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DE112018003666B4 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements und halbleiterbauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements und halbleiterbauelement Download PDF

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DE112018003666B4
DE112018003666B4 DE112018003666.9T DE112018003666T DE112018003666B4 DE 112018003666 B4 DE112018003666 B4 DE 112018003666B4 DE 112018003666 T DE112018003666 T DE 112018003666T DE 112018003666 B4 DE112018003666 B4 DE 112018003666B4
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semiconductor
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radiation
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Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1), das folgende Schritte aufweist:
Bilden eines Halbleiterelements (2a, 2b) in einem Halbleitersubstrat (3) mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche und einem ersten Leitfähigkeitstyp mit einer ersten Ladungsträgerkonzentration, wobei das Halbleiterelement (2a, 2b) zum Leiten eines Stroms zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche dient,
wobei das Bilden eines Halbleiterelements (2a, 2b) Folgendes beinhaltet:
Implantieren von Akzeptorionen von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her,
Durchführen eines Nassverfahrens zum Akkumulieren von Wasserstoffatomen in einem Verunreinigungsbereich (23, 35) des Halbleitersubstrats (3), in dem die Akzeptorionen implantiert werden, von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her,
Anwenden von Strahlung geladener Teilchen von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her und
nach dem Durchführen eines Nassprozesses und dem Anwenden der Strahlung geladener Teilchen, Durchführen eines Wärmebehandlungsverfahrens am Halbleitersubstrat (3), um eine Feld-Stoppschicht (21) des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer zweiten Ladungsträgerkonzentration zu bilden, die höher ist als die erste Ladungsträgerkonzentration im Halbleitersubstrat (3),
wobei die Wasserstoffatome eine Verteilung aufweisen, in der die Konzentration der Wasserstoffatome von der Oberfläche des Verunreinigungsbereichs (23, 35) kontinuierlich zu einer Grenze zwischen dem Verunreinigungsbereich (23, 35) und
der Feld-Stoppschicht (21) hin abnimmt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und auf ein Halbleiterbauelement, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements einschließlich einer Feldstoppschicht und auf ein Halbleiterbauelement.
  • STAND DER TECHNIK
  • Einige Halbleiterbauelemente, z.B. ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder eine Diode, beispielsweise als Leistungshalbleiterelemente, haben eine Struktur, die eine Feld-Stoppschicht als verbessernde Maßnahme zur Erzielung geringerer Verluste enthält.
  • Eine Feld-Stoppschicht wird innerhalb einer Driftschicht an einer Position weiter von einem Durchbruchsspannungs-Hauptpunkt der Driftschicht als Schicht mit geringerem Widerstand als die Driftschicht und dem gleichen Leitfähigkeitstyp (normalerweise n-Typ) wie die Driftschicht vorgesehen. Die Feld-Stoppschicht wird gebildet, nachdem eine halbleiterfunktionelle Schicht, wie beispielsweise ein Halbleiterelement, auf einer Frontseite eines Siliziumwafers hergestellt wurde. Als Randbedingungen bei der Bildung der Feld-Stoppschicht muss die Feld-Stoppschicht daher unter Bedingungen gebildet werden, die die auf der Vorderseite des Siliziumwafers gebildete halbleiterfunktionale Schicht nicht beeinträchtigen.
  • Bei der Bildung einer Feld-Stoppschicht erfolgt die Wärmebehandlung nach Einführung einer Verunreinigung. In den letzten Jahren werden die Siliziumwafer (Halbleitersubstrate) in der Dicke reduziert, um den Energieverbrauch des Leistungsbauteils zu senken. Die reduzierte Dicke des Siliziumwafers kann durch die Wärmebehandlung zu Rissbildungen des Siliziumwafers führen. So wurden Verfahren vorgeschlagen, bei denen die Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt wird, um die Rissbildung des Siliziumwafers durch die Wärmebehandlung bei der Bildung der Feld-Stoppschicht zu unterdrücken. Das heißt, es wurde ein Verfahren zur Bildung einer Feld-Stoppschicht durch Umwandlung in Donatoren mittels Protonenbestrahlung (Patentdokument 1 und Patentdokument 2) vorgeschlagen.
  • Das Patentdokument 1 schlägt ein Verfahren vor, um durch Wärmebehandlung strahlungsinduzierte Defekte, die durch Protonenbestrahlung (Wasserstoffatome) eines einkristallinen Siliziumwafers erzeugt werden, zurückzugewinnen und durch Reaktion der strahlungsinduzierten Defekte und der Wasserstoffatome nahe dem Ort eines mittleren Bereichs der Protonen Verbundfehler (wasserstoffbezogene Donatoren) zu bilden, um dadurch eine hochkonzentrierte Feld-Stoppschicht zu bilden.
  • Das Patentdokument 2 schlägt ein Verfahren vor, um Protonenbestrahlung von der Rückseite eines n-Typ Halbleitersubstrats mehrfach zu wiederholen, um dadurch eine n-Typ Feldstoppschicht zu bilden. Bei den mehreren Protonenbestrahlungen werden die von einer früheren Protonenbestrahlung hinterlassenen Stellen strahlungsinduzierter Defekte als Targets für die nächste Protonenbestrahlung verwendet. Dabei werden Wasserstoffatome einem Bereich mit vielen strahlungsinduzierten Defekten, die durch die vorherige Protonenbestrahlung gebildet wurden, zugeführt, um freie Bindungen zu beheben, was zur Umwandlung der strahlungsinduzierten Defekte zu Donatoren führt. Dadurch kann nach Patentdokument 2 eine n-Typ Feld-Stoppschicht mit einer hochkonzentrierten wasserstoffbezogenen Donatorschicht gebildet werden, während der Anstieg des Leckstroms durch verbleibende strahlungsinduzierte Defekte unterdrückt wird.
  • Die US 2014 / 0 175 620 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden eines ersten Halbleiterbereichs an einer vorderen Oberfläche eines Substrats, wobei der erste Halbleiterbereich ein aktives Element enthält, das den in einer Dickenrichtung des Substrats fließenden Strom reguliert; Schleifen einer hinteren Oberfläche des Substrats; nach dem Schleifen, Durchführen eines ersten Ätzens, das die hintere Oberfläche des Substrats mit einer Phosphor enthaltenden chemischen Lösung ätzt; nach dem ersten Ätzen, Durchführen eines zweiten Ätzens, das die hintere Oberfläche mit einem Ätzverfahren mit einer niedrigeren Ätzrate als das erste Ätzen ätzt; und nach dem zweiten Ätzen, Bilden eines zweiten Halbleiterbereichs, durch den der Strom fließen soll, durch Implantieren von Verunreinigungen von der hinteren Oberfläche des Substrats.
  • Aus der US 2017 / 0 271 447 A1 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, die das Folgende aufweist: ein Halbleitersubstrat, das mit Störstellen dotiert ist; eine Elektrode auf der Seite der vorderen Oberfläche, die auf einer Seite der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen ist; und eine Elektrode auf der Seite der hinteren Oberfläche, die auf einer Seite der hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen ist. Dabei weist das Halbleitersubstrat das Folgende auf: einen Peak-Bereich, der auf der Seite der hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und einen oder mehrere Peaks der Störstellenkonzentration aufweist; einen Hochkonzentrationsbereich, der näher an der vorderen Oberfläche angeordnet ist als der Peak-Bereich und eine niedrigere Störstellenkonzentration aufweist als der eine oder die mehreren Peaks; und einen Niedrigkonzentrationsbereich, der näher an der vorderen Oberfläche angeordnet ist als der Hochkonzentrationsbereich und eine niedrigere Störstellenkonzentration aufweist als der Hochkonzentrationsbereich.
