar weitgehend unterdrückt. Wird die Konzentration der Dotierstoffatome über die Festkörpersättigungslöslichkeit erhöht, kann dies allerdings zu Verspannungen innerhalb des Kristalls führen. Die eingebauten Fremdatome sind dabei jedoch elektrisch aktiv, d. h. sie sitzen an Gitterplätzen. Verspannte Halbleitergitter sind insbesondere dann tolerierbar, wenn sie beispielsweise als dünne Schichten ausgebildet sind. Daher kann die Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs insbesondere bereichsweise, beispielsweise in dünnen Schichten, höher als die Festkörpersättigungslöslichkeit im Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers sein. Beispielsweise kann die Konzentration des elektrisch aktiven Selens in der Dotierungszone 6 größer als 1016/cm3 und insbesondere größer als 5*1016/cm3 sein. Dies gilt ebenso für Schwefel. Bei Indium kann sogar eine noch höhere Konzentration erreicht werden, beispielsweise etwa 1*1018/cm3 bis etwa 3*1018/cm3.The increase in the concentration of the electrically active dopant compared to the solid-state saturation solubility can be understood as follows, without wishing to be restricted. In melted semiconductor material, the dopant can be present in a concentration that can significantly exceed the solid-state saturation solubility. Rapid melting and, in particular, rapid cooling ensure that more dopant atoms are incorporated into the crystal lattice beyond the solid-state saturation solubility. Is the cooling to sufficient low temperatures so quickly that the dopant atoms are largely immobile, segregation is also suppressed to a certain extent or even largely. However, if the concentration of the dopant atoms is increased above the solid-state saturation solubility, this can lead to strains within the crystal. However, the built-in foreign atoms are electrically active, ie they sit at lattice sites. Strained semiconductor lattices can be tolerated in particular when they are in the form of thin layers, for example. The concentration of the electrically active dopant can therefore be higher than the solid-state saturation solubility in the semiconductor material of the semiconductor body, in particular in certain areas, for example in thin layers. For example, the concentration of the electrically active selenium in the doping zone 6 can be greater than 10 16 /cm 3 and in particular greater than 5*10 16 /cm 3 . This also applies to sulphur. With indium an even higher concentration can be achieved, for example about 1*10 18 /cm 3 to about 3*10 18 /cm 3 .

Gemäß einer Ausführungsform kann auf der ersten Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 eine optionale Barriereschicht 9 zumindest bereichsweise ausgebildet werden. Die Barriereschicht 9, die in 1C gestrichelt dargestellt ist, kann beispielsweise durch Oxidation der ersten Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 und/oder durch Abscheiden einer Schicht auf die erste Oberfläche 3 gebildet werden. Die Barriereschicht 9 soll dabei ein Abdampfen des eingebrachten Dotierstoffs von der ersten Oberfläche 3 unterbinden bzw. deutlich vermindern. Geeignete Materialien für die Barriereschicht 9 sind beispielsweise Siliziumoxid sowie Siliziumnitrit. Siliziumoxid kann beispielsweise durch thermische Oxidation bzw. Abscheidung einer TEOS-Schicht gebildet werden. Siliziumnitrit wird typischerweise abgeschieden oder durch Nitridierung von Silizium gebildet. Eine Kombination dieser Materialien ist ebenfalls möglich.According to one embodiment, an optional barrier layer 9 can be formed at least in regions on the first surface 3 of the semiconductor body 1 . The barrier layer 9, which is 1C shown in broken lines can be formed, for example, by oxidizing the first surface 3 of the semiconductor body 1 and/or by depositing a layer on the first surface 3 . The barrier layer 9 is intended to prevent or significantly reduce evaporation of the introduced dopant from the first surface 3 . Examples of suitable materials for the barrier layer 9 are silicon oxide and silicon nitrite. Silicon oxide can be formed, for example, by thermal oxidation or deposition of a TEOS layer. Silicon nitride is typically deposited or formed by nitriding silicon. A combination of these materials is also possible.

Ist eine Diffusionsbeschleunigung beim Eintreiben des Dotierstoffs mittels der zweiten Temperaturbehandlung gewünscht, so können - insbesondere durch die Barriereschicht 9 hindurch - Siliziumzwischengitteratome, z. B. durch Implantation eines vom Dotierstoff 2 verschiedenen Implantationsstoffs in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden. Dabei sollte die Dosis noch deutlich unter der Amorphisierungsgrenze liegen, um eine Clusterbildung des eingebrachten Dotierstoffs 2 zu vermeiden. Das Einbringen des Implantationsstoffs erfolgt typischerweise nach der ersten Temperaturbehandlung. Die Barriereschicht 9 kann dagegen vor oder nach der ersten Temperaturbehandlung erzeugt werden. Als Implantationsstoff eignen sich insbesondere solche Atome, die bezüglich des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 1 nicht dotierend sind. Im Falle des Siliziumhalbleiterkörpers sind dies insbesondere Siliziumatome. Siliziumzwischengitteratome werden jedoch auch durch eine Oxidation der Halbleiteroberfläche injiziert, so dass bereits die Ausbildung einer thermisch hergestellten Siliziumoxidbarrierenschicht 9 zur Ausbildung von Zwischengitteratomen und damit zu einer Diffusionsbeschleunigung führt.If diffusion acceleration is desired when driving in the dopant by means of the second temperature treatment, silicon interstitial atoms, e.g. B. be introduced into the semiconductor body 1 by implanting an implantation substance different from the dopant 2 . The dose should still be well below the amorphization limit in order to avoid clustering of the introduced dopant 2. The implantation substance is typically introduced after the first temperature treatment. In contrast, the barrier layer 9 can be produced before or after the first temperature treatment. Atoms that are not doping with respect to the semiconductor material of the semiconductor body 1 are particularly suitable as the implant material. In the case of the silicon semiconductor body, these are in particular silicon atoms. However, silicon interstitial atoms are also injected by oxidation of the semiconductor surface, so that the formation of a thermally produced silicon oxide barrier layer 9 leads to the formation of interstitial atoms and thus to an acceleration of diffusion.

In einer weiteren Ausführungsform können mehrere kurze erste Temperaturbehandlungen durchgeführt werden. Dabei kann zwischen den Temperaturbehandlungen weiterer Dotierstoff 2 in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden. So ist es beispielsweise möglich, bei Verwendung mehrerer Laserpulse bzw. höherenergetischer Pulse zum Ausheilen der ersten Oberfläche 3 auf die zweite Temperaturbehandlung zu verzichten. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn auf der zweiten Oberseite 4 des Halbleiterkörpers 1 bereits eine Metallisierung bzw. Passivierung aufgebracht ist, da durch die extrem kurzen Energiepulse des Lasers die Temperatur auf der zweiten Oberseite unterhalb von etwa 400 bis 450°C gehalten werden kann und somit die dort befindliche Metallisierung und Passivierung in einem kompatiblen Temperaturbereich bleibt.In a further embodiment, several short first temperature treatments can be carried out. In this case, further dopant 2 can be introduced into the semiconductor body 1 between the temperature treatments. It is thus possible, for example, to dispense with the second thermal treatment when using a plurality of laser pulses or higher-energy pulses to anneal the first surface 3 . This is of particular interest when a metallization or passivation has already been applied to the second top side 4 of the semiconductor body 1, since the extremely short energy pulses of the laser can keep the temperature on the second top side below approximately 400 to 450°C and thus the metallization and passivation located there remains in a compatible temperature range.

Durch Verwendung von mehreren aufschmelzenden Laserpulsen werden die implantierten Dotierstoffatome bereits geringfügig ausdiffundiert. Da durch das Aufschmelzen auch auf der ersten Oberfläche 3 aufliegende Partikel entfernt werden, können somit auch mehrere Implantationen erfolgen, zwischen denen beispielsweise mindestens ein Laserannealschritt (eine erste Temperaturbehandlung) durchgeführt wird, um den Einfluss von Maskierungen zu reduzieren. Störende Maskierungen werden beispielsweise durch Verunreinigungen auf der ersten Oberfläche 3, beispielsweise durch Partikel, verursacht. In den durch die aufliegenden Partikel abgeschatteten Bereichen erfolgt keine Implantation von Dotierstoff. Allerdings wirkt sich das Aufschmelzen durch die Laserannealschritte auch auf das Ausdiffundieren des Dotierstoffs in die abgeschatteten Bereiche aus, da die Dotierstoffatome eine relativ hohe laterale Diffusionslänge in dem oberflächlich aufgeschmolzenen Halbleiterkörper aufweisen.By using several melting laser pulses, the implanted dopant atoms are already slightly out-diffused. Since the melting also removes particles lying on the first surface 3, a number of implantations can also take place between which, for example, at least one laser annealing step (a first temperature treatment) is carried out in order to reduce the influence of masking. Disturbing masking is caused, for example, by contamination on the first surface 3, for example by particles. There is no implantation of dopant in the areas shaded by the particles lying thereon. However, the melting by the laser annealing steps also has an effect on the outdiffusion of the dopant into the shadowed regions, since the dopant atoms have a relatively long lateral diffusion length in the semiconductor body melted on the surface.

Es ist daher möglich, die erste Temperaturbehandlung in zumindest zwei separate Temperaturschritte aufzuteilen, die jeweils für sich sehr kurz sind und zu einem Aufheizen der ersten Oberfläche auf eine Temperatur T1 führen, welche die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 1 erreichen kann. Ebenso ist es möglich, den Dotierstoff durch mindestens zwei separate Implantationsschritte einzubringen, wobei sich nach jedem Implantationsschritt ein kurzer Temperaturschritt anschließt. Auf eine nachfolgende zweite Temperaturbehandlung kann, wenn sich nach dem letzten Implantationsschritt beispielsweise mehrere Temperaturschritte anschließen, auch verzichtet werden.It is therefore possible to divide the first temperature treatment into at least two separate temperature steps, which are each very short and lead to heating of the first surface to a temperature T1, which can reach the melting temperature of the semiconductor material of the semiconductor body 1. It is also possible to introduce the dopant by at least two separate implantation steps, with a short temperature step following each implantation step. On a subsequent second temperature treatment, if after the last implants tion step, for example connecting several temperature steps, can also be dispensed with.

Mit Bezug auf 2 bis 5 sollen nachfolgend einige Halbleiterbauelemente beschrieben werden, bei denen das oben skizzierte Verfahren zur Bildung von Halbleitergebieten, beispielsweise Feldstoppschichten, eingesetzt werden kann. Das Verfahren ist jedoch nicht auf die Bildung von Feldstoppschichten beschränkt.Regarding 2 until 5 Some semiconductor components will be described below in which the method outlined above for forming semiconductor regions, for example field stop layers, can be used. However, the method is not limited to the formation of field stop layers.

2A und 2B zeigen unterschiedlich ausgebildete Emitterstrukturen, die sich jeweils beliebig mit den in 3A bis 3C gezeigten Zellstrukturen kombinieren lassen. Dies geschieht durch gedankliches Kombinieren einer der in 2A und 2B gezeigten Strukturen mit einer der in 3A bis 3C gezeigten Strukturen, wobei die 2A bis 2B dann den unteren Bereich des Halbleiterbauelements und die 3A bis 3C den oberen Teil des Halbleiterbauelements zeigen. Die Kombination erfolgt an der gestrichelten Linie. 2A and 2 B show differently designed emitter structures, each of which can be arbitrarily combined with the in 3A until 3C cell structures shown can be combined. This is done by mentally combining one of the in 2A and 2 B structures shown with one of the in 3A until 3C structures shown, where the 2A until 2 B then the bottom of the semiconductor device and the 3A until 3C show the upper part of the semiconductor device. The combination occurs at the dashed line.

Ein Halbleiterkörper 10 weist im Bereich seiner ersten Oberfläche 11 (im vorliegenden Fall Rückseite) ein Emittergebiet 18 auf, das beispielsweise p-leitend ist. Zwischen dem Emittergebiet 18 und einem Driftgebiet 13, das sich typischerweise in einem mittleren Bereich des Halbleiterkörpers 10 erstreckt, ist eine Feldstoppschicht 16 angeordnet. Das Driftgebiet 13 ist beispielsweise schwach n-dotiert. Die Feldstoppschicht 16 ist ebenfalls n-dotiert, weist jedoch eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 13 auf. Die Feldstoppschicht 16 lässt sich beispielsweise durch das oben beschriebene Verfahren durch Einbringen, beispielsweise durch Implantation, eines Dotierstoffs in die erste Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 mit anschließender kurzer erster und längerer zweiter Temperaturbehandlung bilden. Die zweite Temperaturbehandlung dient dann insbesondere dem Eintreiben des Dotierstoffs, so dass sich die Feldstoppschicht 16 von der ersten Oberfläche 11 aus gesehen weiter in den Halbleiterkörper 10 erstreckt als das Emittergebiet 18.A semiconductor body 10 has, in the region of its first surface 11 (rear side in the present case), an emitter region 18 which is p-conductive, for example. A field stop layer 16 is arranged between the emitter region 18 and a drift region 13 which typically extends in a central region of the semiconductor body 10 . The drift region 13 is weakly n-doped, for example. The field stop layer 16 is also n-doped but has a higher dopant concentration than the drift region 13 . The field stop layer 16 can be formed, for example, by the method described above by introducing, for example by implantation, a dopant into the first surface 11 of the semiconductor body 10 with subsequent short first and longer second temperature treatment. The second temperature treatment then serves in particular to drive in the dopant, so that the field stop layer 16 extends further into the semiconductor body 10 than the emitter region 18, as seen from the first surface 11.

Auf der ersten Oberfläche 11 kann eine Rückseitenmetallisierung 31 ausgebildet sein, die mit einem Rückseitenanschluss 30 verbunden ist. Es ist ebenfalls möglich, hoch dotierte p-leitende Dotierstoffinseln 17, wie in 2B gezeigt, auszubilden. Durch die Verwendung von hoch dotierten Dotierstoffinseln 17 kann der Durchlasswiderstand des Halbleiterbauelements weiter reduziert werden. Alternativ können die Dotierstoffinseln 17 auch n-dotiert sein, um somit eine Rückwärtsleitfähigkeit des Bauelements zu ermöglichen. Eine in lateraler Richtung alternierende Abfolge von n- und p-dotierten Dotierstoffinseln ist auch möglich.A backside metallization 31 connected to a backside connection 30 can be formed on the first surface 11 . It is also possible to use highly doped p-type dopant islands 17, as in 2 B shown to train. By using highly doped dopant islands 17, the on-state resistance of the semiconductor component can be further reduced. Alternatively, the dopant islands 17 can also be n-doped, in order to enable reverse conductivity of the component. A sequence of n- and p-doped dopant islands alternating in the lateral direction is also possible.

Bei der in 3A gezeigten Zellstruktur eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) sind im Bereich der zweiten Oberfläche 12 (im vorliegenden Fall Vorderseite bzw. Hauptfläche) des Halbleiterkörpers 10 beispielsweise p-leitende Bodygebiete 14 eindiffundiert. N-leitende Sourcegebiete 15 sind an der zweiten Oberfläche 12 in die Bodygebiete 14 eingebettet. Leitfähige Kanäle, im vorliegenden Fall n-Kanäle, werden in den Bodygebieten 14 an der zweiten Oberfläche 12 unterhalb von Gateelektroden 20 ausgebildet. Mittels der Gateelektroden 20 lässt sich dadurch die Basiszone bzw. das Driftgebiet 13 des IGBTs steuern. Die Gateelektroden 20 sind durch ein Gatedielektrikum 21 gegenüber dem Halbleiterkörper 10 sowie einer auf der zweiten Oberfläche 12 aufgebrachten Vorderseitenmetallisierung 41, die mit einem Vorderseitenanschluss 40 verbunden ist, elektrisch isoliert.At the in 3A In the cell structure of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) shown, p-conducting body regions 14, for example, are diffused in the region of the second surface 12 (in the present case the front side or main surface) of the semiconductor body 10. N-conducting source regions 15 are embedded in the body regions 14 on the second surface 12 . Conductive channels, in the present case n-channels, are formed in the body regions 14 on the second surface 12 below gate electrodes 20 . The base zone or the drift region 13 of the IGBT can thereby be controlled by means of the gate electrodes 20 . The gate electrodes 20 are electrically insulated by a gate dielectric 21 from the semiconductor body 10 and from a front-side metallization 41 applied to the second surface 12 and connected to a front-side connection 40 .

In der Schaltungstechnik wird dagegen beim IGBT die Vorderseite als Emitter und die Rückseite als Kathode bezeichnet, wobei dies jedoch nicht mit den bauteilphysikalischen Strukturen des IGBTs korreliert.In circuit technology, on the other hand, the front side of the IGBT is referred to as the emitter and the back side as the cathode, although this does not correlate with the physical component structures of the IGBT.

Die in 3B gezeigte Kathodenstruktur eines MCTs (MOS-controlled Thyristor) weist dagegen ein p-leitendes Basisgebiet 24 mit darin eingebetteten n-leitenden Emittergebieten 23 auf. P-leitende Inseln 22 sind in die Emittergebiete 23 eingebettet. Leitfähige Kanäle 28 werden zwischen den Inseln 22 und der Basis 24 im Emittergebiet 23 unterhalb der Gateelektroden 20 ausgebildet.In the 3B In contrast, the cathode structure shown of an MCT (MOS-controlled thyristor) has a p-conducting base region 24 with n-conducting emitter regions 23 embedded therein. P-type islands 22 are embedded in the emitter regions 23. FIG. Conductive channels 28 are formed between islands 22 and base 24 in emitter region 23 beneath gate electrodes 20 .

Anstelle der in den 3A und 3B gezeigten planaren Zellstrukturen mit einem planarem Gate kann natürlich auch das Gate in einem Graben im Halbleitermaterial realisiert werden, wobei der sich ausbildende Kanal in einer Richtung etwa senkrecht zur zweiten Oberfläche 12 ausgebildet wird. Solche Anordnungen werden häufig als Trench-Gate bezeichnet.Instead of in the 3A and 3B In the planar cell structures shown with a planar gate, the gate can of course also be implemented in a trench in the semiconductor material, with the channel being formed being formed in a direction approximately perpendicular to the second surface 12 . Such arrangements are often referred to as trench gates.

Die in 3C gezeigte Kathodenstruktur eines GTOs (Gate turn-off Thyristor) weist dagegen ein p-leitendes Basisgebiet 25 auf, in dem n-leitende Kathodengebiete 26 ausgebildet sind. Lediglich die Kathodengebiete 26 tragen die Kathodenmetallisierung 41. Zwischen den Kathodengebieten 26 sind Gateelektroden 27 angeordnet.In the 3C In contrast, the cathode structure shown of a GTO (gate turn-off thyristor) has a p-conducting base region 25 in which n-conducting cathode regions 26 are formed. Only the cathode regions 26 carry the cathode metallization 41. Gate electrodes 27 are arranged between the cathode regions 26. FIG.

4 zeigt dagegen die Struktur einer Leistungsdiode mit einem im Bereich der ersten Oberfläche 11 ausgebildeten Emittergebiet 18, das mit einer Anodenmetallisierung 31 belegt ist. Zwischen dem Emittergebiet 18 (Anodenemitter) und der hier rückseitigen zweiten Oberfläche 12, die mit der Kathodenmetallisierung 41 bedeckt ist, erstreckt sich das Driftgebiet 13, an das sich zur zweiten Oberfläche 12 hin eine Feldstoppschicht 16 anschließt. Die Wirkung der Feldstoppschicht bezüglich des elektrischen Feldes ist in 5 angedeutet. Wie daraus erkennbar ist, wird das elektrische Feld in der Feldstoppschicht 16 im Vergleich zur Driftzone 13 erheblich stärker abgebaut, so dass ein Durchgriff des elektrischen Feldes und damit des sperrenden pn-Übergangs zwischen dem Emittergebiet 18 und der Driftzone 13 nicht auf die rückseitige Kathodenmetallisierung 41 durchgreifen kann. 4 1 shows the structure of a power diode with an emitter region 18 formed in the region of the first surface 11 and covered with an anode metallization 31 . Between the emitter region 18 (anode emitter) and the second surface 12 on the back here, which is covered with the cathode metallization 41, the drift region 13 extends, which is adjoined to the second surface 12 by a field stop layer 16. The effect of the field stop layer with respect to the electric field is in 5 implied. As can be seen from this, the electric field in the field stop layer 16 is reduced to a much greater extent than in the drift zone 13, so that the electric field and thus the blocking pn junction between the emitter region 18 and the drift zone 13 cannot penetrate through to the cathode metallization 41 on the rear can take action.

Im Fall der in 2A und 2B gezeigten Strukturen umfasst das Halbleiterbauelement daher im Allgemeinen ein erstes Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp (hier n-leitend), ein zweites Halbleitergebiet vom ersten Leitungstyp sowie ein drittes Halbleitergebiet vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, wobei das zweite Halbleitergebiet zwischen dem ersten und dritten Halbleitergebiet liegt und mit jedem dieser Gebiete jeweils einen Übergangsbereich ausbildet. Das zweite Halbleitergebiet wird in 2A und 2B von der Feldstoppschicht 16 gebildet, die höher dotiert ist als das das erste Halbleitergebiet bildende Driftgebiet 13. Das dritte Halbleitergebiet wird hier vom Emittergebiet 18 gebildet.In the case of the in 2A and 2 B In the structures shown, the semiconductor component therefore generally comprises a first semiconductor region of the first conductivity type (here n-conducting), a second semiconductor region of the first conductivity type and a third semiconductor region of the second conductivity type that is complementary to the first conductivity type, the second semiconductor region lying between the first and third semiconductor regions and forms a transition area with each of these areas. The second semiconductor region is 2A and 2 B formed by the field stop layer 16, which is more highly doped than the drift region 13 forming the first semiconductor region. The third semiconductor region is formed by the emitter region 18 here.

Im Gegensatz dazu ist bei der in 4 gezeigten Struktur das erste Halbleitergebiet zwischen dem zweiten und dritten Halbleitergebiet angeordnet.In contrast, with the in 4 structure shown, the first semiconductor region is arranged between the second and third semiconductor regions.

Das zweite Halbleitergebiet (Feldstoppschicht 16) kann bei allen Strukturen mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden und ist insbesondere mit Schwefel oder Selen dotiert, wobei die Konzentration des elektrisch aktiven Dotierstoffs größer als 5*1015/cm3 ist.The second semiconductor region (field stop layer 16) can be produced in all structures using the method described above and is in particular doped with sulfur or selenium, the concentration of the electrically active dopant being greater than 5*10 15 /cm 3 .

Die Verwendung von Schwefel und insbesondere Selen zur Ausbildung der Feldstoppschicht 16 bietet besondere Vorteile im Hinblick auf das elektrische Verhalten von Halbleiterbauelementen. Dies soll beispielhaft anhand eines IGBTs beschrieben werden. Eine beispielhafte Struktur eines IGBTs ergibt sich durch Kombination der in 2A und 3A gezeigten Strukturen. Ein zugehöriges Dotierungsprofil entlang einer vertikalen Linie durch den IGBT ist in 6 dargestellt. Dabei bezeichnet 50 die vertikale Ausdehnung des Sourcegebiets 15, 51 die vertikale Ausdehnung des Bodygebiets 14, 52 die des Driftgebietes 13, 53 die der Feldstoppschicht 16 und 54 die des Emittergebiets 18.The use of sulfur and in particular selenium to form the field stop layer 16 offers particular advantages with regard to the electrical behavior of semiconductor components. This is to be described using an IGBT as an example. An exemplary structure of an IGBT is obtained by combining the in 2A and 3A structures shown. An associated doping profile along a vertical line through the IGBT is in 6 shown. 50 designates the vertical extent of the source region 15, 51 the vertical extent of the body region 14, 52 that of the drift region 13, 53 that of the field stop layer 16 and 54 that of the emitter region 18.

Schwefel und Selen sind Dotierstoffe, die bezüglich eines Siliziumgrundmaterials jeweils mindestens zwei Energieniveaus haben, die innerhalb der Bandlücke des Siliziums liegen und vom Leitungs- und Valenzband des Siliziums mindestens 200 meV entfernt sind. Dadurch sind diese Dotierstoffatome bei Zimmertemperatur nur zum Teil elektrisch aktiv. Wird der mit Selen bzw. Schwefel dotierte Bereich jedoch von einer Raumladungszone erfasst, werden die Dotierstoffatome vollständig als Doppeldonatoren aktiv, d. h. sie wirken als Donatoren mit zwei freigesetzten Ladungsträgern, so dass ein Schwefel- bzw. Selenatom zweifach geladen ist. Die Energieniveaus von Schwefel und Selen liegen so tief in der Siliziumbandlücke, dass sie erst bei Anlegen einer Raumladungszone vollständig elektrisch aktiviert werden. Beispielsweise liegt ein Energieniveau von Schwefel 260 meV unterhalb des Leitungsbands in Silizium und ein zweites Energieniveau liegt bei 480 meV oberhalb des Valenzbandes. Die Bandlücke von Silizium beträgt 1120 meV. Bei Selen liegen die beiden Energieniveaus etwa 310 meV bzw. 590 meV unterhalb des Leitungsbandes von Silizium. Das elektrisch aktive Dotierstoffprofil ändert sich daher in Abhängigkeit von der Ausdehnung der Raumladungszone, wobei im Sperrfall erheblich mehr Dotierstoffe elektrisch aktiv sind. In 6 ist das unterschiedliche Verhalten von Schwefel und Selen angedeutet, wobei mit 55 das elektrisch wirksame Dotierstoffprofil in Durchlassrichtung und mit 56 das elektrisch wirksame Dotierstoffprofil in Sperrrichtung eingezeichnet ist. Der scharfe Abfall des Profilverlaufs 56 rührt daher, dass sich die Raumladungszone im Sperrfall nur etwa bis zur Mitte der Feldstoppschicht 16 ausdehnt und daher die Selen- bzw. Schwefel-Störstellen nur in diesem Bereich vollständig aktiviert werden.Sulfur and selenium are dopants which, with respect to a silicon base material, each have at least two energy levels which lie within the band gap of the silicon and are at least 200 meV away from the conduction and valence bands of the silicon. As a result, these dopant atoms are only partially electrically active at room temperature. However, if the area doped with selenium or sulfur is covered by a space charge zone, the dopant atoms become fully active as double donors, ie they act as donors with two charge carriers released, so that a sulfur or selenium atom is doubly charged. The energy levels of sulfur and selenium are so deep in the silicon band gap that they are only fully electrically activated when a space charge zone is created. For example, one energy level of sulfur is 260 meV below the conduction band in silicon and a second energy level is 480 meV above the valence band. The band gap of silicon is 1120 meV. In the case of selenium, the two energy levels are about 310 meV and 590 meV, respectively, below the conduction band of silicon. The electrically active dopant profile therefore changes as a function of the extent of the space charge zone, with considerably more dopants being electrically active in the blocking case. In 6 the different behavior of sulfur and selenium is indicated, with the electrically effective dopant profile in the forward direction being indicated at 55 and the electrically effective dopant profile in the reverse direction being indicated at 56 . The sharp drop in the profile progression 56 is due to the fact that the space charge zone in the blocking case extends only approximately to the middle of the field stop layer 16 and the selenium or sulfur defects are therefore only fully activated in this area.

Die mittels Selen bzw. Schwefel dotierte Feldstoppschicht kann weiterhin mit einer Protonen-Dotierung kombiniert werden. Dabei werden die von der ersten Oberfläche 1 bzw. 11 gesehen tieferen Dotierungen mittels Protonenimplantationen hergestellt, während die im Vergleich dazu eher flachen Dotierungen mittels Selen- bzw. Schwefelimplantation hergestellt werden. Solche kombinierten Feldstoppschichten sind besonders geeignet für IGBTs. In 7, welche schematisch das Nettodotierstoffprofil eines IGBTs zeigt, sind beispielhaft zwei vergrabene Protonenimplantationen 57 und eine im Vergleich dazu etwas flachere (in Bezug auf die erste Oberfläche 11) Selen-Dotierung 58 dargestellt. Es können auch mehr oder weniger Protonenimplantationen vorgesehen werden. Die Protonenimplantationen führen zu jeweils vergleichsweise scharfen Peaks im Dotierungsprofil. Die im Vergleich zur Selen-Dotierung 58 tieferen Protoneninduzierten Dotiergebiete 57 beeinflussen das Schaltverhalten bei geeigneter Dimensionierung der Eindringtiefen und der Dotierstoffkonzentrationen bzw. Dotierstoffdosen positiv in Richtung sanfterem Schalten. Dadurch kann auf eine flache und relativ hoch dotierte Protonendotierung zum Erreichen der Sperrfähigkeit verzichtet werden, die bisher häufig eingesetzt wurde.The field stop layer doped with selenium or sulfur can also be combined with proton doping. In this case, the deeper dopings seen from the first surface 1 or 11 are produced by means of proton implantations, while the comparatively shallow dopings are produced by means of selenium or sulfur implantations. Such combined field stop layers are particularly suitable for IGBTs. In 7 , which schematically shows the net dopant profile of an IGBT, two buried proton implantations 57 and a selenium doping 58 that is somewhat flatter in comparison thereto (in relation to the first surface 11) are shown as an example. More or fewer proton implantations can also be provided. The proton implantations each lead to comparatively sharp peaks in the doping profile. The proton-induced doping regions 57, which are deeper than the selenium doping 58, positively influence the switching behavior in the direction of softer switching if the penetration depths and the dopant concentrations or dopant doses are suitably dimensioned. As a result, there is no need for a flat and relatively highly doped proton doping to achieve the blocking capability, which has often been used up to now.

Eine flache und relativ hoch dotierte Protonendotierung kann nämlich das Kurzschlussverhalten verschlechtern. Außerdem ist im Kurzschlussfall die Elektronendichte und somit die negative Ladung in der Raumladungszone so hoch, dass die positive feste Ladung der Dotierstoffatome überkompensiert wird. Daher kann das elektrische Feld bei flacher Protonendotierung dynamisch kippen und hat dann seine höchste Feldstärke nicht mehr am pn-Übergang zwischen Bodygebiet 51 und Driftstrecke 52, sondern am sogenannten nn+-Übergang am rückseitigen Feldstopp. Das Bauelement verliert dabei dynamisch an Sperrfähigkeit und wird zerstört. Durch die Verwendung von Schwefel oder Selen als tiefer Donator kann dieses Problem reduziert werden, da es im thermischen Gleichgewicht nicht vollständig ionisiert ist und damit das elektrische Feld der Raumladungszone zunächst tiefer eindringt. Dies bedeutet, dass der vertikale pnp-Transistor des IGBTs eine geringere neutrale Basisweite besitzt (außerhalb der Raumladungszone) und somit eine höhere Stromverstärkung hat. Es werden somit mehr Löcher aus dem rückseitigen p-Emitter 54 injiziert, welche das elektrische Feld in seinem Gradienten stabilisieren und somit die Sperrfähigkeit sicherstellen.This is because a flat and relatively highly doped proton doping can worsen the short-circuit behavior. In addition, in the event of a short circuit, the electron density and thus the negative charge in the space charge zone is so high that the positive fixed charge of the dopant atoms is overcompensated. The electric field can therefore dynamically tilt with flat proton doping and then no longer has its highest field strength at the pn junction between body region 51 and drift path 52, but at the so-called nn+ junction at the rear field stop. The component dynamically loses its blocking capability and is destroyed. This problem can be reduced by using sulfur or selenium as a deep donor, since it is not completely ionized in thermal equilibrium and the electric field of the space charge zone initially penetrates deeper. This means that the IGBT's vertical pnp transistor has a smaller neutral base width (outside the space charge region) and thus has a higher current gain. More holes are thus injected from the rear p-emitter 54, which stabilize the electric field in its gradient and thus ensure the blocking capability.

8 zeigt Messergebnisse einer mit Selen dotierten Dotierungszone, die mit dem oben beschriebenen Verfahren erzeugt wurde. Kurve 60 zeigt das mit einer SRP-Messung (Spreading Resistance Probing) vermessene Selen, welches mit einer Dosis von 7*1013/cm2 bei einer Beschleunigungsspannung von 90 keV implantiert wurde. Es wurde lediglich ein Laserannealschritt mit einem Puls mit einer Energiedichte von 3,8 J/cm2 durchgeführt. Wie erkennbar, liegt die Dotierstoffkonzentration bereichsweise sogar oberhalb von 1017/cm3 und damit oberhalb der Festkörpersättigungslöslichkeit von Selen in Silizium. Der relativ scharfe Abfall des Profils 60 lässt auf die Verwendung des Laseranneals schließen. Das Selenprofil kann ebenfalls mit SIMS-Messungen (Secondary Ion Mass Spectroscopy) ermittelt werden deren Messergebnisse in 8 durch Kurve 61 angedeutet sind. 8th shows measurement results of a selenium-doped doping zone that was produced using the method described above. Curve 60 shows the selenium measured with an SRP measurement (spreading resistance probing), which was implanted with a dose of 7*10 13 /cm 2 at an acceleration voltage of 90 keV. Only one laser annealing step with a pulse having an energy density of 3.8 J/cm 2 was performed. As can be seen, the dopant concentration is in some areas even above 10 17 /cm 3 and thus above the solid-state saturation solubility of selenium in silicon. The relatively sharp fall-off of profile 60 suggests the use of laser annealing. The selenium profile can also be determined with SIMS measurements (Secondary Ion Mass Spectroscopy), the measurement results of which are given in 8th are indicated by curve 61.

Die deutliche Verringerung von Selen-Clustern bzw. Kristallfehlern konnte durch TEM-Analysen verifiziert werden. The significant reduction in selenium clusters and crystal defects could be verified by TEM analyses.

Durch Verwendung weiterer Messverfahren, beispielsweise DLTS-Messungen (Deep Level Transient Spectroscopy) bzw. Glimmentladungsmassenspektroskopie, kann ebenfalls der Einbau von Selen bzw. den anderen Dotierstoffen nachgewiesen werden, aus denen sich Rückschlüsse zur gezielten Einstellung von Prozessparametern für die Herstellung der Dotierungszone ableiten lassen.By using other measuring methods, for example DLTS measurements (deep level transient spectroscopy) or glow discharge mass spectroscopy, the incorporation of selenium or the other dopants can also be detected, from which conclusions can be drawn for the targeted setting of process parameters for the production of the doping zone.

Die Erfindung wurde im Wesentlichen anhand von Halbleiterleistungsbauelementen und insbesondere Leistungshalbleiterbauelementen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Mit dem oben beschriebenen Verfahren lassen sich jedoch auch Dotierungszonen für beispielsweise CMOS-Halbleiterbauelemente erzeugen. Insbesondere Indium ist hier von Interesse zur Einstellung der Schwellspannung eines MOS-Transistors.The invention was essentially described on the basis of semiconductor power components and in particular power semiconductor components. However, the invention is not limited to this. However, the method described above can also be used to produce doping zones for CMOS semiconductor components, for example. Indium in particular is of interest here for setting the threshold voltage of a MOS transistor.

BezugszeichenlisteReference List

11
Halbleiterkörpersemiconductor body
22
Dotierstoffdopant
33
erste Oberflächefirst surface
44
zweite Oberflächesecond surface
55
implantierter Dotierstoffimplanted dopant
66
Dotierungszone / DotierungsgebietDoping zone / doping area
77
Laserstrahl / erste TemperaturbehandlungLaser beam / first temperature treatment
88th
Ofenprozess / zweite TemperaturbehandlungFurnace process / second temperature treatment
99
Barriereschichtbarrier layer
1010
Halbleiterkörpersemiconductor body
1111
erste Oberflächefirst surface
1212
zweite Oberflächesecond surface
1313
Driftgebiet / Basiszone / erstes HalbleitergebietDrift region / base zone / first semiconductor region
1414
Bodygebietbody area
1515
Sourcegebietsource area
1616
Dotierungszone / Feldstoppschicht / zweites HalbleitergebietDoping zone / field stop layer / second semiconductor region
1717
Dotierstoffinselndopant islands
1818
Emittergebiet / drittes HalbleitergebietEmitter area / third semiconductor area
2020
Gateelektrodegate electrode
2121
Gatedielektrikumgate dielectric
2222
InselIsland
2323
Emittergebietemitter area
2424
Basisgebietbase area
2525
Basisgebietbase area
2626
Kathodengebietcathode area
2727
Gateelektrodegate electrode
2828
Kanalgebietcanal area
3030
Rückseitenanschlussrear connector
3131
Rückseitenmetallisierung / AnodenmetallisierungBack metallization / anode metallization
4040
Vorderseitenanschlussfront connector
4141
Vorderseitenmetallisierung / KathodenmetallisierungFront side metallization / cathode metallization
5050
Sourcegebietsource area
5151
Bodygebietbody area
5252
Driftgebietdrift area
5353
Stoppschichtstop layer
5454
Emittergebietemitter area
5555
Dotierstoffprofil in DurchlassrichtungForward bias dopant profile
5656
Dotierstoffprofil in SperrrichtungReverse direction dopant profile
5757
Protonenimplantationproton implantation
5858
Selenimplantationselenium implantation
6060
SRP-ProfilSRP profile
6161
SIMS-ProfilSIMS profile

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung einer Dotierungszone in einem Halbleiterkörper, aufweisend: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (1); - Einbringen mindestens eines Dotierstoffs (2) in den Halbleiterkörper (1), wobei der Dotierstoff (2) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Schwefel und Selen sowie Mischungen davon; - Durchführen zumindest einer kurzzeitigen ersten Temperaturbehandlung (7) bei einer Temperatur T1; und - Durchführen einer im Vergleich zur ersten Temperaturbehandlung (7) längeren zweiten Temperaturbehandlung (8) bei einer Temperatur T2 zur Ausbildung einer Dotierungszone (6), wobei T1 höher als T2 ist.Method for producing a doping zone in a semiconductor body, comprising: - Providing a semiconductor body (1); - Introduction of at least one dopant (2) in the semiconductor body (1), wherein the dopant (2) is selected from the group consisting of sulfur and selenium and mixtures thereof; - Carrying out at least one short-term first temperature treatment (7) at a temperature T1; and - Carrying out a second temperature treatment (8) which is longer than the first temperature treatment (7) at a temperature T2 to form a doping zone (6), with T1 being higher than T2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperaturbehandlung (7) so durchgeführt wird, dass im Wesentlichen keine Diffusion des Dotierstoffs (2) im Halbleiterkörper (1) erfolgt.procedure after claim 1 , The first temperature treatment (7) being carried out in such a way that essentially no diffusion of the dopant (2) takes place in the semiconductor body (1). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dauer der ersten Temperaturbehandlung (7) kürzer als 10 sec und insbesondere kürzer als 5 sec ist.procedure after claim 1 or 2 , wherein the duration of the first temperature treatment (7) is shorter than 10 seconds and in particular shorter than 5 seconds. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zeitdauer der zweiten Temperaturbehandlung (8) länger als 1 min und insbesondere länger als 5 min ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the duration of the second temperature treatment (8) is longer than 1 minute and in particular longer than 5 minutes. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der Halbleiterkörper (1) eine erste Oberfläche (3) und eine der ersten Oberfläche (3) gegenüberliegende zweite Oberfläche (4) aufweist; - der Dotierstoff zumindest in einen Teilbereich im Bereich der ersten Oberfläche (3) eingebracht wird; und - die erste Temperaturbehandlung (7) so durchgeführt wird, dass die Energie zum Erwärmen des Halbleiterkörpers (1) im Wesentlichen nur seiner ersten Oberfläche (3) zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein - the semiconductor body (1) has a first surface (3) and a second surface (4) opposite the first surface (3); - the dopant is introduced at least into a partial area in the area of the first surface (3); and - The first thermal treatment (7) is carried out in such a way that the energy for heating the semiconductor body (1) is supplied essentially only to its first surface (3). Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Temperaturbehandlung (7) so durchgeführt wird, dass der Halbleiterkörper (1) an seiner ersten Oberfläche (3) zumindest teilweise aufschmilzt.procedure after claim 5 , wherein the first thermal treatment (7) is carried out in such a way that the semiconductor body (1) at least partially melts on its first surface (3). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Temperaturbehandlung ein RTA-Schritt oder ein Laserannealschritt ist.A method according to any one of the preceding claims, wherein the first temperature treatment is an RTA step or a laser annealing step. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Dotierstoff (2) mit einer Dosis eingebracht wird, die so gewählt ist, dass die Konzentration des Dotierstoffs im Halbleiterkörper (1) zumindest bereichsweise höher ist als die Festkörpersättigungslöslichkeit des Dotierstoffs im Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers.Method according to one of the preceding claims, wherein the dopant (2) is introduced with a dose which is selected such that the concentration of the dopant in the semiconductor body (1) is at least in regions higher than the solid-state saturation solubility of the dopant in the semiconductor material of the semiconductor body. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - Bilden einer Barriereschicht (9) zumindest auf einem Teilbereich der ersten Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (1).Method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Forming a barrier layer (9) at least on a portion of the first surface (3) of the semiconductor body (1). Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Barriereschicht (9) durch Oxidation der ersten Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) oder/und durch Abscheiden einer Schicht auf die erste Oberfläche (3) gebildet wird.procedure after claim 9 , wherein the barrier layer (9) is formed by oxidizing the first surface (3) of the semiconductor body (1) and/or by depositing a layer on the first surface (3). Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Barriereschicht (9) ein Material oder eine Materialkombination ausgewählt aus der Gruppe umfassend Siliziumnitrid und Siliziumoxid aufweist.procedure after claim 9 or 10 , wherein the barrier layer (9) comprises a material or a combination of materials selected from the group consisting of silicon nitride and silicon oxide. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - Implantieren eines vom Dotierstoff (2) verschiedenen Implantationsstoffs in den Halbleiterkörper (1) .Method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Implanting one of the dopant (2) different implantation substance in the semiconductor body (1). Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Implantationsstoff durch die Barrierenschicht (9) hindurch implantiert wird.procedure after claim 12 , wherein the implantation substance is implanted through the barrier layer (9). Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Implantationsstoff bzgl. des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers (1) nicht-dotierend ist.procedure after claim 12 or 13 , wherein the implantation material is non-doping with respect to the semiconductor material of the semiconductor body (1). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Temperaturbehandlung aufweist: - Durchführen von mindestens zwei kurzen Temperaturschritten.Method according to one of the preceding claims, wherein the first temperature treatment comprises: - Carrying out at least two short temperature steps. Verfahren nach Anspruch 15, wobei zwischen den Temperaturschritten weiterer Dotierstoff (2) in den Halbleiterkörper (1) eingebracht wird.procedure after claim 15 , wherein further dopant (2) is introduced into the semiconductor body (1) between the temperature steps. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - Implantieren von Protonen in den Halbleiterkörper (1) .Method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Implanting protons in the semiconductor body (1). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei T1 im Bereich oberhalb von 700°C und insbesondere oberhalb von 1000 °C und T2 im Bereich unterhalb von 1000°C und insbesondere unterhalb von 950°C liegt.Method according to one of the preceding claims, wherein T1 is in the range above 700°C and in particular above 1000°C and T2 in the range below 1000°C and in particular below 950°C. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper aus Silizium besteht.Method according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor body consists of silicon. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements oder eines CMOS-Halbleiterbauelements, wobei die Herstellung einer Dotierungszone in einem Halbleiterkörper des Leistungshalbleiterbauelements oder des CMOS-Halbleiterbauelements mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 erfolgt.A method for producing a power semiconductor component or a CMOS semiconductor component, the production of a doping zone in a semiconductor body of the power semiconductor component or the CMOS semiconductor component using a method according to one of Claims 1 until 19 he follows.
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