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Dokumentenidentifikation DE10245091B4 16.09.2004
Titel Verfahren zur Herstellung einer dünnen Halbleiterbauelementstruktur
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Deboy, Gerald, Dr., 81543 München, DE;
Miller, Gerhard, Dr., 86929 Penzing, DE;
Stengl, Jens-Peer, 82284 Grafrath, DE;
Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 27.09.2002
DE-Aktenzeichen 10245091
Offenlegungstag 08.04.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.09.2004
IPC-Hauptklasse H01L 21/328

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterbauelementstruktur mit einer im Bereich einer Seite angeordneten stark dotierten Zone und einer sich an die stark dotierte Zone in vertikaler Richtung anschließenden schwächer dotierten Zone.

Derartige Bauelementstrukturen sind bei hochspannungsfesten Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Dioden oder MOS-FET, die in vertikaler Bauweise ausgeführt sind, vorhanden. Bei derartigen Halbleiterbauelementen durchfließt ein Laststrom die Halbleiterstruktur in vertikaler Richtung, wobei die stark dotierte Zone als eine der Anschlusszonen des Halbleiterbauelementes und die schwächer dotierte Zone als Drift-Zone, die im Sperrfall im Wesentlichen die anliegende Sperrspannung aufnimmt, dient.

Bei einer Diode bildet die üblicherweise im Bereich der Rückseite der Struktur angeordnete stark dotierte Zone eine der Anschlüsse der Diode, während in der Drift-Zone im Bereich der Vorderseite eine komplementär dotierte Zone vorhanden ist, die den anderen Anschluss der Diode bildet.

Bei einem MOSFET bildet die üblicherweise im Bereich der Rückseite der Struktur angeordnete stark dotierte Zone die Drain-Zone des MOSFET, während in der Drift-Zone im Bereich der Vorderseite der Struktur Body- und Source-Zonen vorhanden sind.

Die Abmessungen der Drift-Zone zwischen der Body-Zone und der Drain-Zone bei einem MOSFET bzw. zwischen der Anodenzone und der Kathodenzone bei einer Diode bestimmen maßgeblich die Spannungsfestigkeit des Bauelementes, wobei bei gleicher Dotierungskonzentration in der Drift-Zone die Spannungsfestigkeit um so geringer ist, je geringer die Abmessungen der Drift-Zone sind.

Zur Herstellung einer Struktur mit einer stark dotierten Anschlusszone und einer schwächer dotierten Drift-Zone ist es bekannt, einen hoch dotierten Wafer, einen sogenannten Substratwafer, vorzusehen und auf diesen Wafer epitaktisch die schwächer dotierte Halbleiterschicht abzuscheiden. Dieser Wafer wird nach Abschluss weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung der Halbleiterbauelemente in bekannter Weise in die einzelnen Bauelemente zersägt. Die Dicke des hochdotierten Substratwafers ist üblicherweise wesentlich größer als die Dicke der aufgebrachten Epitaxieschicht, um eine ausreichende Stabilität des Wafers während der zur Herstellung der Bauelemente erforderlichen Prozessschritte zu gewährleisten. Übliche Dicken eines solchen Wafers liegen im Bereich von einigen 100&mgr;m, während die erforderliche Dicke der Epitaxieschicht für Bauelemente mit einer Spannungsfestigkeit von 600V im Bereich von 40 bis 70 &mgr;m liegt. Wie erläutert wurde, ist wesentlich für das Sperrverhalten des Halbleiterbauelements die Abmessung der schwächer dotierten Drift-Zone in vertikaler Richtung der Struktur. Die stark dotierte Zone ist erforderlich, um einen niederohmigen Kontakt einer Anschlusselektrode zu dem Halbleiterbauelement zu gewährleisten. Dabei soll die stark dotierte Zone möglichst wenig zum Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements beitragen, was eine möglichst hohe Dotierung des Substratwafers erforderlich macht, der im Übrigen ungenutzt bleibt. Allerdings sind solche hochdotierten Substratwafer mit darauf aufgebrachten Epitaxieschichten sehr teuer im Vergleich zu Wafern ohne Epitaxieschichten, sogenannten Nicht-Epitaxiewafern.

