DE68910360T2

DE68910360T2 - Methode zur Herstellung eines MOS-Halbleiter-Leistungsbauelementes (HIMOS) mit Leitfähigkeitsmodulation.

Info

Publication number: DE68910360T2
Application number: DE89200717T
Authority: DE
Inventors: Salvatore Musumeci; Cesare Ronsisvalle
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1988-03-29
Filing date: 1989-03-21
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2009-03-22
Also published as: JPH0210874A; EP0335445A1; US5073511A; IT8820005A0; JP3012246B2; IT1218200B; DE68910360D1; KR890015353A; EP0335445B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines MOS-Leistungsbauelementes (HIMOS-Bauelement) mit Leitfähigkeitsmodulation und die damit erhaltenen Bauelemente.
Bei HIMOS-Transistoren werden die Beschränkungen, die bei den MOS-Leistungsbauelementen herkömmlichen Typs auf den hohen ohmsche Widerstand der Drain-Epitaxialzone zurückzuführen sind, dadurch überwunden, daß die Leitfähigkeit der Drainzone durch Injektion von Minoritätsträgern in eine in Reihe mit dem Drain liegende übergangszone (p-n oder n-p-übergang, je nachdem, ob es sich um ein HIMOS-Bauelement mit n-Kanal oder mit p-Kanal handelt) moduliert wird.
Um es weniger wahrscheinlich zu machen, daß der innere parasitäre Thyristor der Struktur selbst aktiviert wird, wird häufig zwischen dem Substrat (p&spplus;-leitend oder n&spplus;-leitend) und der die oben erwähnte übergangszone bildenden Epitaxialschicht (n&supmin;- leitend bzw. p&supmin;-leitend) eine dünne (n&spplus;-leitende bzw. p&spplus;- leitende) epitaxiale Pufferschicht vorgesehen, so daß das Maß der Ladung der oben genannten Epitaxialschicht (n&supmin;-leitend bzw. p&supmin;-leitend) erhöht wird. Siehe z.B. IEEE Electron Device Letters, Band EDL-6, Nr. 5, Mai 1985, "Modeling the turn-off characteristics of the bipolar-mode transistor", herausgegeben von S. Kuo u.a.; siehe außerdem IEEE Electron Device Letters, Band EDL-5, Nr. 11, November 1984, Seiten 437-439.
Es ist jedoch nicht möglich, mit Hilfe der Epitaxialtechnik die Pufferschicht mit Dotierstoffkonzentrationen von mehr als 10¹&sup6; Atomen/cm³ herzustellen: dies begrenzt die Wirksamkeit der oben genannten Pufferschicht sehr.
Die Erfindung macht es möglich, eine Pufferschicht mit Dotierstoffkonzentrationen herzustellen, die wesentlich höher sind als diejenigen, die man durch epitaktisches Wachstum erreichen kann, mit der doppelten Wirkung, daß das Bauelement vor der Gefahr der Aktivierung des parasitären Transistors geschützt wird und daß die Ausschaltzeit des HIMOS-Transistors wesentlich verkürzt wird. Dies wird erreicht durch ein Herstellungsverfahren, wie es im Patentanspruch 1 definiert ist.
Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung umfaßt für den Zweck der Bildung der oben genannten Pufferschicht die folgenden Phasen:
- epitaktisches Aufwachsen einer dünnen Halbleiterschicht auf dem oben genannten Substrat und mit demselben Leitfähigkeitstyp wie das Substrat selbst;
- Ionenimplantierung oder Ablagerung von Dotierstoff des für die Bildung der Pufferschicht erforderlichen n- oder p- Leitungstyps in der genannten dünnen Schicht, gefolgt von anschliepender Diffundierung.
Die Merkmale der Erfindung gehen deutlicher aus der nachstehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen einer nicht als Einschränkung anzusehenden Ausführungsform hervor, wobei
Fig. 1a die Struktur eines HIMOS-Leistungstransistors herkömmlichen Typs zeigt;
Fig. 1b die Ersatzschaltung der Struktur nach Fig. 1a zeigt;
Fig. 2 die Struktur eines HIMOS-Transistors mit einer epitaxialen Pufferschicht zeigt;
Figuren 3a-3e schematische Darstellungen einer Struktur während der verschiedenen Phasen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind;
Fig. 3f die Struktur eines HIMOS-Transistors am Ende des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigt;
Figuren 4a und 4b Kurven zeigen, welche die Dotierstoffkonzentrationen in der Pufferschicht darstellen, wie sie sich mit dem herkömmlichen Verfahren und mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzielen lassen.
Die Fig. 1a zeigt die Struktur eines herkömmlichen HIMOS- Leistungstransistors mit n-Kanal. Bei dieser Strukur wird die Leitfähigkeit der Drainzone moduliert durch Injektion von Minoritätsträgers in den pn-übergang, der in Reihe mit dem Drain liegt und aus dem p&spplus;-leitenden Substrat und der darüberliegenden epitaxialen n&supmin;-leitenden Schicht besteht.
Die Fig. 1b zeigt die Ersatzschaltung der in Fig. 1a dargestellten Struktur und insbesondere den der Struktur eigenen inneren parasitären Thyristor. Dieser parasitäre Thyristor wird immer dann aktiviert, wenn die Summe αn + αp der Stromverstärkungen des npn- und des pnp-Transistors jeweils in Basisschaltung den Wert 1 erreicht (wobei αn = αnpn und αp = αpnp). Um die Aktivierung des parasitären Transistors zu verhindern, muß daher also (αn + αp) < 1 sein. In der Praxis ist es notwendig, sicherzustellen, daß diese Bedingung durch möglichst weitgehende Reduzierung des Wertes von αp erfüllt wird. Da die Stromverstärkung α eine Funktion sowohl der Dicke als auch der Konzentration des Grund-Dotierstoffes ist (in dem Sinne, daß die Verstärkung abnimmt, wenn jede dieser Größen ansteigt), besteht eine der gebräuchlichsten Lösungen darin, eine dünne n&spplus;-leitende Epitaxialschicht ("Puffer") zwischen dem p&spplus;-leitenden Substrat und der n&supmin;-leitenden Epitaxialschicht zusätzlich vorzusehen (wie es in der Struktur der Fig. 2 gezeigt ist), um so die Ladungsmenge in der n&supmin;-leitenden Epitaxialzone zu erhöhen, welche die Basis des pnp-Transistors ist (in der Fig. 2 besteht die Basis des pnp-Transistors aus der n&spplus;-leitenden epitaxialen Pufferschicht gemeinsam mit der n&supmin;-leitenden Epitaxialschicht), wodurch eine beträchtliche Verminderung von αp erzielt wird.
Die Verminderung von αp, äquivalent mit einer Abnahme in der Menge an Minoritätsträgern (Löchern), die während der leitenden Phase aus dem p&spplus;-Substrat injiziert und in der n&supmin;-Zone gespeichert werden, bringt auch eine beträchtliche Reduzierung der Ausschaltzeiten der in Fig. 2 gezeigten Bauelemente infolge der kleineren Menge an zu rekombinierenden Löchern.
Das bekannte Verfahren zur Bildung der Struktur nach Fig. 2 besteht darin, daß auf dem p&spplus;-Substrat nacheinander die n&spplus;- Pufferschicht und die darüberliegende n&supmin;-Zone durch die Epitaxialtechnik gezüchtet werden und daß dann mit der Herstellung des Bauelementes fortgefahren wird.
Mit der Epitaxialtechnik ist es aber nicht möglich, die Pufferschicht mit einer Dotierungskonzentration von mehr als 10¹&sup6; Atomen/cm³ auszustatten, weder für n-Dotierstoffe noch für p-Dotierstoffe. Dies zeigt die begrenzte Wirksamkeit dieser Lösung. Andererseits ist es mit der durch die Erfindung vorgeschlagenen Lösung möglich, eine Pufferschicht mit einer viel höheren Konzentration an Dotierstoff herzustellen, als es mit epitaxialem Wachstum möglich ist, so daß man eine drastischere Reduzierung sowohl von αp als auch der Ausschaltzeiten des Bauelementes erreicht.
Das zur Herstellung der Pufferschicht gemäß der Erfindung angewandte Verfahren ist veranschaulicht durch das Beispiel, das in den Figuren 3a-3e gezeigt ist, die schematisch die Struktur eines Bauelementes während der verschiedenen Phasen ihres Herstel lungsverfahrens darstellen.
Das Verfahren beginnt mit einem Substrat 1 aus p&spplus;&spplus;(100)- Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 15-20 mOhm cm (Fig. 3a), auf dem durch epitaktisches Wachstum eine dünne Schicht 4 p-leitenden Siliziums (mit Bor dotiert) gebildet wird, die ungefähr 15 um dick ist und einen spezifischen Widerstand von 25 Ohm cm hat (Fig. 3b).
Eine Dosis von 5.10¹&sup4; Atomen/cm² an Antimon wird auf dieser Epitaxialschicht implantiert (Fig. 3c), und dann wird der Dotierstoff Sb bei einer Temperatur T = 1150 ºC über die Dauer von zwei Stunden diffundiert, um die n&spplus;-Schicht zu bilden, die eine kleinere Dicke als die erste aufgewachsene Epitaxialschicht hat (Fig. 3d).
An diesem Punkt wird das zweite epitaktische Wachstum der n- leitenden Schicht 3 durchgeführt, deren spezifischer Widerstand und Dicke durch die Spannung BVDSS des herzustellenden Bauelementes bestimmt werden (Fig. 3e). Bei der Herstellungsfolge (übergang von Fig. 3d zu Fig. 3e) wird die restliche dünne p-Schicht (die für die Zwecke der Erfindung nicht notwendig ist) vollständig durch das Herausdiffundieren des Bors aus dem Substrat absorbiert, wobei sich die Pufferschicht 2 vollständig ausbildet.
Sobald die n-leitende Schicht 3 gebildet worden ist, läuft das Herstellungsverfahren genauso wie bei jedem anderen MOS- Leistungsbauelement. Die Struktur des fertigen Bauelementes ist in der Fig. 3f gezeigt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die erste p-leitende Epitaxialschicht (die direkt auf dem p&spplus;&spplus;-Substrat gewachsen ist) dem Zweck dient, das Herausdiffundieren des Bors aus dem Substrat zu puffern, denn wenn die Implantierung direkt auf dem p&spplus;&spplus;- Substrat erfolgte, würde sich das Bor im Substrat während der nachfolgenden Wärmebehandlungen bei hoher Temperatur zur Epitaxialschicht ausbreiten und das Verschwinden des n&spplus;- Puffers bewirken, weil die Konzentration des Bors die Konzentration des Antimons übersteigen würde.
Die Figuren 4a und 4b beziehen sich auf ein HIMOS-Bauelement, das mit dem bekannten Verfahren hergestellt ist, und auf ein ähnliches Bauelement, das gemäß der Erfindung hergestellt ist, und ermöglichen die Durchführung eines Vergleichs zwischen der mit dem herkömmlichen Verfahren erzielbaren Dotierung und der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Dotierung. Die Figuren offenbaren die durch das letztgenannte Verfahren möglich gemachte beträchtliche Steigerung der Dotierstoffkonzentration in der "Puffer"-Schicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach dem ersten epitaktischen Wachstum der p-Schicht auf dem p&spplus;&spplus;- Substrat (Fig. 3b) der Dotierstoff Antimon durch Vorablagerung anstatt durch Implantierung aufgebracht und anschließend diffundiert, womit man wieder die Struktur nach Fig. 3d erhält; der Rest des Verfahrens bleibt unverändert.
Es ist natürlich möglich, Arsen oder Phosphor anstelle von Antimon zu verwenden, sowohl bei der Ionenimplantierung als auch bei der Vorablagerung.
Auch ist es einleuchtend, daß das vorstehend beschriebene Verfahren auch für HIMOS-Bauelemente mit p-Kanal verwendet werden kann, indem man von einem n-Substrat ausgeht und den Leifähigkeitstyp für alle nachfolgenden Zonen der Fig. 3 jeweils umkehrt.
Gegenüber dem herkömmlichen Verfahren nach Fig. 2 bietet das Verfahren nach der vorstehend beschriebenen Erfindung nicht nur den Vorteil größerer Sicherheit vor der Gefahr des Aktivierens des parasitären Thyristors und den Vorteil einer Verminderung der Ausschaltzeiten, sondern auch die nachstehenden Vorteile:
- die erste epitaktisch gewachsene Schicht auf dem p&spplus;&spplus;- Substrat ist p-leitend (Fig. 3b) und nicht n-leitend, so daß das Auftreten von Selbstdotierung verhindert wird (bestehend aus der Verdampfung des Dotierstoffes des Substrates mit folgender unerwünschter Aufnahme in der Epitaxialschicht);
- die Menge des Dotierstoffes in der n&spplus;-Schicht (Puffer) wird bei der Technik der Ionenimplantierung leichter kontrollierbar als mit der Technik epitaktischen Wachstums, es ergibt sich eine Streuung von 8% sowohl hinsichtlich des spezifischen Widerstandes als auch hinsichtlich der Dicke, was zu einer genaueren Optimierung der n&spplus;-Schicht führt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines MOS-Halbleiter- Leistungsbauelementes mit n-Kanal oder p-Kanal und mit Leitfähigkeitsmodulation, bei welchem die Leitfähigkeit der Drainzone moduliert wird durch Injektion von Minoritätsträgern eines in Reihe mit dem Drain liegenden pn- bzw. np-Übergangs, der aus einem p&spplus;-leitenden bzw.n&spplus;-leitenden Halbleitersubstrat (1) besteht, über dem aufeinanderfolgend eine n&spplus;-leitende bzw. p+-leitende dünne Pufferschicht (2) und eine n-leitende bzw. p-leitende Epitaxialschicht (13) liegt, wobei das Bilden der genannten Pufferschicht (2) die Durchführung folgender Phasen nacheinander beinhaltet:

- epitaktisches Aufwachsen einer dünnen p-leitenden bzw. n- leitenden Halbleiterschicht (4) auf dem genannten Halbleitersubstrat (1);

- Ionenimplantierung oder Ablagerung von Dotierstoff des n- Typs bzw. des p-Typs an der genannten dünnen Halbleiterschicht (4);

- Diffundierung des genannten Dotierstoffes bei einer genügend hohen Temperatur und für eine genügend lange Zeitdauer, um die Bildung einer n&spplus;-leitenden bzw. p&spplus;-leitenden Schicht zu ermöglichen,

wobei diesen Phasen das epitaktische Aufwachsen der genannten n-leitenden bzw. p-leitenden Schicht (3) folgt.

2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und die Zeitdauer der genannten Diffundierung des Dotierstoffes in der genannen dünnen Halbleiterschicht (4) so gesteuert werden, daß die Dicke der resultierenden n&spplus;-leitenden bzw. p&spplus;-leitenden Schicht kleiner ist als die ursprüngliche Dicke der genannten dünnen Schicht (4)