  • STAND DER TECHNIK
    • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2001- 160 559 A
    • Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015- 130 523 A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Ein Problem bei einem Verfahren zur Bildung einer Feldstoppschicht durch Protonenbestrahlung ist, dass strahlungsinduzierte Defekte, die in einem Siliziumwafer durch Protonenbestrahlung des Siliziumwafers erzeugt werden, nach Durchführung eines Wärmebehandlungsverfahrens verbleiben.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf solche Probleme konzipiert und hat zum Ziel, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements aufzuzeigen, bei dem verbleibende strahlungsinduzierte Fehler reduziert werden, und ein weiteres Ziel, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, bei dem verbleibende strahlungsinduzierte Fehler reduziert sind.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8. Ferner erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterbauelements ergeben sich aus den Unteransprüchen 10 bis 12.
  • Effekt der Erfindung
  • Nach dem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach der vorliegenden Erfindung kann ein Halbleiterbauelement mit reduzierten strahlungsinduzierten Fehlern, die in der Feld-Stoppschicht verbleiben, durch den Nassprozess und die Protonenbestrahlung hergestellt werden.
  • Bei dem Halbleiterbauelement nach der vorliegenden Erfindung können die in der Feld-Stoppschicht verbleibenden strahlungsinduzierten Defekte reduziert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einem IGBT gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte der Herstellung des Halbleiterbauelements in der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte der Bildung einer Diffusionsschicht auf einer Rückseite eines Halbleitersubstrats in der ersten Ausführungsform zeigt;
    • 4 zeigt eine Verteilung von Bor und eine Verteilung von Wasserstoffatomen im Halbleitersubstrat nach der Akzeptor-Ionenimplantation und einem Nassverfahren in der ersten Ausführungsform;
    • 5 ist ein Diagramm mit einer Verteilung der Wasserstoffatome und einer Verteilung der strahlungsinduzierten Defekte im Halbleitersubstrat nach der Protonenbestrahlung in der ersten Ausführungsform;
    • 6 ist ein Diagramm mit einer Verteilung der durch Protonenbestrahlung eingeführten Wasserstoffatome und einer Verteilung der durch den Nassprozess eingeführten Wasserstoffatome im Halbleitersubstrat nach Durchführung eines Wärmebehandlungsverfahrens in der ersten Ausführungsform;
    • 7 ist ein Diagramm mit einer berechneten Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration in einer Feld-Stoppschicht in der ersten Ausführungsform;
    • 8 ist ein Diagramm mit Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration in der Feld-Stoppschicht in einem fertiggestellten Halbleiterbauelement in der ersten Ausführungsform;
    • 9 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte der Bildung einer Diffusionsschicht von der Rückseite eines Halbleitersubstrats in einem Halbleiterbauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
    • 10 ist ein Diagramm, das eine Verteilung der Wasserstoffatome und eine Verteilung der strahlungsinduzierten Defekte im Halbleitersubstrat nach der Anwendung von Heliumionenstrahlung in der zweiten Ausführungsform zeigt;
    • 11 ist ein Diagramm mit einer Verteilung der Wasserstoffatome, die durch einen Nassprozess eingeführt wurden, nachdem in der zweiten Ausführungsform ein Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt wurde;
    • 12 ist ein Diagramm mit einer berechneten Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration in einer Feld-Stoppschicht in der zweiten Ausführungsform;
    • 13 ist ein Diagramm mit Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration in der Feld-Stoppschicht in einem fertigen Halbleiterbauelement in der zweiten Ausführungsform;
    • 14 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einer Diode gemäß einer dritten Ausführungsform;
    • 15 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte der Bildung einer Diffusionsschicht auf einer Rückseite eines Halbleitersubstrats in der dritten Ausführungsform zeigt, und
    • 16 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte der Bildung einer Diffusionsschicht auf einer Rückseite eines Halbleitersubstrats in einem Halbleiterbauelement gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsform 1
  • Ein Halbleiterbauelement mit einem IGBT wird hier als Beispiel für ein Halbleiterbauelement beschrieben. Erstens bedeutet ein mit „n“ gekennzeichneter Bereich in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen, dass Elektronen die Majoritätsträger sind. Ein mit „p“ gekennzeichneter Bereich bedeutet, dass Löcher die Majoritätsträger sind. Zusätzlich ist „+“ oder „-“ an „n“ oder „p“ angehängt. Das „+“ zeigt an, dass die Ladungsträgerkonzentration relativ hoch ist. Das „-“ zeigt an, dass die Ladungsträgerkonzentration relativ niedrig ist.
  • Wie in 1 dargestellt, wird in einem Halbleiterbauelement 1 mit einem IGBT 2a aus einer ersten Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 3 bis zu einer bestimmten Tiefe (Tiefe A) eine p-Typ Basisschicht 9 gebildet, in der p-Typ Basisschicht 9 werden eine n+ Typ Emitter-Schicht 11 und eine p+ Typ Kontaktschicht 7 gebildet. Die n+ Typ Emitter-Schicht 11 wird aus einer Oberfläche von der p-Typ Basisschicht 9 bis zu einer Tiefe (Tiefe B) gebildet, die geringer ist als Tiefe A. die p+ Typ Kontaktschicht 7 wird bis zu einer Position gebildet, die geringer ist als die Tiefe A und tiefer als die Tiefe B von der Oberfläche der p-Typ Basisschicht 9.
  • Ein Graben 3a, der sich von der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 3 bis zu einer Position tiefer als die Tiefe A erstreckt, weist eine darin gebildete Gate-Elektrode 15 auf, zwischen der eine Gate-Isolierschicht 13 angeordnet ist (MOS-Gate-Struktur). Es wird eine Zwischenschicht-Isolierschicht 17 gebildet, um die Gate-Elektrode 15 abzudecken. Zur Abdeckung der Zwischenschicht-Isolierschicht 17 wird eine Emitterelektrode 19 gebildet. Die Emitterelektrode 19 ist in Kontakt mit der n+ Typ Emitter-Schicht 11 und der p+ Typ Kontaktschicht 7.
  • Eine p+ Typ Kollektorschicht 23 wird bis zu einer bestimmten Tiefe (Tiefe C) von einer zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet. Die n-Typ Feld-Stoppschicht 21 wird von der Tiefe C bis zu einer Position tiefer als die Tiefe C gebildet. Eine Kollektorelektrode 25 wird in Kontakt mit der p+ Typ Kollektorschicht 23 gebildet. Eine n- Typ Driftschicht 5 (ein Bereich des Halbleitersubstrats 3) befindet sich zwischen der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 und der p-Typ Basisschicht 9. In dem Halbleiterbauelement mit dem IGBT wird neben einem Zellenbereich, in dem der IGBT gebildet wird, in einem äußeren Umfangsbereich eine Abschlussstruktur (nicht dargestellt) zum Halten der Durchbruchspannung gebildet.
  • Wie später beschrieben, weist das Halbleiterbauelement 1 mit dem oben beschriebenen IGBT 2a ein Profil der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 und ein Herstellungsverfahren auf, das sich von einem Profil der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht und einem Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements mit einem konventionellen IGBT unterscheidet.
  • Bei einem konventionellen Verfahren zur Bildung einer n-Typ Feld-Stoppschicht mit wasserstoffbezogenen Donatoren durch Protonenbestrahlung ist es notwendig, strahlungsinduzierte Defekte, die durch die Protonenbestrahlung erzeugt werden, zurückzulassen, ohne sie durch ein Wärmebehandlungsverfahren nach der Protonenbestrahlung vollständig zurückzugewinnen bzw. auszugleichen. Beim herkömmlichen Verfahren verbleiben die strahlungsinduzierten Defekte daher in der n-Typ Feld-Stoppschicht.
  • So ergab eine Photolumineszenz-Untersuchung einer n-Typ Feld-Stoppschicht aus Protonenbestrahlung, dass strahlungsinduzierte Defekte zwischen interstitiellen Siliziumpaaren in der n-Typ Feld-Stoppschicht verbleiben. Es wurde auch festgestellt, dass eine längere Wärmebehandlungszeit oder eine höhere Wärmebehandlungstemperatur, die bei der Wiederherstellung der strahlungsinduzierten Defekte berücksichtigt wurden, zur Wiederherstellung der strahlungsinduzierten Defekte aber zu einem niedrigeren Aktivierungsgrad von Donatoren führten.
  • Dementsprechend ist es bei der Bildung einer n-Typ Feld-Stoppschicht nur mit Protonenbestrahlung unvermeidlich, dass eine große Anzahl von strahlungsinduzierten Defekten zurückbleibt, was zu einem hohen Leckstrom in einem IGBT führt. Darüber hinaus ist bei der Bildung einer n-Typ Feld-Stoppschicht nur mit Protonenbestrahlung das Aktivierungsverhältnis von Donatoren gering. Dementsprechend ist die Bildung einer n-Typ Feld-Stoppschicht mit einer erhöhten Strahlendosis von Protonen und erhöhten Herstellungskosten verbunden.
  • Zur Lösung dieser Probleme ist das vorstehend beschriebene Halbleiterbauelement gekennzeichnet durch die Anwendung eines Nassverfahrens in Kombination mit der Bestrahlung durch geladene Partikel (Protonen oder Heliumionen) in einem Rückflächenschritt, um die in der n-Typ Feld-Stoppschicht 3 verbleibenden strahlungsinduzierten Defekte zu reduzieren.
  • So wird im Folgenden ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des obigen Halbleiterbauelements beschrieben. Protonenbestrahlung als geladene Partikel wird hier beschrieben. Im Folgenden können Schritte zur Herstellung von Teilen, die als IGBT fungieren, wie z.B. eine MOS-Gate-Struktur, mit einem bekannten Herstellungsverfahren realisiert und somit einfach beschrieben werden.
  • Zunächst wird ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterbauelements unter Bezug auf auf 2 beschrieben. Zunächst werden in Schritt S1 verschiedene Diffusionsschichten auf einer Vorderflächenseite (erste Hauptflächenseite) des Halbleitersubstrats gebildet. Nach der Einführung des Halbleitersubstrats wird auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats 3 durch einen Photolithographieschritt, einen Ionenimplantationsschritt, einen Wärmebehandlungsschritt und dergleichen eine Graben-MOS-Gate-Struktur und dergleichen mit einer p+ Typ Kontaktschicht 7, einer p-Typ Basisschicht 9, einer n+ Typ Emitter-Schicht 11, einer Gate-Isolierschicht 13 und einer Gate-Elektrode 15 gebildet (siehe 1).
  • Als nächstes wird in Schritt S2 eine Elektrode auf der vorderen Oberflächenseite des Halbleitersubstrats gebildet. Eine Metallschicht wird gebildet, um die p+ Typ Kontaktschicht 7, die n+ Typ Emitter-Schicht 11 und dergleichen beispielsweise durch ein Vakuumsputterverfahren abzudecken. Die Metallschicht wird durch einen Photolithographie- und einen Ätzschritt strukturiert, um die Emitterelektrode 19 zu bilden. Die Emitterelektrode 19 steht in ohmschem Kontakt mit der p+ Typ Kontaktschicht 7 und der n+ Typ Emitter-Schicht 11 (siehe 1).
  • Als nächstes wird in Schritt S3 eine Oberflächenschutzschicht gebildet, die die erste Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats bedeckt. Eine Siliziumnitridschicht und dergleichen werden beispielsweise als Oberflächenschutzschicht ausgebildet. Alternativ kann die Schutzschicht auch z.B. durch ein Spin-Coating-Verfahren gebildet werden. Weiterhin kann eine Schutzschicht in Form einer Schicht verwendet werden. Anschließend wird in Schritt S4 das Halbleitersubstrat in der Dicke reduziert. Die Dickenreduzierung des Halbleitersubstrats erfolgt durch Schleifen der Rückfläche (zweite Hauptfläche) des Halbleitersubstrats. Die Dicke des Halbleitersubstrats wird in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung bestimmt.
  • Als nächstes wird in Schritt S5 eine Diffusionsschicht auf der Rückseite (zweite Hauptoberflächenseite) des Halbleitersubstrats gebildet. Ionen eines Elements der Gruppe 13 werden von der Rückseite des Halbleitersubstrats her implantiert. Das Element aus der „Gruppe 13“ wird im Periodensystem als Element „Gruppe III“ dargestellt. Nachdem die Schutzschicht auf der Rückseite (zweite Hauptoberflächenseite) des Halbleitersubstrats gebildet wurde, wird ein Nassprozess mit einer chemischen Lösung und Protonenbestrahlung durchgeführt. Anschließend wird ein Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt, um die n-Typ Feld-Stoppschicht 21 und die p+ Typ Kollektorschicht 23 zu bilden (siehe 1). Dieser Schritt ist ein wichtiger Teil dieser Erfindung und wird später ausführlich beschrieben.
  • Als nächstes wird in Schritt S6 eine Elektrode auf der Rückseite des Halbleitersubstrats gebildet. Eine Metallschicht wird gebildet, um die p+ Typ Kollektorschicht 23 durch ein Vakuumsputterverfahren und dergleichen abzudecken, um die Kollektorelektrode 25 zu bilden. Die Kollektorelektrode 25 steht in ohmschem Kontakt mit der p+ Typ Kollektorschicht 23. Das Halbleiterbauelement einschließlich des IGBT mit der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 ist damit abgeschlossen (siehe 1).
  • Bei diesem Verfahren werden durch die Einbeziehung von Schritt S5 strahlungsinduzierte Defekte in der n-Typ Feld-Stoppschicht reduziert, und darüber hinaus wird die n-Typ Feld-Stoppschicht mit einem hohen Aktivierungsgrad von wasserstoffbezogenen Donatoren gebildet. Anschließend wird der Schritt zur Bildung der Diffusionsschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ausführlich beschrieben.
  • In einem Schritt zur Bildung wasserstoffbezogener Donatoren unter Verwendung von Protonenbestrahlung beeinflusst das Gleichgewicht zwischen der Konzentration strahlungsinduzierter Defekte und der Konzentration von Wasserstoffatomen, die in das Halbleitersubstrat eingebracht werden, das Aktivierungsverhältnis der wasserstoffbezogenen Donatoren. Die hier verwendete „Aktivierung“ bedeutet die Reaktion der strahleninduzierten Defekte und der im Halbleitersubstrat gebildeten Wasserstoffatome durch die Protonenbestrahlung. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass sich ein negativ geladenes Wasserstoffatom mit einer freien Silizium-Bindung eines strahlungsinduzierten Defekts verbindet, um eine kovalente Bindung zu bilden, und dass ein zusätzliches Elektron aus der freien Bindung oder dem Wasserstoffatom freigesetzt wird, um einen Donator zu bilden. Das Aktivierungsverhältnis ist das Verhältnis der Menge der neu erzeugten Donatoren (Zähler) zur Menge der ausgestrahlten Protonen (Nenner).
  • In der Protonenbestrahlung ist die Verteilung der Wasserstoffatome um einen mittleren Bereich der Protonenbestrahlung konzentriert. Somit besteht ein Mangel an Wasserstoffatomen in einem Bereich, der näher an der Rückseite des Halbleitersubstrats liegt als der durchschnittliche Bereich. Mit anderen Worten werden in diesem Bereich nur strahlungsinduzierte Defekte gebildet. Dadurch wird das Aktivierungsverhältnis von wasserstoffbezogenen Donatoren gesenkt.
  • Ein strahlungsinduzierter Defekt, dessen freie Bindung nicht durch ein Wasserstoffatom abgeschlossen wurde, weist im verbotenen Band eines Halbleiter-Energiebandes einen Verunreinigungsgrad auf, der eine eingeschränkte Mobilität oder einen erhöhten Leckstrom im Halbleiterbauelement verursacht. Der Leckstrom ist ein Strom, der fließt, wenn eine Sperrvorspannung auf einen Halbleiterchip (Halbleiterbauelement) angewendet wird, und der Strom fließt durch die Erzeugung von Elektronen und Löchern aus einem strahlungsinduzierten Fehler.
  • So wurde von den Erfindern festgestellt, dass eine größere Menge an Wasserstoffatomen in ein Halbleitersubstrat diffundiert werden sollte, um die verbleibenden strahlungsinduzierten Defekte, deren freie Bindungen nicht abgeschlossen sind, zu reduzieren und eine n-Typ Feld-Stoppschicht mit einem hohen Aktivierungsverhältnis zu bilden. Basierend auf diesem Ergebnis fand der Erfinder in Schritt S5 ein Verfahren, um Wasserstoffatome in ein Halbleitersubstrat im Nassverfahren zusätzlich zur Protonenbestrahlung einzubringen.
  • Wie in 3 dargestellt, werden zunächst in Schritt T1 Akzeptorionen von der Rückseite des Halbleitersubstrats implantiert. Die Akzeptorionen können beispielsweise Bor-Ionen sein, sind aber nicht auf die Bor-Ionen beschränkt, solange sie Ionen eines Elements der Gruppe 13 sind. Anschließend wird eine lokale Wärmebehandlung, die die Vorderseite des Halbleitersubstrats nicht beeinflusst, durch Laser-Wärmebehandlung durchgeführt, um die implantierten Akzeptorionen zu aktivieren.
  • Als nächstes wird in Schritt T2 ein Nassprozess mit Eintauchen des Halbleitersubstrats in eine chemische Lösung durchgeführt. In diesem Schritt T2 wird eine Schutzschicht auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht, um die Emitterelektrode 19 (siehe 1) des auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats gebildeten IGBT vor der chemischen Lösung zu schützen. Als Schutzschicht kann eine Schutzschicht verwendet werden, die die Vorderseite des Halbleitersubstrats im Schritt der Reduzierung der Dicke des Halbleitersubstrats schützt.
  • Als nächstes wird mit der auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats angebrachten Schutzschicht ein Nassverfahren zur Diffusion von Wasserstoffatomen in das Halbleitersubstrat von der Rückseite des Halbleitersubstrats her durchgeführt. Eine chemische Lösung, die für diesen Nassprozess verwendet wird, ist vorzugsweise eine chemische Lösung, die eine Säure wie Flusssäure beinhaltet. Dieser Nassprozess kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, wird aber vorzugsweise durchgeführt, während die chemische Lösung auf eine Temperatur von etwa 50 bis 90°C erhitzt wird, um die Menge der diffundierten Wasserstoffatome zu erhöhen. Die verwendete Säure kann auch -außer Flusssäure- Salzsäure, Schwefelsäure oder Salpetersäure sein.
  • Dieser Nassprozess führt Wasserstoffatome in das Halbleitersubstrat ein. Es ist bekannt, dass sich ein Wasserstoffatom chemisch mit einem Boratom verbindet, das während der Protonenimplantation eingeführt wurde, um eine B-H-Bindung zu bilden. Die B-H-Bindung wird bei Raumtemperatur als stabil angenommen. Dementsprechend werden die Wasserstoffatome nicht aus dem Inneren des Halbleitersubstrats verdampft, wenn das Halbleitersubstrat nach dem Nassprozess bei Raumtemperatur gehalten wird. Auf diese Weise wird der Nassprozess durchgeführt, um Wasserstoffatome in einem Bereich des Halbleitersubstrats anzureichern, in dem die Akzeptorionen implantiert wurden.
  • Als nächstes wird in Schritt T3 die Protonenbestrahlung auf die Rückseite des Halbleitersubstrats aufgebracht. Da die Protonenbestrahlung nur einmal in der Schrittfolge des Halbleiterbauelements vorgesehen ist, ist der durchschnittliche Bereich der Protonen die Lage der Tiefe der n-Typ Feld-Stoppschicht, die am weitesten von der Rückseite des Halbleitersubstrats entfernt ist. Daher muss die Energietiefe der Protonenbestrahlung unter Berücksichtigung der vom IGBT benötigten Durchbruchspannung bestimmt werden. Nach einer Berechnung mit Simulationssoftware des Erfinders wurde geschätzt, dass bei einer einfallenden Protonenenergie von beispielsweise 1 MeV der Abstand von der Rückseite des Halbleitersubstrats zum Ende (Tiefe) der n-Typ Feld-Stoppschicht etwa 16 µm beträgt.
  • Eine hohe Strahlendosis von Protonen ist wünschenswert, da die Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht dadurch erhöht wird. Mit der Erhöhung der Strahlendosis steigen aber auch die strahlungsinduzierten Fehler und die Herstellungskosten. Eine niedrige Strahlendosis von Protonen hingegen bewirkt eine Reduzierung der strahlungsinduzierten Defekte, was dazu führt, dass die gewünschte Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht nicht eingestellt werden kann. Aus diesem Grund hat der Erfinder die Protonenbestrahlung von 5×1011/cm2 bis 1×1015/cm2 eingestellt.
  • Auf diese Weise werden der Nassprozess und die Protonenbestrahlung durchgeführt, um strahlungsinduzierte Defekte zu bilden und Wasserstoffatome in einem Bereich auf der Rückseite des Halbleitersubstrats anzureichern. Obwohl die Protonenbestrahlung als durchgeführt beschrieben wurde, nachdem der Nassprozess in dem obigen Verfahren durchgeführt wurde, kann der Nassprozess auch nach der Protonenbestrahlung durchgeführt werden.
  • Als nächstes wird in Schritt T4 ein Wärmebehandlungsverfahren an dem Halbleitersubstrat durchgeführt, um die im Halbleitersubstrat angesammelten Wasserstoffatome zu diffundieren. Das Wärmebehandlungsverfahren wird z.B. in einem Diffusionsofen durchgeführt. Das Wärmebehandlungsverfahren wird an dem Halbleitersubstrat für 0,5 Stunden bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Das Wärmebehandlungsverfahren wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 350°C bis 450°C durchgeführt, um die wasserstoffbezogenen Donatoren effizient zu aktivieren. Der Erfinder konnte feststellen, dass die wasserstoffbezogenen Donatoren nicht effizient gebildet werden können, wenn die Temperatur unter 300°C oder über 500°C liegt und wenn die Zeit unter 0,5 Stunden oder über 5 Stunden liegt.
  • Durch dieses Wärmebehandlungsverfahren werden die von der Protonenbestrahlung zugeführten Wasserstoffatome aus dem Inneren des Halbleitersubstrats in Richtung der Rückseite des Halbleitersubstrats diffundiert und auch auf die der Rückseite des Halbleitersubstrats gegenüberliegende Seite aus dem Inneren des Halbleitersubstrats diffundiert. Zusätzlich werden die durch den Nassprozess zugeführten Wasserstoffatome von der Rückseite des Halbleitersubstrats in das Halbleitersubstrat diffundiert.
  • Wie vorstehend beschrieben, werden in einem Bereich (Bereich R) von der Rückseite des Halbleitersubstrats bis zur Lage des durchschnittlichen Protonenbereichs strahlungsinduzierte Defekte durch die Protonenbestrahlung gebildet. Beim Wärmebehandlungsverfahren werden von den von der Protonenbestrahlung zugeführten und diffundierten Wasserstoffatomen solche Wasserstoffatome, die von der Stelle des mittleren Bereichs auf die Rückseite des Halbleitersubstrats diffundiert werden, und von den im Bereich R gebildeten strahlungsinduzierten Defekten Wasserstoffatome, die vom Nassprozess auf das Halbleitersubstrat von der Rückseite des Halbleitersubstrats diffundiert werden, erfasst.
  • Aufgrund des Einfangens der Wasserstoffatome durch die strahlungsinduzierten Defekte werden die freien Silizium-Bindungen der strahlungsinduzierten Defektebeseitigt. Dadurch werden einige der strahlungsinduzierten Defekte in wasserstoffbezogene Donatoren umgewandelt und strahlungsinduzierte Defekte, die zu einer Einschränkung der Mobilität führten, elektrisch inaktiv gemacht. Die strahlungsinduzierten Defekte können so reduziert werden. Darüber hinaus können durch die einmalige Bereitstellung der Protonenbestrahlung auch die Herstellungskosten gegenüber einem Beispiel, bei dem die Protonenbestrahlung mehrfach durchgeführt wird, reduziert werden.
  • Als nächstes wird eine ergänzende Erläuterung des vorstehend beschriebenen Schrittes S5 in Bezug auf Konzentrationsprofile gegeben. Zunächst zeigt 4 Verteilungen der Konzentration von Verunreinigung (Bor) und der Konzentration von Wasserstoffatomen in Tiefenrichtung von der Rückseite des Halbleitersubstrats her, nachdem die Akzeptorionen implantiert wurden und der Nassprozess durchgeführt wurde. Wie in 4 dargestellt, ist zu erkennen, dass das Bor (Akzeptorionen) über einen relativ flachen Bereich von bis zu etwa 1 µm von der Rückseite des Halbleitersubstrats verteilt ist (siehe BP, HWP). Bor fängt ein Wasserstoffatom ein, um eine B-H-Bindung zu bilden. Dementsprechend weisen die Wasserstoffatome eine Verteilung in Tiefenrichtung analog zur Verteilung von Bor in Tiefenrichtung auf.
  • Weiterhin zeigt 5 Verteilungen der Konzentration von Verunreinigung (Bor) und der Konzentration von Wasserstoffatomen in Tiefenrichtung von der Rückseite des Halbleitersubstrats her, nach der Protonenbestrahlung. Die Protonenbestrahlung führt zu einer Anhäufung von Wasserstoffatomen und zur Bildung von strahlungsinduzierten Defekten im Halbleitersubstrat. Die akkumulierten Wasserstoffatome entsprechen nicht dem Vorhandensein der winzigen Menge an Wasserstoff, wie sie in einem Halbleiterherstellungsprozess zugemischt wird, sondern auf Wasserstoff in einer Konzentration im Bereich von 1×1016 bis 1×1021 Atomen/cm3, was dem gleichen Niveau entspricht wie die implantierten Akzeptorionen. Wie in 5 dargestellt, ist die Verteilung der Wasserstoffatome an der Stelle eines durchschnittlichen Bereichs von etwa 16 µm von der Rückseite des Halbleitersubstrats konzentriert (siehe HPP). Die strahlungsinduzierten Defekte sind so verteilt, dass sie um den Ort des mittleren Bereichs konzentriert sind und sich in Richtung der Rückseite des Halbleitersubstrats um den Ort des mittleren Bereichs verringern (siehe DP).
  • Als nächstes zeigt 6 Verteilungen der Konzentration von Wasserstoffatomen durch die Protonenbestrahlung und der Konzentration von Wasserstoffatomen durch den Nassprozess in Tiefenrichtung von der Rückseite des Halbleitersubstrats nach dem Wärmebehandlungsverfahren. Wie in 6 dargestellt, ist zu erkennen, dass sich die Verteilungen der Konzentration von Wasserstoffatomen durch die Protonenbestrahlung und der Konzentration von Wasserstoffatomen durch den Nassprozess in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats verbreitern.
  • Durch das Wärmebehandlungsverfahren reagieren die strahlungsinduzierten Defekte und die Wasserstoffatome um die Lage des mittleren Bereichs von der Rückseite des Halbleitersubstrats herum miteinander und erzeugen wasserstoffbezogene Donatoren. Darüber hinaus reagieren die durch den Nassprozess eingeführten und von der Rückseite des Halbleitersubstrats in das Halbleitersubstrat diffundierten Wasserstoffatome und einige der zwischen der Rückseite des Halbleitersubstrats und um den Ort des mittleren Bereichs gebildeten strahlungsinduzierten Defekte miteinander, um wasserstoffbezogene Donatoren zu erzeugen, und darüber hinaus werden strahlungsinduzierte Defekte, die eine Einschränkung der Mobilität verursachen, elektrisch unwirksam gemacht. Die strahlungsinduzierten Defekte werden so reduziert.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements wird eine große Menge an Wasserstoffatomen von der Rückseite des Halbleitersubstrats durch das Nassverfahren zugeführt, verglichen mit den im Patentdokument 1 und Patentdokument 2 vorgeschlagenen Verfahren. Dadurch können nach dem Wärmebehandlungsverfahren durch die Reaktion der Wasserstoffatome und der strahlungsinduzierten Defekte eine gewünschte Menge an wasserstoffbezogenen Donatoren erzeugt und die strahlungsinduzierten Defekte effektiv aufgehoben werden, um die Einschränkung der Mobilität und des Leckstroms im Halbleiterbauelement zu unterdrücken.
  • Als nächstes wird jede Ladungsträgerkonzentration in dem nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellten Halbleiterbauelement beschrieben. 7 zeigt ein berechnetes Profil der Ladungsträgerkonzentration in jedem Bereich des Halbleiterbauelements, und 8 zeigt ein Profil der Ladungsträgerkonzentration in jedem Bereich eines tatsächlich hergestellten Halbleiterbauelements. Das Profil der Ladungsträgerkonzentration kann mit einem gängigen SR-Verfahren (Spreading Resistance Profiling) erfasst werden.
  • Wie in den 7 und 8 dargestellt, hat die Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 einen Peak an der Stelle des durchschnittlichen Protonenbereichs. Die Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 nimmt kontinuierlich und allmählich in Richtung der Rückseite des Halbleitersubstrats von der Position des mittleren Bereichs ab. In der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 füllen die Wasserstoffatome die freien Silizium-Bindungen von strahlungsinduzierten Defekten auf und eliminieren so strahlungsinduzierte Defekte, die eine Einschränkung der Ladungsträger-Mobilität bewirken.
  • Ausführungsform 2
  • Ein weiteres Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements nach der ersten Ausführungsform wird in einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Ein Herstellungsverfahren unter Verwendung von Heliumionen als geladene Partikel wird hier beschrieben.
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte zur Bildung einer Diffusionsschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Wie in 9 dargestellt, werden Akzeptorionen in Schritt V1 implantiert. Ein Nassprozess wird in Schritt V2 durchgeführt. Heliumionenbestrahlung wird in Schritt V3 durchgeführt. Ein Wärmebehandlungsverfahren wird in Schritt V4 durchgeführt. Mit Ausnahme von Schritt V3 der Reihe der Schritte V1 bis V4 ist Schritt V1 im Wesentlichen derselbe wie Schritt T1, Schritt V2 ist im Wesentlichen derselbe wie Schritt T2 und Schritt V4 ist im Wesentlichen derselbe wie Schritt T4. Daher wird hier Schritt V3 beschrieben, und eine Beschreibung von Schritt V1, Schritt V2 und Schritt V4 wird nur bei Bedarf wiederholt.
  • In Schritt V3 wird Heliumionenstrahlung auf die Rückseite des Halbleitersubstrats aufgebracht. Die Energietiefe der Heliumionen muss unter Berücksichtigung der erforderlichen Durchbruchspannung des IGBT bestimmt werden. Nach Berechnungen mit der Simulationssoftware des Erfinders wurde geschätzt, dass bei He4, das als reichlich vorhanden unter den Isotopen angenommen wird, als Beispiel für die Heliumionen, wenn die einfallende He4-Energie 3,75 MeV beträgt, der Abstand von der Rückseite des Halbleitersubstrats zum Ende (Tiefe) des n-Typ Feld-Stoppschicht etwa 16 µm beträgt.
  • Auch bei Heliumionen ist eine hohe Strahlendosis von Heliumionen wünschenswert, da dadurch die Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht erhöht wird. Mit der Erhöhung der Strahlendosis steigen aber auch die strahlungsinduzierten Fehler und die Herstellungskosten. Eine geringe Strahlendosis von Heliumionen hingegen bewirkt eine Reduzierung der strahlungsinduzierten Defekte, was dazu führt, dass eine gewünschte Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht nicht eingestellt werden kann. Aus diesem Grund hat der Erfinder die Heliumionen-Strahlendosis auf 5×1010/cm2 bis 1×1014/cm2 eingestellt. Der Grund dafür, dass die Heliumionen-Strahlendosis niedriger eingestellt wurde als die Protonenbestrahlungsdosis, liegt darin, dass mehr Defekte durch Heliumionen als durch Protonen gebildet werden.
  • Auf diese Weise werden der Nassprozess und die Heliumionenstrahlung durchgeführt, um strahlungsinduzierte Defekte zu bilden und Wasserstoffatome in einem Bereich auf der Rückseite des Halbleitersubstrats zu akkumulieren. Obwohl beschrieben wurde, dass die Bestrahlung mit Heliumionen durchgeführt wird, nachdem der Nassprozess nach dem obigen Verfahren durchgeführt wurde, kann der Nassprozess auch nach der Durchführung der Heliumionenbestrahlung durchgeführt werden.
  • Als nächstes wird in Schritt V4 ein Wärmebehandlungsverfahren am Halbleitersubstrat durchgeführt, um die im Halbleitersubstrat angesammelten Wasserstoffatome zu diffundieren. Das Wärmebehandlungsverfahren wird z.B. in einem Diffusionsofen durchgeführt. Das Wärmebehandlungsverfahren wird auf dem Halbleitersubstrat für 0,5 Stunden bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Das Wärmebehandlungsverfahren wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 350°C bis 450°C durchgeführt, um die wasserstoffbezogenen Donatoren effizient zu aktivieren.
  • Durch dieses Wärmebehandlungsverfahren werden die vom Nassverfahren zugeführten Wasserstoffatome von der Rückseite des Halbleitersubstrats in das Halbleitersubstrat diffundiert. Im Gegensatz zur Protonenbestrahlung gelangt Wasserstoff bei der Heliumionenbestrahlung nicht in das Substrat.
  • Wie vorstehend beschrieben, werden im Bereich (Bereich R) von der Rückseite des Halbleitersubstrats bis zur Lage des mittleren Bereichs der Heliumionen strahlungsinduzierte Defekte durch die Heliumionenstrahlung gebildet. Beim Wärmebehandlungsverfahren werden Wasserstoffatome, die durch den Nassprozess zugeführt und von der Rückseite des Halbleitersubstrats in das Halbleitersubstrat diffundiert werden, durch die im Bereich R gebildeten strahlungsinduzierten Defekte eingefangen. Bei der Heliumionenstrahlung gibt es keine Wasserstoffatome, die vom Ort des mittleren Heliumionenbereichs zur Rückseite des Halbleitersubstrats diffundiert werden.
  • Aufgrund des Einfangens der Wasserstoffatome durch die strahlungsinduzierten Defekte werden die freien Siliziumbindungen der strahlungsinduzierten Defektebeseitigt/aufgefüllt. Dadurch werden einige der strahlungsinduzierten Defekte in wasserstoffbezogene Donatoren umgewandelt und strahlungsinduzierte Defekte, die zu einer Einschränkung der Mobilität führten, elektrisch inaktiv gemacht. Die strahlungsinduzierten Defekte können so reduziert werden. Darüber hinaus können durch die einmalige Anwendung der Heliumionenbestrahlung auch die Herstellungskosten gegenüber dem Beispiel, bei dem die Protonenbestrahlung mehrfach durchgeführt wird, reduziert werden.
  • Die vorstehend beschriebenen Schritte V1 bis V4 entsprechen dem in 2 dargestellten Schritt S5. Anschließend wird eine ergänzende Erläuterung des Schrittes S5 in Bezug auf Konzentrationsprofile gegeben. Wie vorstehend beschrieben, zeigt zunächst 4 Verteilungen der Konzentration von Verunreinigung (Bor) und der Konzentration von Wasserstoffatomen in Tiefenrichtung von der Rückseite des Halbleitersubstrats her, nachdem die Akzeptorionen implantiert wurden und der Nassprozess durchgeführt wurde. Wie in 4 dargestellt, ist zu erkennen, dass das Bor (Akzeptorionen) über einen relativ flachen Bereich von bis zu etwa 1 µm von der Rückseite des Halbleitersubstrats verteilt ist (siehe BP, HWP). Bor fängt ein Wasserstoffatom ein, um eine B-H-Bindung zu bilden. Dementsprechend weisen die Wasserstoffatome eine Verteilung in Tiefenrichtung analog zur Verteilung von Bor in Tiefenrichtung auf.
  • Weiterhin zeigt 10 Verteilungen der Konzentration von Verunreinigung (Bor) und der Konzentration von Wasserstoffatomen in Tiefenrichtung von der Rückseite des Halbleitersubstrats nach der Heliumionenbestrahlung. Die Heliumionenbestrahlung führt zur Bildung von strahlungsinduzierten Defekten im Halbleitersubstrat. Die strahlungsinduzierten Defekte sind so verteilt, dass sie um den Ort des mittleren Bereichs konzentriert sind und sich in Richtung der Rückseite des Halbleitersubstrats um den Ort des mittleren Bereichs verringern (siehe DP).
  • Als nächstes zeigt 11 die Verteilung der Konzentration von Wasserstoffatomen durch den Nassprozess nach dem Wärmebehandlungsverfahren in Tiefenrichtung von der Rückseite des Halbleitersubstrats. Wie in 11 dargestellt, ist zu erkennen, dass sich die Verteilung der Konzentration von Wasserstoffatomen durch den Nassprozess nach dem Wärmebehandlungsverfahren in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats verbreitert.
  • Die durch den Nassprozess von der Rückseite des Halbleitersubstrats eingeführten und in das Halbleitersubstrat diffundierten Wasserstoffatome und einige der zwischen der Rückseite des Halbleitersubstrats und um die Lage des mittleren Bereichs gebildeten strahlungsinduzierten Defekte reagieren miteinander als Ergebnis des Wärmebehandlungsverfahrens um die Lage des mittleren Bereichs von der Rückseite des Halbleitersubstrats herum, um wasserstoffbedingte Donatoren zu erzeugen, und darüber hinaus werden strahlungsinduzierte Defekte, die eine Einschränkung der Mobilität verursachen, elektrisch unwirksam gemacht. Die strahlungsinduzierten Defekte werden so reduziert.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements wird eine große Menge an Wasserstoffatomen von der Rückseite des Halbleitersubstrats her durch ein Nassverfahren zugeführt, verglichen mit den im Patentdokument 1 und Patentdokument 2 vorgeschlagenen Verfahren. Dadurch können nach dem Wärmebehandlungsverfahren durch die Reaktion der Wasserstoffatome und der strahlungsinduzierten Defekte eine gewünschte Menge an wasserstoffbezogenen Donatoren erzeugt und die strahlungsinduzierten Defekte effektivbeseitigt werden, um die Einschränkung der Mobilität und des Leckstroms im Halbleiterbauelement zu unterdrücken.
  • Als nächstes wird jede Ladungsträgerkonzentration in dem nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellten Halbleiterbauelement beschrieben. 12 zeigt ein berechnetes Profil der Ladungsträgerkonzentration in jedem Bereich des Halbleiterbauelements, und 13 zeigt ein Profil der Ladungsträgerkonzentration in jedem Bereich eines tatsächlich hergestellten Halbleiterbauelements.
  • Wie in den 12 und 13 dargestellt, hat die Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 einen Peak an der Stelle des durchschnittlichen Protonenbereichs. Die Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 nimmt kontinuierlich und allmählich in Richtung der Rückseite des Halbleitersubstrats von der Position des mittleren Bereichs her ab. In der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 eliminieren die Wasserstoffatome die freien Silizium-Bindungen von strahlungsinduzierten Defekten und eliminieren so strahlungsinduzierte Defekte, die eine Einschränkung der Ladungsträger-Mobilität bewirken.
  • Ausführungsform 3
  • Ein Halbleiterbauelement mit einer Diode wird hier als Beispiel für ein Halbleiterbauelement beschrieben. Bestrahlung mit Protonen als geladene Partikel wird nun als Herstellungsverfahren beschrieben. Wie in 14 dargestellt, wird im Halbleiterbauelement 1 (eine Diode 2b) eine p+ Typ Anodenschicht 31 bis zu einer bestimmten Tiefe von der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet, eine Anodenelektrode 33 steht in Kontakt mit der p+ Typ Anodenschicht 31.
  • Eine n+ Typ Kathodenschicht 35 wird bis zu einer bestimmten Tiefe (Tiefe D) von der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet. Eine n-Typ Feld-Stoppschicht 21 wird von der Tiefe D bis zu einer Position tiefer als Tiefe D gebildet. Eine Kathodenelektrode 37 wird in Kontakt mit der n+ Typ Kathodenschicht 35 gebildet. Eine n-Typ Driftschicht 5 befindet sich zwischen der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 und der p+ Typ Anodenschicht 31. In dem Halbleiterbauelement mit der Diode wird neben einem Zellenbereich, in dem die Diode gebildet wird, in einem äußeren Umfangsbereich eine Abschlussstruktur (nicht dargestellt) zum Halten der Durchbruchspannung gebildet.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements beschrieben. Das Halbleiterbauelement mit der Diode wird im Wesentlichen mit dem gleichen Herstellungsverfahren hergestellt wie das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements mit dem vorstehend beschriebenen IGBT (siehe 2), mit Ausnahme des Rückflächendiffusionsschrittes. Der Unterschied im Diffusionsschritt der Rückfläche wird später beschrieben.
  • Zunächst wird auf der Vorderflächenseite (erste Hauptflächenseite) des Halbleitersubstrats 3 eine Diffusionsschicht gebildet. Nachdem das Halbleitersubstrat 3 (in die Herstellungsapparatur) eingeführt wurde, wird auf der ersten Hauptflächenseite des Halbleitersubstrats 3 durch einen Photolithographieschritt, einen Ionenimplantationsschritt, einen reaktiven Ionenätzschritt und dergleichen die p+ Typ Anodenschicht 31 gebildet (siehe Schritt S1 in 2, 14).
  • Als nächstes wird auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 3 eine Elektrode gebildet, wobei eine Metallschicht zur Abdeckung der p+ Typ Anodenschicht 31 und dergleichen beispielsweise durch ein Vakuum-Sputterverfahren gebildet wird. Die Metallschicht wird durch einen Photolithographie- und einen Ätzschritt strukturiert, um die Anodenelektrode 33 zu bilden. Die Anodenelektrode 33 steht in ohmschem Kontakt mit der p+ Typ Anodenschicht 31 (siehe Schritt S2 in 2, 14).
  • Als nächstes wird eine Oberflächenschutzschicht gebildet, welche die erste Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 3 bedeckt. Ein Polyimidschicht wird beispielsweise als Oberflächenschutzschicht gebildet (siehe Schritt S3 in 2, 14). Anschließend wird das Halbleitersubstrat 3 in der Dicke reduziert. Die Dickenreduzierung des Halbleitersubstrats 3 erfolgt durch Schleifen der Rückseite (zweite Hauptfläche) des Halbleitersubstrats 3, wobei die Dicke des Halbleitersubstrats 3 in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung bestimmt wird (siehe Schritt S4 in 2).
  • Als nächstes werden die n-Typ Feld-Stoppschicht 21 und die n+ Typ Kathodenschicht 35 als Diffusionsschicht auf der Rückseite (zweite Hauptseite) des Halbleitersubstrats 3 gebildet (siehe Schritt S5 in 2). Der Schritt der Bildung der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 wird später beschrieben.
  • Als nächstes wird auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 3 eine Elektrode gebildet, wobei eine Metallschicht zur Abdeckung der n+ Typ Kathodenschicht 35 durch ein Vakuum-Sputterverfahren oder dergleichen zur Bildung der Kathodenelektrode 37 gebildet wird. Die Kathodenelektrode 37 steht in ohmschem Kontakt mit der n+ Typ Kathodenschicht 35. Das in 14 dargestellte Halbleiterbauelement mit der Diode mit der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 ist damit abgeschlossen (siehe Schritt S6 in 2, 14).
  • Als nächstes wird der Schritt zur Bildung der Diffusionsschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ausführlich beschrieben. Im Allgemeinen ist ein Schritt zum Implantieren von Akzeptorionen in eine Rückseite eines Halbleitersubstrats für eine Diode als Halbleiterbauelement nicht vorgesehen, im Gegensatz zu einem IGBT als Halbleiterbauelement. So wird für ein Halbleiterbauelement mit einer Diode ein Schritt zum Implantieren von Akzeptorionen in eine Rückseite eines Halbleitersubstrats hinzugefügt.
  • Daher werden, wie in 15 dargestellt, zunächst im Schritt U1 Borionen von der Rückseite des Halbleitersubstrats implantiert, beispielsweise als Akzeptorionen.
  • Als nächstes werden in Schritt U2 Donatorionen implantiert, die zu einer n+ Typ Kathodenschicht werden. Die Donatorionen können z.B. Phosphorionen sein. Anschließend erfolgt eine lokale Wärmebehandlung, die die Vorderseite des Halbleitersubstrats nicht beeinflusst, durch Laser-Wärmebehandlung, um die implantierten Donator-Ionen zu aktivieren. Hier werden die Implantationsbedingungen (Implantationsenergie, Dosismenge) so festgelegt, dass bei Überlagerung einer Verteilung der Akzeptorionen und einer Verteilung der Donatorionen die Konzentration der Donatorionen in einem Bereich, in dem die n+ Typ Kathodenschicht gebildet wird, 100 mal oder mehr höher ist als die Konzentration der Akzeptorionen in diesem Bereich.
  • Durch das Herstellen einer solchen Konzentrationsbeziehung kann die n+ Typ Kathodenschicht, die in der Lage ist, Wasserstoffatome darin zu akkumulieren, durch das anschließend durchgeführte Nassverfahren gebildet werden, während der Leitfähigkeitstyp der n+ Typ Kathodenschicht als n-Typ erhalten bleibt. Mit anderen Worten, es kann die n+ Typ Kathodenschicht gebildet werden, in dem B-H-Bindungen bereitgestellt werden können.
  • Obwohl die Implantationsbedingungen hier so eingestellt sind, dass die Akzeptorionen in dem Bereich bleiben, in dem die n+ Typ Kathodenschicht gebildet wird, können die Akzeptorionen auf einen Bereich verteilt werden, der weiter von der Rückseite des Halbleitersubstrats entfernt ist als der Bereich, in dem die n+ Typ Kathodenschicht gebildet wird. In diesem Fall ist die Konzentration von Akzeptorionen in dem Bereich, der weiter entfernt ist als der Bereich, in dem die n+ Typ Kathodenschicht gebildet wird, vorzugsweise auf ein Hundertstel oder weniger der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Driftschicht eingestellt. Dementsprechend kann verhindert werden, dass Ladungsträger-Kompensation oder Defekte in der n- Typ Driftschicht, die durch die Einführung von Akzeptorionen entstehen, einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften des Halbleiterbauelements haben.
  • Als nächstes wird in Schritt U3 ein Nassprozess mit Eintauchen des Halbleitersubstrats in eine chemische Lösung durchgeführt. Hier wird eine Schutzschicht auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht, um die Anodenelektrode 33 (siehe 14) der auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats gebildeten Diode vor der chemischen Lösung zu schützen.
  • Als nächstes wird in Schritt U4 die Protonenbestrahlung auf die Rückseite des Halbleitersubstrats aufgebracht. Hier ist, wie in Bezug auf Schritt T3 (siehe 3) beschrieben, die Protonenbestrahlung-Dosis vorzugsweise auf 5×1011/cm2 bis 1×1015/cm2 eingestellt.
  • Als nächstes wird in Schritt U5 ein Wärmebehandlungsverfahren am Halbleitersubstrat durchgeführt, um die im Halbleitersubstrat angesammelten Wasserstoffatome zu diffundieren. Hier wird, wie bei Schritt T4 (siehe 3) beschrieben, das Wärmebehandlungsverfahren am Halbleitersubstrat für 0,5 Stunden bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
  • Im Halbleiterbauelement mit der durch die vorstehend beschriebenen Schritte hergestellten Diode ist die Verteilung der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 die gleiche wie die Verteilung der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht in dem Halbleiterbauelement mit dem vorstehend beschriebenen IGBT. Bein der n-Typ Feld-Stoppschicht eliminieren die Wasserstoffatome daher die freien Bindungen von strahlungsinduzierten Defekten und eliminieren so strahlungsinduzierte Defekte, die zu einer Einschränkung der Ladungsträger-Mobilität führen.
  • Ausführungsform 4
  • Ein weiteres Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements nach der dritten Ausführungsform ist in einer vierten Ausführungsform beschrieben. Ein Herstellungsverfahren unter Verwendung von Heliumionen als geladene Partikel wird hier beschrieben.
  • 16 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte zur Bildung einer Diffusionsschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Wie in 16 dargestellt, werden Akzeptorionen im Schritt W1 implantiert. Donatorionen werden in Schritt W2 implantiert. Ein Nassprozess wird in Schritt W3 durchgeführt. Heliumionenbestrahlung wird in Schritt W4 durchgeführt. Ein Wärmebehandlungsverfahren wird in Schritt W5 durchgeführt. Mit Ausnahme von Schritt W4 der Reihe der Schritte W1 bis W5 ist Schritt W1 im Wesentlichen derselbe wie Schritt U1, Schritt W2 ist im Wesentlichen derselbe wie Schritt U2, Schritt W3 ist im Wesentlichen derselbe wie Schritt U3 und Schritt W5 ist im Wesentlichen derselbe wie Schritt U5. Daher wird hier der Schritt W4 beschrieben und eine Beschreibung des Schrittes W1 bis Schritt W3 und Schritt W5 wird nur bei Bedarf wiederholt.
  • In Schritt W4 wird Heliumionenstrahlung auf die Rückseite des Halbleitersubstrats aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist, wie in Bezug auf Schritt V3 beschrieben (siehe 9), die Helium-Ionen-Strahlendosis vorzugsweise auf 5×1010/cm2 bis 1×1014/cm2 eingestellt.
  • Als nächstes wird in Schritt W5 ein Wärmebehandlungsverfahren am Halbleitersubstrat durchgeführt, um die im Halbleitersubstrat angesammelten Wasserstoffatome zu diffundieren. Hier wird, wie bei Schritt V4 (siehe 9) beschrieben, das Wärmebehandlungsverfahren auf dem Halbleitersubstrat für 0,5 Stunden bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 300°C bis 500°C unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
  • Im Halbleiterbauelement mit der durch die vorstehend beschriebenen Schritte hergestellten Diode ist die Verteilung der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 die gleiche wie die Verteilung der Ladungsträgerkonzentration in der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 im Halbleiterbauelement mit dem vorstehend beschriebenen IGBT. In der n-Typ Feld-Stoppschicht 21 eliminieren die Wasserstoffatome daher die freien Bindungen von strahlungsinduzierten Defekten und eliminieren so strahlungsinduzierte Defekte, die eine Einschränkung der Ladungsträger-Mobilität bewirken.
  • Die in den jeweiligen Ausführungsformen beschriebenen Halbleiterbauelemente können bei Bedarf auf verschiedene Weise kombiniert werden.
  • Die hierin offenbarten Ausführungsformen sind illustrativ und nicht einschränkend.
  • Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft für ein Halbleiterbauelement mit einer Feld-Stoppschicht eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiterbauelement
    2a
    IGBT
    2b
    Diode
    3
    Halbleitersubstrat
    3a
    Graben
    5
    n- Typ Driftschicht
    7
    p+ Typ Kontaktschicht
    9
    p Typ Basisschicht
    11
    n+ Typ Emitter-Schicht
    13
    Gate-Isolierschicht
    15
    Gate-Elektrode
    17
    Zwischenschicht-Isolierschicht
    19
    Emitterelektrode
    21
    n Typ Feld Stoppschicht
    23
    p+ Typ Kollektorschicht
    25
    Kollektorelektrode
    31
    p+ Typ Anodenschicht
    33
    Anodenelektrode
    35
    n+ Typ Kathodenschicht
    37
    Kathodenelektrode

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1), das folgende Schritte aufweist: Bilden eines Halbleiterelements (2a, 2b) in einem Halbleitersubstrat (3) mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche und einem ersten Leitfähigkeitstyp mit einer ersten Ladungsträgerkonzentration, wobei das Halbleiterelement (2a, 2b) zum Leiten eines Stroms zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche dient, wobei das Bilden eines Halbleiterelements (2a, 2b) Folgendes beinhaltet: Implantieren von Akzeptorionen von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her, Durchführen eines Nassverfahrens zum Akkumulieren von Wasserstoffatomen in einem Verunreinigungsbereich (23, 35) des Halbleitersubstrats (3), in dem die Akzeptorionen implantiert werden, von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her, Anwenden von Strahlung geladener Teilchen von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her und nach dem Durchführen eines Nassprozesses und dem Anwenden der Strahlung geladener Teilchen, