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Dokumentenidentifikation DE19860581A1 06.07.2000
Titel Halbleiterelement und Verfahren zur Herstellung
Anmelder Asea Brown Boveri AG, Baden, Aargau, CH
Erfinder Linder, Stefan, Dr., Zofingen, CH
Vertreter Lück, G., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 79761 Waldshut-Tiengen
DE-Anmeldedatum 29.12.1998
DE-Aktenzeichen 19860581
Offenlegungstag 06.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2000
IPC-Hauptklasse H01L 21/328
Zusammenfassung In einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes (6) mit einer Kathode (3) und einer Anode (5) wird als Ausgangsmaterial ein relativ dicker Wafer (1) verwendet, in welchem als erster Schritt anodenseitig eine Stoppzone (21) eingebracht wird. Anschließend wird er kathodenseitig behandelt, woraufhin die Dicke des Wafers (1) auf der der Kathode (3) entgegengesetzten Seite reduziert wird und in einem weiteren Schritt auf dieser Seite eine Anode (5) erzeugt wird. Es entsteht ein relativ dünnes Halbleiterelement, welches kostengünstig und ohne Epitaxie-Schichten herstellbar ist.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eines Halbleiterelementes gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Stand der Technik

Um bestmögliche elektrische Charakteristiken von Halbleiter- Leistungsschaltern, wie zum Beispiel eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu erzielen, muss die Dicke der aktiven Zone eines Halbleiterelementes so nahe wie möglich an den physikalischen Materialgrenzen gewählt werden.

Beispielweise hat die Dicke einen direkten Einfluss auf die Durchlassverluste. Im Falle von Durchbruchspannungen von 600-1800 V sind deshalb Dicken des Halbleiterelementes von 60-250 µm wünschenswert. Derartig geringe Dicken stellen jedoch in der Produktion der Halbleiterelemente ein grosses Problem dar, da Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm und mehr eine Dicke von mindestens 300 µm aufweisen sollten, um die Bruchgefahr bei der Herstellung zu minimieren.

Bisher wurde dieses Problem durch die sogenannte Epitaxie- Technik gelöst. Dabei wird auf einem Trägersubstrat mit einer relativ grossen Dicke von 400-600 µm eine elektrisch aktive Zone gezüchtet. Das Träger-Substrat gewährleistet dabei dem entstandenen Halbleiterelement einerseits die notwendige Stabilität, andererseits bildet das Substrat die Anode des Halbleiterelementes.

Im allgemeinen ist zwischen Trägersubstrat und elektrisch aktiver Zone eine Stoppschicht, auch Buffer genannt, angeordnet. Die Stoppschicht dient im Blockierfall dazu, das elektrische Feld abrupt vor der Anode abzubremsen und damit von dieser fern zu halten, da, sollte das elektrische Feld die Anode erreichen, das Halbleiterelement zerstört wird. Die Züchtung der aktiven Zone ist ein langwieriges und kompliziertes Verfahren, so dass diese Epitaxie-Technik relativ teuer ist. Ferner weist diese Technik den Nachteil auf, dass es nicht möglich ist, das Trägersubstrat, das heisst die Anode, genügend schwach zu dotieren. Dies wäre jedoch von Vorteil, da die Anode eines Leistungshalbleiterelementes möglichst schwach dotiert sein sollte, damit dieses ideale elektrische Eigenschaften erhält. Eine schwache Dotierung bedeutet jedoch eine hohe Resistivität, was bei der relativ grossen Dicke des Trägersubstrates zu einem nicht vernachlässigbaren Widerstandswert führen würde.

Es ist deshalb ein neueres Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes bekannt, welches keine Epitaxie-Schichten benötigt. Derartige Verfahren sind beispielsweise bekannt aus Darryl Burns et al., NPT-IGBT-Optimizing for manufacturability, IEEE, Seite 109-112, 0-7803-3106-0/1996; Andreas Karl, IGBT Modules Reach New Levels of Efficiency, PCIM Europe, Issue 1/1998, Seite 8-12 und J. Yamashita et al., A novel effective switching loss estimation of nonpunchthrough and punchthrough IGBTs, IEEE, Seite 331-334, 0- 7803-3993-2/1997. Die mit diesem Verfahren hergestellten Halbleiterelemente werden als NPT (non-punch-through) bezeichnet, im Gegensatz zu den punch-through Halbleiterelementen gemäss dem Epitaxie-Verfahren.