Bei der Herstellung von NPT-IGBT (NPT = Non Punch Through) mit einer stark dotierten Anschlusszone und einer sich daran anschließenden schwächer dotierten Drift-Zone ist es ferner bekannt, einen Wafer mit einer Grunddotierung, die der Dotierung der Drift-Zone entspricht, vorzusehen, diesen Wafer dünn zu schleifen und ausgehend von der Rückseite Dotierstoffatome zur Herstellung der stark dotierten Anschlusszone zu implantieren. Dieses Vorgehen besitzt jedoch zwei Nachteile:

Erstens muss der Wafer während des Herstellungsverfahrens gedreht werden, da zum Einen Dotierstoffatome in die Rückseite zur Herstellung der stark dotierten Anschlusszone implantiert werden müssen und da zum anderen weitere dotierte Zonen ausgehend von der Vorderseite zur Herstellung des Bauelements in den Wafer eingebracht werden müssen. Zweitens unterliegen die bislang gängigen Verfahren zum Dünnschleifen oder Dünnätzen eines Halbleiterwafers Schwankungen, so dass der Durchmesser des nach dem Bearbeiten verbleibenden Wafers nicht exakt vorherbestimmt werden kann. Davon ausgehend, dass die Dicke der mittels Implantation oder Diffusion hergestellten stark dotierten Anschlusszone jeweils gleich ist, verbleiben abhängig von den Ungenauigkeiten des Abtragungsverfahrens von Wafer zu Wafer Schwankungen der vertikalen Abmessungen der Drift-Zone, woraus Bauelemente mit unterschiedlichen Sperrspannungen resultieren. Bei NPT-IGBT speien diese Schwankungen in der Dicke der Drift-Zone keine Rolle, weil bei diesen Bauelementen in der Drift-Zone eine das Feld begrenzende Stoppzone in einer vorgegebenen Tiefe ausgehend von der Vorderseite realisiert ist, so dass die Gesamtdicke der Driftzone für die Sperrspannung des Bauelements nicht zum Tragen kommt.

Die DE 100 31 781 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines eine Kathode und eine Anode aufweisenden Halbleiterbauelementes, bei dem vorgesehen ist, in einem Halbleiterkörper ausgehend von der Rückseite ein abnehmendes Dotierprofil zu erzeugen. Der Halbleiterkörper wird anschließend ausgehend von der Rückseite abgetragen, wodurch schwächer dotierte Halbleiterbereiche des Dotierprofils übrig bleiben, die eine Basiszone des späteren Bauelementes bilden. Im Bereich der Rückseite wird bei diesem Verfahren eine komplementär dotierte Anodenzone erzeugt, die mittels eines Anodenkontaktes kontaktiert wird.

Zur Erzeugung von n-dotierten Halbleiterzonen in großen Tiefen eines Halbleiterkörpers ist es aus der DE 100 25 567 A1 bekannt, Protonen in den Halbleiterkörper zu implantieren und anschließend einen Temperaturschritt zur Aktivierung der Dotierstoffatome durchzuführen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Halbleiterbauelementstruktur mit einer stark dotierten Anschlusszone und einer sich an die stark dotierte Anschlusszone anschließenden schwächer dotierten Halbleiterzone zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, einen Halbleiterkörper mit einer Vorderseite und einer Rückseite bereitzustellen, der eine Grunddotierung aufweist, in dem Halbleiterkörper eine höher als die Grunddotierung dotierte vergrabene Halbleiterzone herzustellen und Abschnitte des Halbleiterkörpers, die die Grunddotierung aufweisen, ausgehend von der Rückseite bis zu der vergrabenen Halbleiterzone abzutragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil, dass als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Halbleiterbauelementstruktur ein kostengünstiger Nicht-Epitaxiewafer verwendet werden kann, dessen Dotierung der gewünschten Dotierung der schwächer dotierten Zone entspricht, wobei diese schwächer dotierte Zone die Drift-Zone eines auf der erfindungsgemäßen Struktur basierenden Halbleiterbauelements bilden kann.

Die Herstellung der vergrabenen Halbleiterzone erfolgt vorzugsweise über die Vorderseite des Halbleiterkörpers durch Protonenbestrahlung und anschließende Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers. Eine derartige Protonenbestrahlung bei anschließender Temperaturbehandlung wirkt in hinlänglich bekannter weise n-dotierend in den Bereichen, in denen die eingestrahlten Protonen eingelagert werden. Die n-Dotierung eines Halbleiterkörpers mittels Protonenbestrahlung und anschließender Temperaturbehandlung ist ausführlich in Wolfgang Wondrak: "Erzeugung von Strahlenschäden in Silizium durch hochenergetische Elektronen und Protonen", Inaugural-Dissertation, Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt am Main, 1985 und in Kozlov, Kozlovski: "Doping of Semiconductors Using Radiation Defects Produced by Irradiation with Protons and Alpha Particles", Semiconductors Vol. 35, No. 7, 2001, Seiten 735 bis 765 und 769 bis 795, beschrieben. Durch eine solche Protonenbestrahlung bei anschließender Temperaturbehandlung lassen sich in der Einstrahlrichtung schmale n-dotierte Bereiche erzeugen, wobei der Abstand dieser dotierten Bereiche von der bestrahlten Oberfläche von der Einstrahlenergie der Protonen abhängig ist. Bei einer Implantationsenergie von bis zu 3MeV lassen sich beispielsweise n-dotierte Zonen in einer Tiefe von bis zu 100&mgr;m erzeugen. Die sich an die Protonenbestrahlung anschließende Temperaturbehandlung ist erforderlich, um Bestrahlungsschäden in dem Halbleiterkörper, insbesondere in den durch die Protonen durchstrahlten Bereichen, auszuheilen und in den Bereichen, in denen die Protonen eingelagert sind, sogenannte wasserstoffinduzierte Donatoren zu erzeugen, die durch Bestrahlungsdefekte und die eingebrachten Wasserstoffatome entstehen. Die Ausheiltemperatur liegt vorzugsweise in Bereichen zwischen 250°C und 550°C.

Dieses Verfahren zur Herstellung der vergrabenen stark dotierten Halbleiterzone bietet den Vorteil, dass lediglich eine Vorderseitenbehandlung des Wafers erforderlich ist, so dass der Wafer während des Herstellungsverfahrens zur Herstellung der stark dotierten Halbleiterzone nicht gedreht werden muss. Darüber hinaus ist die Tiefe der vergrabenen Halbleiterzone ausgehend von der Vorderseite über die Bestrahlungsenergie der eingebrachten Protonen exakt einstellbar. Dadurch sind auch die vertikalen Abmessungen der späteren Drift-Zone des Bauelements, die zwischen der Oberfläche und der stark dotierten vergrabenen Halbleiterzone gebildet ist, exakt einstellbar.

Das nachfolgende Abtragen des Halbleiterkörpers bzw. des Wafers ausgehend von der Rückseite bis zu der stark dotierten Halbleiterzone kann mittels herkömmlicher Verfahren, beispielsweise mittels Schleifverfahren, Ätzverfahren, Polierverfahren oder Kombinationen solcher Verfahren erfolgen. Diese Verfahren unterliegen üblicherweise Ungenauigkeiten, das heißt bei Vorgabe eine Sollwertes für die Abmessungen des abgetragenen Materials bzw. des verbleibenden Materials wird dieser Sollwert nur plus oder minus eines Toleranzwertes erreicht, wodurch die Dicke des nach dem Abtragen verbleibenden Halbleiterkörpers in einem Bereich schwanken kann, der dem Doppelten dieses Toleranzwertes entspricht. Die Dicke der vergrabenen stark dotierten Halbleiterzone ist dabei so gewählt, dass sie größer ist, als dieser Toleranzbereich, so dass trotz der Ungenauigkeiten des Abtragungsverfahrens sichergestellt ist, dass nach dem Abtragungsverfahren die stark dotierte Zone an der Rückseite der entstandenen Bauelementstruktur freiliegt. Die vertikalen Abmessungen der schwächer dotierten, die spätere Drift-Zone bildenden Halbleiterzone oberhalb der stark dotierten Zone werden durch diese Ungenauigkeiten des Abtragungsverfahrens nicht beeinflusst. Lediglich die vertikalen Abmessungen der stark dotierten Zone schwanken bedingt durch die Ungenauigkeiten des Abtragungsverfahrens. Allerdings wirken sich diese Schwankungen der stark dotierten Zone nicht auf die Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelementes und wegen der ohnehin hohen Dotierung nur unwesentlich auf den Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelementes aus.

Die Dotierung und das spätere Abtragungsverfahren sollte vorzugsweise derart erfolgen, dass eine verbleibende Restdicke der hochdotierten Schicht eine Flächendotierung von mindestens 2·1012 cm–2 enthält, um ein Durchgreifen des elektrischen Feldes im Sperrfall bis an einen später aufgebrachten rückseitigen Kontakt zu vermeiden.

Für bestimmte Bauelemente ist es erwünscht, dass ein möglichst abrupter Übergang zwischen der stark dotierten Zone und der sich in Richtung der Vorderseite anschließenden schwächer dotierten Zone vorhanden ist. Bei der Herstellung der stark dotierten Zone mittels Protonenbestrahlung und anschließender Temperaturbehandlung sind in diesem Fall die Dauer und die Temperatur des Temperaturprozesses so gewählt, dass im Wesentlichen keine Diffusion der eingebrachten Protonen erfolgt, um den Halbleiterbereich, in dem Protonen eingelagert sind, und in dem entsprechend wasserstoffinduzierte Donatoren entstehen scharf begrenzt ist.

Bei anderen Bauelementen, beispielsweise bei Feldeffekttransistoren, die nach dem Kompensationsprinzip funktionieren, kann es wünschenswert sein, von der schwächer dotierten Zone in Richtung der stärker dotierten Zone ein Ansteigen des n-Dotierprofils zu erhalten, um die Spannungsfertigkeit des Bauelementes zu optimieren, wie dies beispielsweise in Chen, Hu: "Optimum doping profile of power MOSFET epitaxial layer", Trans. Electr. Dev. Vol. ED-29, 1982, beschrieben ist. Ein derartiges Ansteigen des Dotierprofils kann durch Protonenbestrahlung mit unterschiedlichen Bestrahlungsenergien und unterschiedlichen Bestrahlungsdosen erzeugt werden, wobei die Bestrahlungsdosis mit abnehmender Bestrahlungsenergie abnimmt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Dauer und die Temperatur des Temperprozesses so zu wählen, dass die eingebrachten Protonen in dem durchstrahlten Bereich in Richtung der Vorderseite diffundieren, um so ein Richtung der Rückseite ansteigendes Dotierprofil zu erhalten.

Es sei darauf hingewiesen, dass zur Einstellung der vertikalen Abmessungen der stark dotierten Zonen die Protonen selbstverständlich mit unterschiedlichen Energien in den Halbleiterkörper eingestrahlt werden können, um so auch breite stark dotierte Zonen zu erzeugen.

Abhängig davon, welche Bauelemente mittels der erläuterten Bauelementstruktur erzeugt werden können, entspricht der Dotierungstyp der Grunddotierung des Halbleiterkörpers oder Wafers dem Dotierungstyp der darin erzeugten vergrabenen Halbleiterzone. Dies ist üblicherweise bei Dioden der Fall und kann bei MOSFET der Fall sein.

Insbesondere bei MOSFET, die nach dem Kompensationsprinzip funktionieren besteht auch die Möglichkeit, einen p-dotierten Wafer vorzusehen, in dem eine n-dotierte vergrabene Zone erzeugt wird. Bei MOSFET, die nach dem Kompensationsprinzip funktionieren, wechseln in der Drift-Zone in lateraler Richtung in hinlänglich bekannter Weise n-dotierte Zonen und p-dotierte Zonen einander ab, wobei sich diese Zonen im Sperrfall des Bauelements gegenseitig ausräumen. Zur Erzeugung dieser Kompensationsstruktur besteht die Möglichkeit, den p-dotierten Wafer vor oder nach der Herstellung der n-dotierten vergrabenen Zone maskiert mit Protonen zu bestrahlen und anschließend ein Temperverfahren durchzuführen, um ausgehend von der Vorderseite in dem p-dotierten Gebiet in vertikaler Richtung verlaufende n-dotierte Säulen zu erzeugen. Hierzu werden Protonen vorzugsweise mit unterschiedlichen Bestrahlungsenergien eingebracht, um eine in vertikaler Richtung möglichst gleichmäßige Verteilung der Protonen und damit eine möglichst gleichmäßige Dotierung zu erreichen. Die Erzeugung derartiger n-dotierter Säulen mittels Protonenbestrahlung ist beispielsweise in der DE 100 25 567 A1 beschrieben.

Um die Ungenauigkeiten des Abtragungsverfahrens zu reduzieren, wird während des Abtragungsverfahrens vorzugsweise kontrolliert, ob die vergrabene Halbleiterzone bereits erreicht wurde, das heißt an der Rückseite der Bauelementstruktur bereits freiliegt. Wird die vergrabene Halbleiterzone mittels Protonenbestrahlung hergestellt und erfolgt das Abtragen des Halbleiterkörpers zumindest im letzten Abschnitt, bevor die Halbleiterzone feigelegt wird, mittels eines nasschemischen Verfahrens unter Verwendung einer den Halbleiterkörper ätzenden Lösung, kann das Erreichen der Halbleiterzone durch Messen der Zusammensetzung und/oder der elektrischen Eigenschaften der Lösung ermittelt werden. Diese Eigenschaften ändern sich bei Erreichen der vergrabenen Halbleiterzone durch die dann in der Lösung vorhandenen Protonen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper während unterschiedlicher Verfahrensschritte zur Herstellung einer Bauelementstruktur mit einer im Bereich einer Rückseite freiliegenden stark dotierten Zone und einer sich an die stark dotierte Zone anschließenden schwächer dotierten Zone.

2 zeigt einen Querschnitt durch eine Leistungsdiode, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bauelementestruktur hergestellt wurde.

3 zeigt einen MOSFET, der unter Verwendung der erfindungsgemäßen Bauelementestruktur hergestellt wurde.

4 zeigt eine zur Realisierung von Kompensations-MOSFET geeignete erfindungsgemäße Halbleiterbauelementstruktur während verschiedener Verfahrensschritte ihrer Herstellung.

5 zeigt ein vorteilhaftes Dotierprofil der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementstruktur in vertikaler Richtung ausgehend von der Vorderseite.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Halbleiterbereiche mit gleicher Bedeutung.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterbauelementstruktur mit einer stark dotierten Zone 12 im Bereich einer Rückseite 103 und einer sich daran anschließenden schwächer dotierten Zone 11 wird anhand von 1 erläutert. Den Ausgangspunkt des Verfahrens bildet ein Halbleiterkörper bzw. Halbleiterwafer 100 mit einer Vorderseite 101 und einer Rückseite 102, der in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 schwach n-dotiert ist, wobei diese Dotierung der gewünschten Dotierung der späteren Drift-Zone eines auf der Halbleiterbauelementstruktur basierenden Halbleiterbauelementes entspricht.

Über die Vorderseite 101 wird in diesem Halbleiterkörper 100 in einer ausgehend von der Vorderseite 101 gewünschten Tiefe d1 eine stark dotierte Halbleiterzone 12 erzeugt. Die Erzeugung dieser Halbleiterzone erfolgt mittels ganzflächiger Protonenbestrahlung der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers. Die Energie der Protonen ist dabei so gewählt, dass die Protonen in den Bereich der zu erzeugenden stark n-dotierten Zone 12 vordringen. An diese Protonenbestrahlung schließt sich ein Temperverfahren an, dessen Temperatur und Dauer so gewählt ist, dass Bestrahlungsschäden in dem von den Protonen durchstrahlten Halbleiterbereich 11 ausgeheilt werden und dass in den Bereichen des Halbleiterkörpers 100, in die die Protonen vorgedrungen und in denen sie eingelagert sind, sogenannte "wasserstoffinduzierte Donatoren" entstehen, die n-dotierend wirken, wodurch aus der Protonenbestrahlung und dem anschließenden Temperverfahren eine stark n-dotierte vergrabene Halbleiterzone 12 resultiert. Die Temperaturen für dieses Temperverfahren liegen beispielsweise in Bereichen zwischen 300°C und 550°C. Die Dauer beträgt zwischen 1 min. und 250 min.. Die Dicke d2 der Halbleiterzone 12 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers kann eingestellt werden, indem der Halbleiterkörper mit Protonen unterschiedlicher Energie, die unterschiedlich tief eindringen, bestrahlt wird. Die nach der Protonenbestrahlung und dem Ausheilverfahren zu beobachtende n-Dotierstoffkonzentrationen der Halbleiterzone 12 ist abhängig von der Dosis der eingebrachten Protonen.

Die Halbleiterzone 11 unterteilt den Wafer 100 in eine schwacher dotierte Zone 13 unterhalb und eine schwächer dotierte Zone 11 oberhalb der Halbleiterzone 12.

Der Halbleiterkörper 100 wird anschließend ausgehend von der Rückseite 102 abgetragen, bis die vergrabene Halbleiterzone 12 freiliegt und die Rückseite 103 der entstandenen Halbleiterstruktur bildet. Diese rückseitige stark dotierte Halbleiterzone 12 bildet eine der Anschlusszonen eines unter Verwendung der Halbleiterstruktur realisierten Halbleiterbauelementes, wie noch erläutert werden wird. Die Anschlusszone 12 bildet bei Dioden üblicherweise den Kathodenanschluss, bei Feldeffekttransistoren, bzw. MOSFET, üblicherweise den Drain-Anschluss. Die sich an diese Anschlusszone 12 anschließende schwächer dotierte Zone 11 bildet üblicherweise die Drift-Zone des Halbleiterbauelements.

2 zeigt einen Querschnitt durch eine Diode, die durch Einbringen einer stark p-dotierten Halbleiterzone 20 in die schwächer n-dotierte Zone 11 im Bereich der Vorderseite 101 gebildet ist. Diese p-dotierte Zone 20 im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers bildet die Anodenzone, während die stark n-dotierte Zone 12 im Bereich der Rückseite 103 die Kathodenzone bildet. Der zwischen der Anodenzone 20 und der Kathodenzone 12 liegende Halbleiterbereich 11 mit der Grunddotierung des ursprünglichen Wafers bildet die Drift-Zone der Diode, wobei die Abmessungen dieser Drift-Zone in vertikaler Richtung zwischen der Anodenzone 20 und der Kathodenzone 12 sowie deren Dotierung maßgeblich die Spannungsfestigkeit des Bauelementes bestimmt. Während die Dotierung durch die Grunddotierung des Wafers vorgegeben ist, sind deren Abmessungen in vertikaler Richtung maßgeblich durch das anhand von 1 erläuterte Verfahren zur Herstellung der Grundstruktur bestimmt. Bei diesem Verfahren sind die vertikalen Abmessungen der Halbleiterzone 11 ausgehend von der Vorderseite 101 bis zu der stark dotierten Zone 12 exakt über die Energie einstellbar, mit der Protonen in den Halbleiterkörper 100 eingestrahlt werden. Des Weiteren sind die Abmessungen der Anodenzone 20 in vertikaler Richtung mittels herkömmlicher Verfahren, beispielsweise Diffusionsverfahren oder Implantationsverfahren, exakt reproduzierbar, so dass der Abstand zwischen der Anodenzone 20 und der Kathodenzone 12 und damit die Spannungsfestigkeit des Bauelementes exakt reproduzierbar ist.

Bei der in 1c dargestellten Grundstruktur schwanken lediglich die Abmessungen der stark dotierten Halbleiterzone 12 in vertikaler Richtung bedingt durch Ungenauigkeiten des Abtragungsverfahrens. Idealerweise wird während dieses Abtragungsverfahrens lediglich der zwischen der stark dotierten Zone 12 und der Rückseite 102 vorhandene schwächer dotierte Halbleiterbereich 13 abgetragen. Allerdings unterliegen herkömmliche Abtragungsverfahren Ungenauigkeiten, die verhindern, dass der Abtrag exakt vorherbestimmt werden kann. Wird ein Sollwert für diesen Abtrag gewählt, so kann der tatsächliche Abtrag um einen Toleranzwert nach oben oder unten von diesem Sollwert abweichen. Der Sollwert für das Abtragungsverfahren wird vorzugsweise deshalb so gewählt, dass das Halbleitermaterial ausgehend von der Rückseite 102 bis zur Mitte der Halbleiterzone 12 abgetragen wird. Die vertikalen Abmessungen der Halbleiterzone 12 sind dabei mehr als doppelt so groß wie die Toleranzbreite, so dass sichergestellt ist, dass sowohl bei Abweichungen des Abtragungsverfahrens von diesem Sollwert nach oben oder unten die Halbleiterzone 12 stets im Bereich der Rückseite 103 freiliegt, wobei die vertikalen Abmessungen dieser Halbleiterzone 12 von Wafer zu Wafer Schwankungen unterliegen können, die im Bereich des Toleranzbereiches des Abtragungsverfahrens liegen. Allerdings wirken sich diese Schwankungen nicht auf die Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelementes aus. Wegen der hohen Dotierung der Halbleiterzone 12 besitzen diese Schwankungen auch nahezu keine Auswirkungen auf den Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements.

1c veranschaulicht diese Schwankungen des Abtragungsverfahrens, wobei die gestrichelte Linie die Mitte der Halbleiterzone 12 darstellt, auf die das Abtragungsverfahren eingestellt ist, und die strichpunktierten Linien den maximalen und den minimalen Abtrag veranschaulichen. Die Einstellung des Abtragungsverfahrens auf die Mitte der Halbleiterzone 12 erfolgt in Kenntnis der Gesamtdicke des Wafers und der Tiefe der Halbleiterzone 12 ausgehend von der Vorderseite 101 sowie deren Breite.

Zur Verringerung der Toleranzen des Abtragungsverfahrens ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, während des Abtragens dauerhaft und in regelmäßigen Zeitabständen zu kontrollieren, ob die stark dotierte Halbleiterzone 12 bereits erreicht ist, also an der Rückseite 103 freiliegt. Vorzugsweise erfolgt das Abtragen zumindest in dem Abschnitt vor Erreichen der Halbleiterzone 12 mittels eines nasschemischen Verfahrens unter Verwendung einer den Halbleiterkörper 100 ätzenden Lösung. Das Erreichen der Halbleiterzone 12 kann dabei durch Messung der elektrischen und/oder chemischen Eigenschaften der Lösung ermittelt werden. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Dotierung des Halbleiterkörpers während des Abtragens mittels eines sogenannten "Thermal-Wave"-Verfahrens zu ermitteln und dadurch das Erreichen der stark dotierten Zone zu kontrollieren. Bei diesem Verfahren werden zwei Laser auf die Halbleiteroberfläche gerichtet, von denen der eine zur Aufheizung der Oberfläche und der andere zur Erfassung der hieraus resultierenden Wärmestrahlung dient. Die Eigenschaften/Parameter dieser Wärmestrahlung sind dabei unter anderem von der Dotierung des Halbleiters abhängig.

3 zeigt im Querschnitt ein auf der Grundstruktur gemäß 1c basierendes als vertikaler MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelement. Zur Realisierung dieses zellenartig ausgebauten MOSFET sind in hinlänglich bekannter Weise ausgehend von der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 Body-Zonen 20 eingebracht, die komplementär zu der stark dotierten Zone 12 bzw. der Halbleiterzone 11 dotiert sind. In diese Body-Zonen 20 sind Source-Zonen 30 des selben Leitungstyps sowie die stark dotierte Zone 12, die die Drain-Zone bildet und die Halbleiterzone 11 eingebracht. Die Body-Zonen 20 und die Source-Zonen 30 sind durch eine Source-Elektrode 31 kurzgeschlossen und kontaktiert. Zur Ansteuerung des MOSFET ist eine oberhalb der Vorderseite angeordnete Gate-Elektrode 40 vorhanden, die mittels einer Isolationsschicht 50 isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 angeordnet ist.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung dieser Transistorstruktur im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers sind hinlänglich bekannt, so dass auf eine detaillierte Erläuterung hier verzichtet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Verfahrensschritte zur Herstellung der weiteren Transistorstruktur vor oder nach der Herstellung der stark dotierten Zone 12 durchgeführt werden können, allerdings noch durchgeführt werden sollten bevor der Wafer ausgehend von der Rückseite 102 abgetragen wird. Das Abtragen des Halbleiterkörpers bildet vorzugsweise einen der letzten aller Verfahrensschritte vor dem Zersägen des Wafers, um möglichst lange während des Herstellungsverfahrens eine ausreichende Stabilität des Wafers zu gewährleisten. An das Abtragen des Halbleiterkörpers kann sich eine Kontaktimplantation im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers anschließen, um einen niederohmigen Kontakt zu einer auf die Rückseite aufgebrachten Anschlusselektrode zu ermöglichen.

Zur Realisierung eines nach dem Kompensationsprinzip funktionierenden MOSFET sind in der schwächer dotierten Halbleiterzone 11 vorzugsweise komplementär zu der Zone 11 dotierte Kompensationszonen 50 vorhanden, die sich in vertikaler Richtung unterhalb der Body-Zonen erstrecken.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens exakt einstellbaren Abmessungen der schwächer dotierten Zone 11, die die Drift-Zone bildet, ermöglichen die Herstellung vertikaler "Dünnscheiben"-MOSFET mit exakt einstellbarer bzw. reproduzierbaren Sperrspannungen.

Kompensationsbauelemente zeichnen sich in hinlänglich bekannter Weise durch eine in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers abwechselnde Struktur von n-dotierten und p-dotierten Zonen in der Drift-Zone aus.

4 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Grundstruktur für "Dünnscheiben"-Halbleiterbauelemente. Den Ausgangspunkt dieses Verfahrens bildet ein Halbleiterkörper bzw. Halbleiter-Wafer 200 mit einer Vorderseite 201 und einer Rückseite 202, der in diesem Fall p-dotiert ist. Wie in 1b dargestellt ist, wird in diesem Halbleiterkörper 100 durch Protonenbestrahlung der Vorderseite 201 und ein anschließenden Ausheilverfahren eine vergrabene stark n-dotierte Zone 22 in vertikaler Richtung beabstandet zu der Vorderseite 201 erzeugt. Diese stark dotierte Halbleiterzone 22 unterteilt den Halbleiterkörper 200 in eine zwischen der Zone 22 und der Vorderseite verbleibende schwächer dotierte Zone 21 sowie eine zwischen der Zone 22 und der Rückseite 202 verbleibenden schwächer dotierte Zone 23, wobei die Dotierung dieser Zonen 22, 23 der Grunddotierung des Halbleiterkörpers 200 entspricht, sofern während des Ausheilverfahrens die Bestrahlungsschäden der durch die Protonen durchstrahlten Halbleiterzone 21 ausgeheilt werden.

Anschließend werden in der Halbleiterzone 21 n-dotierte Säulen 21B erzeugt. Hierzu wird die Vorderseite 201 des Halbleiterkörpers 200 maskiert, beispielsweise mittels einer Metallblende 300, und der Halbleiterkörper wird von der Vorderseite 201 mit Protonen bestrahlt. Die Bestrahlungsenergie ist dabei so gewählt, dass in vertikaler Richtung eine möglichst gleichmäßige Protonenverteilung in der Halbleiterzone 21 erzeugt wird. Anschließend wird ein Temperverfahren durchgeführt, um Bestrahlungsschäden auszuheilen und wasserstoffinduzierte Donatoren zu bilden, die die n-Dotierung in den Zonen 21B bewirken. Die Protonenbestrahlung erfolgt vorzugsweise in mehreren Schritten, bei denen Protonen mit unterschiedlicher Energie eingestrahlt werden, um eine gleichmäßige Protonenverteilung in den nach Abschluss des Ausheilverfahrens n-dotierten Zonen 213 zu erreichen.

4d zeigt die Struktur nach dem Herstellen von Body- und Source-Zonen im Bereich der Vorderseite 201 und nach dem Abtragen der Halbleiterzone 23 ausgehend von der Rückseite 202 des Halbleiterkörpers. Das Abtragen des Halbleiterkörpers erfolgt dabei vorzugsweise nach dem Herstellen der im Bereich der Vorderseite 201 vorhandenen Transistorstrukturen.

5 zeigt einen vorteilhaften Dotierungsverlauf der n-Dotierung in dem Halbleiterkörper ausgehend von der Vorderseite 101, 201 bis zur Rückseite 102, 202. Der Dotierungsverlauf steigt im Bereich der stärker dotierten Halbleiterzonen 12 bzw. 22 stetig an, wobei ein solcher ansteigender Dotierungsverlauf insbesondere zur Einstellung der Spannungsfestigkeit von Kompensationsbauelementen besonders geeignet ist. Dieser kontinuierlich ansteigende Dotierungsverlauf kann bei der Herstellung der stark dotierten Zonen 12 bzw. 22 dadurch erreicht werden, dass in unterschiedliche Tiefen unterschiedliche Protonenkonzentrationen eingebracht werden, wobei die Protonenkonzentration mit zunehmender Eindringtiefe zunimmt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Temperatur und die Dauer des sich an die Protonenbestrahlung anschließenden Ausheilverfahrens so zu wählen, dass neben der Ausheilung von Bestrahlungsschäden eine nennenswerte Diffusion der eingestrahlten Protonen in Richtung der Vorderseite 101, 201 des Halbleiterkörpers 100, 200 erfolgt. Diese Diffusion wird durch Bestrahlungsschäden in dem durch die Protonen durchstrahlten Bereichen 11, 21 begünstigt.

11, 13 schwächer dotierte Zonen 12, 22 stark dotierte Zonen 20 Anodenzone, Bodyzone 21, 23 schwächer dotierte Zonen 21A, 231B Kompensationszonen 30 Source-Zone 31 Source-Elektrode 40 Gate-Elektrode 50 Isolationsschicht 60 Kompensationszone 100, 200 Halbleiterkörper 101, 201 Vorderseite 102, 202 Rückseite 103,203 Rückseite der Halbleiterbauelementestruktur 300 Maske

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterbauelementstruktur mit einer im Bereich einer, Seite angeordneten stark dotierten Zone und einer sich an die stark dotierte Zone in vertikaler Richtung anschließenden schwächer dotierten Zone, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

    – Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100; 200) mit einer Vorderseite (101; 201) und einer Rückseite (102; 202), der eine Grunddotierung aufweist,

    – Herstellen einer dotierten vergrabenen Halbleiterzone (12; 22) in dem Halbleiterkörper (110; 200), deren Dotierung höher als die Grunddotierung ist.

    – Abtragen von die Grunddotierung aufweisenden Abschnitten des Halbleiterkörpers (110; 200) ausgehend von der Rückseite (102; 202) bis zu der vergrabenen stärker als die Grunddotierung dotierten Halbleiterzone (12; 22).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Herstellen der vergrabenen Halbleiterzone (12; 22) folgende Verfahrensschritte umfasst

    – Einstrahlen von Protonen über die Vorderseite des Halbleiterkörpers (100; 200) in den Halbleiterkörper (100; 200),

    – Durchführen einer Temperaturbehandlung deren Temperatur und Dauer so gewählt ist, dass wasserstoffinduzierte Donatoren im Bereich der Halbleiterzone (12; 22) gebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Temperatur während der Temperaturbehandlung zwischen 250°C und 550°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 500°C beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Dauer des Temperaturprozesses so gewählt ist, dass im wesentlichen keine die dotierte Zone aufweitende Diffusion der eingebrachten Protonen erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Dauer des Temperaturprozesses so gewählt ist, dass eine Diffusion der eingebrachten Protonen in Richtung der Vorderseite (100; 200) erfolgt, um einen in Richtung der Vorderseite abnehmenden Dotierungsverlauf in der vergrabenen Halbleiterzone (12; 22) zu erhalten.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Dotierungstyp der Grunddotierung des Halbleiterkörpers (100; 200) dem Dotierungstyp der Halbleiterzone (12; 22) entspricht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Dotierungstyp der Grunddotierung des Halbleiterkörpers (200) komplementär zu dem Dotierungstyp der Halbleiterzone (12; 22) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in einem Bereich zwischen der Vorderseite (201) des Halbleiterkörpers (200) und der Halbleiterzone (22) vertikal verlaufende Halbleiterzonen (22B) vom selben Dotierungstyp wie die vergrabene Halbleiterzone (22) erzeugt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die vertikale verlaufenden Halbleiterzonen (22B) desselben Leistungstyps wie die vergrabene Halbleiterzone durch folgende Verfahrensschritte erzeugt werden:

    – Einstrahlen von Protonen unter Verwendung einer Maske (300) über die Vorderseite (201) in den Halbleiterkörper (200);

    – Durchführen einer Temperaturbehandlung deren Temperatur und Dauer so gewählt ist, dass wasserstoffinduzierte Donatoren in den Halbleiterzonen (12; 22) gebildet werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Abtragen des Halbleiterkörpers mit einer Toleranzbreite behaftet ist, wobei die Dicke der Halbleiterzone (12; 22) in vertikaler Richtung der Struktur größer ist als diese Toleranzbreite.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem während des Reduzierens das Erreichen der Halbleiterzone kontrolliert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Halbleiterkörper (110; 200) wenigstens abschnittsweise mittels eines nasschemischen Verfahrens unter Verwendung einer den Halbleiterkörper ätzenden Lösung abgetragen wird, wobei das Erreichen der Halbleiterzone (12; 22) durch Messen der Zusammensetzung und/oder der elektrischen Eigenschaften der Lösung ermittelt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterzone (12; 22) nach dem Abtragen eine Flächendotierung von mindestens 2·1012 cm–2 enthält.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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