Bei diesem Verfahren dient ein relativ dicker Wafer ohne Epitaxieschicht als Ausgangsmaterial. Typische Dicken liegen bei 400-600 µm. In einem ersten Schritt wird der Wafer kathodenseitig behandelt, das heisst, es werden Photolithographie, Ionenimplantation, Diffusionen, Ätzungen und sonstige für die Herstellung des Halbleiterelementes notwendigen Prozesse durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird der Wafer auf der der Kathode entgegengesetzten Seite auf seine gewünschte Dicke reduziert. Dies erfolgt durch übliche Techniken, im allgemeinen durch Schleifen und Ätzen. In einem dritten Schritt wird nun auf dieser reduzierten Seite eine Anode eindiffundiert.

Obwohl sich dieses Verfahren gegenüber dem Epitaxieverfahren durch seine geringeren Kosten auszeichnet, weist es doch auch mehrere Nachteile auf:

Die Diffusion der Anode ist relativ schwierig, da in diesem Verfahrensschritt der Wafer bereits sehr dünn ist und somit leicht brechen kann. Zudem darf das Element nicht mehr stark erhitzt werden, da im ersten Verfahrensschritt bereits kathodenseitig Metallschichten aufgebracht worden sind, welche bei Temperaturen über 500°C schmelzen. Somit lässt sich nur eine geringe Dotierung der Anode erzielen. Dies könnte sich zwar positiv auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelementes auswirken. Da es jedoch nicht gelingt, eine genügend starke Dotiermenge einzubauen, welche als Buffer dienen könnte, muss das Halbleiterelement genügend dick sein, damit im Sperrbetrieb ein Lawinenzusammenbruch erfolgt, bevor das elektrische Feld die Anode erreicht. Grundsätzlich sind derartig hergestellte Halbleiterelemente somit dicker als nach der Epitaxie-Technik hergestellten Elemente. Dadurch ist der Vorteil der schwach dotierten Anode durch die eingangs erwähnten Nachteile einer zu dicken aktiven Zone zumindest teilweise aufgehoben.

In EP-A-0'700'095 ist ferner ein abschaltbarer Thyristor offenbart, welcher für hohe Blockierspannungen geeignet ist. Er besteht aus einem Halbleiterelement mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode einen transparenten Emitter aufweist. Derartige Anodenemitter sind bereits für Bauelemente mit geringer Leistung wie Solarzellen, Dioden oder Transistoren bekannt. Unter einem transparenten Anodenemitter versteht man einen anodenseitigen Emitter mit vergleichsweise schwacher Injektion, so dass hohe Anteile des von der Kathode kommenden Elektronenstroms rekombinationslos und damit ohne Auslösung eines injizierten Loches extrahiert werden können. Diesem transparenten Anodenemitter ist eine Stoppschicht vorgelagert, welche zum einen im Sperrbetrieb das elektrische Feld reduziert, zum anderen aber auch dazu dienen kann, die Injektionseffizienz der transparenten Anode zu beeinflussen. Die Stoppschicht wird dabei entweder eindiffundiert oder epitaktisch erzeugt, wobei das Dotierprofil im ersten Fall eine Gauss'sche Verteilung und im zweiten Fall eine über die Schichtdicke homogene beziehungsweise stufenförmige Verteilung aufweist. Obwohl dieses Halbleiterelement im Betriebszustand ein positives Verhalten aufweist, lässt es sich aufgrund der Bruchgefahr ebenfalls nicht beliebig dünn herstellen.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein möglichst dünnes Halbleiterelement zu schaffen, welches kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Halbleiterelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 7.

Das erfindungsgemässe Verfahren kombiniert die Vorteile eines mittels Epitaxie-Technik und eines mittels NPT-Technik hergestellten Halbleiterelementes, wobei ein Halbleiterelement geschaffen wird, welches sich in seinen elektrischen Eigenschaften von den mit diesen zwei bekannten Verfahren hergestellten Halbleiterelementen klar abhebt.

Erfindungsgemäss wird wie in der NPT-Technik ohne Epitaxieschichten gearbeitet, wobei vor der kathodenseitigen Behandlung des Ausgangsmaterials eine Stoppzone eingebracht wird. Die Einbringung der Stoppzone erfolgt von einer der zukünftigen Kathode entgegengesetzten Seite des Wafers mittels Dotierung, wodurch ein Dotierprofil entsteht, dessen Dichte zur zukünftigen Anode hin zunimmt und welches ein abgeschnittenes Dotierprofil aufweist. Nach kathodenseitiger Prozessierung wird der Wafer so weit gedünnt, dass das Dotierprofil bis auf eine niedrig dotierte Endzone entfernt wird, welche im wesentlichen die Stoppzone bildet.

Anschliessend lässt sich eine schwach dotierte Anode, vorzugsweise mit einem transparenten Anodenemitter, herstellen, welche durch die benachbarte, vorzugsweise angrenzende Stoppzone, im Sperrbetrieb vor dem elektrischen Feld geschützt ist.

Vorteilhaft ist ferner, dass das erfindungsgemässe Halbleiterelement 6 im Gegensatz zu den Elementen der Epitaxie-Technik einen positiven Temperaturkoeffizienten des Spannungsabfalls im Durchlassbetrieb aufweist.

Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich zur Herstellung der verschiedenartigsten Halbleiterelemente, insbesondere für IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), GTOs (Gate turn-off Thyristor) oder konventionelle Thyristoren verwenden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren und der Erfindungsgegenstand anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a-1e die Herstellung eines erfindungsgemässen Halbleiterelementes vom Ausgangsmaterial bis zum Endprodukt und

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Diffusionsprofils sowie des elektrischen Feldes im Sperrbetrieb entlang dem Schnitt A- A' gemäss Fig. 1b bzw. dem Schnitt A-B gemäss Fig. 1e.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Wie in den Fig. 1a bis 1e dargestellt ist, wird das erfindungsgemässe Halbleiterelement aus einem einstückigen, vorzugsweise uniform n--dotierten Wafer 1 hergestellt (Fig. 1a). Der Wafer 1 in seiner Form als Ausgangsmaterial ist relativ dick, wobei die Dicke so bemessen ist, dass sie die Bruchgefahr beim Handhaben des Wafers 1 minimiert. Typische Werte liegen bei 400-600 µm.

In einem ersten Verfahrensschritt wird der Wafer 1 von einer Seite her n+-dotiert, wobei hierfür bekannte Techniken, wie Ionen-Implantation mit anschliessender Diffusion, Belegung mit anschliessender Diffusion oder Diffusion aus der Gasphase, verwendet werden. Wie in Fig. 1b mit Pfeilen dargestellt ist, erfolgt die Dotierung einseitig. Es ist jedoch auch möglich, den Wafer zweiseitig zu dotieren, wobei in diesem Fall der Wafer anschliessend auf einer Seite reduziert wird. Im Wafer 1 resultiert ein Diffusionsgebiet 2 mit einem Dotierprofil 20, welches quellenseitig zunimmt (Fig. 2), wobei es von einer niedrig n-dotierten Zone in eine hochdotierte n+-Zone übergeht. Die Form des Dotierprofils hängt von der Herstellungstechnik ab, im allgemeinen ist sie gaussförmig oder entspricht einer komplementären Fehlerfunktion.

Die Eindringtiefe ist relativ hoch, vorzugsweise reicht sie über mindestens die halbe Dicke des Wafers 1, jedoch nicht bis zur gegenüberliegenden Seite. Die Dotierung ist in Fig. 1b punktiert dargestellt, wobei die Dichte der Punkte schematisch die Dotierungsdichte kennzeichnen. Vorzugsweise ist das Dotierprofil jedoch im Gegensatz zur Darstellung gemäss Fig. 1b stufenlos.

Durch die Wahl der Eindringtiefe sowie der Steigung des Dotierprofils 20 lässt sich die Dicke des resultierenden Halbleiterelementes vordefinieren, wie später erläutert wird. Die Diffusion erfolgt im allgemeinen bei einer relativ hohen Temperatur, vorzugsweise bei über 1200°C. Durch die grosse Eindringtiefe ist eine relativ lange Diffusionszeit, im allgemeinen über mehrere Tage, notwendig.

In einem nächsten Schritt wird die nicht diffundierte Seite des Wafers 1 behandelt, wobei eine Kathodenstruktur 3 mit einer n+-dotierten Kathode 3', eine Kathodenmetallisierung 4 und vorzugsweise eine Steuerelektrode 7 mittels bekannter Prozesse auf- beziehungsweise eingebracht wird. Diese Prozesse entsprechen den bei der NPT-Technik beschriebenen und werden hier deshalb nicht mehr ausführlich erläutert. Je nach Typ des herzustellenden Halbleiterelementes unterscheiden sich diese Prozesse, so wie sich auch die daraus entstehenden Strukturen der aktiven Zone 3 unterscheiden. Das in Fig. 1c dargestellte Ergebnis einer derartigen kathodenseitigen Behandlung ist deshalb lediglich ein Beispiel von vielen Möglichkeiten.

In einem nächsten Schritt wird nun der Wafer 1 auf der der Kathodenmetallisierung 4 entgegengesetzten Seite in seiner Dicke reduziert, vorzugsweise durch Schleifen und Ätzen, wie dies in der NPT-Technik durchgeführt wird. Vorzugsweise wird dabei das gesamte Diffusionsgebiet 2 bis auf eine niedrig ndotierte Endzone entfernt, welche mindestens annähernd eine Stoppzone 21 bildet.

In einem letzten Schritt (Fig. 1e) wird auf der reduzierten Seite des Wafers 1 eine Anode mit einem transparenten Anodenemitter eingebracht, indem eine Randzone entsprechend dotiert wird. Diese Randzone ist im Vergleich zur Dicke des resultierenden Halbleiterelementes schmal. Der Anodenemitter, welcher im hier dargestellten Fall die gesamte Anode bildet, wird dabei p+-dotiert, wobei die Flächenbelegung mit p- Dotieratomen an der Anode weniger als 2 × 1014 cm-2, vorzugsweise weniger als 1 × 1013 cm-2 beträgt. Je nach Typ des Halbleiterelementes weist die Anode verschiedenartige Strukturen auf. Anschliessend lässt sich auch auf dieser Seite eine zweite Metallschicht, die Anodenmetallisierung 6, zur Kontaktierung anbringen. Vorzugsweise wird zum Schluss die Anodeneffizienz durch Bestrahlung mit hochenergetischen Ionen in die Anode 5 und den an die Anode 5 angrenzenden Teil der Stoppschicht 21 reduziert.

Es entsteht, wie Fig. 1e zeigt, ein Halbleiterelement HL mit einer Kathodenstruktur 3 mit zugehöriger Kathodenmetallisierung 4 und Steuerelektrode 7, einer Anode 5 mit zugehöriger Anodenmetallisierung 6 und einer der Anode 5 benachbarten, vorzugsweise an diese angrenzende Stoppzone 21, welche ein zur Anode 5 hin abgeschnittenes Dotierungsprofil aufweist. Das erfindungsgemässe Halbleiterelement HL weist jedoch eine relativ geringe Dicke auf, typischerweise 80-180 µm, wobei die Dicke von der Spannungsklasse des Halbleiterelementes abhängt.

In Fig. 2 erkennt man das Gesamtprofil der wesentlichen Dotierungen des erfindungsgemässen Halbleiterelementes HL:

Die Strecke von A nach A' in der Ordinate zeigt den Wafer 1 in seiner ursprünglichen Dicke, die Strecke von A nach B die Dicke des fertiggestellten Halbleiterelementes HL. Die Abszisse zeigt einerseits das elektrische Feld, andererseits ist sie logarhythmisch und stellt die Anzahl Dotieratome pro cm2 dar.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, wird das n--dotierte Ausgangsmaterial im ersten Verfahrensschritt zur implantierten oder dotierten Seite hin durch eine n- beziehungsweise n+- Dotierung abgelöst, wobei die Dichte zur dotierten Seite hin zunimmt. Bei der Reduktion der Waferdicke wird die verbleibende dotierte Endzone, das heisst die Sperrzone 21, so dimensioniert, dass im Sperrbetrieb des Halbleiterelementes ein Lawinenzusammenbruch erfolgt, bevor das elektrische Feld die Anode 5 erreicht hat. Um den Emitter-Wirkungsgrad zu optimieren, ist die Dotierung der Stoppzone so stark gewählt, dass anodenseitig eine Spitzendotierung von mindestens 5 × 1014 cm-3, vorzugsweise 1 × 1015 cm-3, und maximal 6 × 1016 cm-3, vorzugsweise 1 × 1016 cm-3, erreicht wird. Dies ist in diesem Beispiel vor der Stelle = Punkt B - Dicke der Anode 5 der Fall, wobei Punkt B die Dicke des fertiggestellten Halbleiterelementes gemäss Fig. 1e darstellt.

Fig. 2 zeigt zudem das elektrische Feld im Sperrbetrieb.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht somit die Herstellung von dünnen Leistungshalbleiterelementen mit einer transparenten Anode und einer integrierten Stoppschicht. Bezugszeichenliste 1 Wafer

2 Diffusionsgebiet

20 Dotierprofil

21 Stoppzone

3 Kathodenstruktur

3' Kathode

4 Kathodenmetallisierung

5 Anode

6 Anodenmetallisierung

7 Steuerelektrode

HL Halbleiterelement

ESP Elektrisches Feld im Sperrbetrieb


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes (HL) mit einer Kathode (3) und einer Anode (5) aus einem Wafer (1), wobei
    1. a) der Wafer (1) zuerst kathodenseitig behandelt wird,
    2. b) daraufhin die Dicke des Wafers (1) auf der der Kathode (3') entgegengesetzten Seite reduziert wird und
    3. c) in einem weiteren Schritt auf dieser Seite eine Anode (5) erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass vor der kathodenseitigen Behandlung eine Stoppzone (21) eingebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Wafers (1) im Schritt b) derart reduziert wird, dass mindestens ein Teil der Stoppzone (21) erhalten bleibt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer (1) zur Einbringung der Stoppzone (21) von der der Kathode (3') entgegengesetzten Seite dotiert wird, wobei das Dotierprofil (20) so gewählt wird, dass nach Reduktion der Waferdicke von der, der Kathode entgegengesetzten Seite her, mindestens eine Endzone übrigbleibt, die mindestens annähernd die Stoppzone (21) bildet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibende Endzone so dimensioniert wird, dass bei Erhöhung der Spannung im Sperrzustand des Halbleiterelementes (HL) ein Zusammenbruch erfolgt, bevor das elektrische Feld die Anode (5) erreicht hat.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass die zur Erzeugung der Stoppzone (21) benötigte Diffusion bei einer Temperatur von mindestens 1200°C erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stoppzone (21) mit einer anodenseitigen Spitzendotierung von mindestens 5 × 1014 cm-3, vorzugsweise 1 × 1015 cm-3, und maximal 6 × 1016 cm-3, vorzugsweise 1 × 1016 cm-3, eingebracht wird.
  7. 7. Halbleiterelement mit einer Kathode (3') und einer Anode (5), wobei benachbart zur Anode (5) eine Stoppzone (21) vorhanden ist, deren Dotierungsdichte zur Anode (5) hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppzone (21) ein zur Anode (5) hin abgeschnittenes Dotierungsprofil aufweist.
  8. 8. Halbleiterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschnittene Dotierungsprofil ein Randabschnitt eines Gaussprofils oder eines komplementären Fehlerfunktions-Profils ist.
  9. 9. Halbleiterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (5) einen transparenten Anodenemitter aufweist.
  10. 10. Halbleiterelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbelegung mit p-Dotieratomen an der Anode weniger als 2 × 1014 cm-2, vorzugsweise weniger als 1 × 1013 cm-2 beträgt.
  11. 11. Halbleiterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement eine Dicke von 80-180 µm, aufweist.






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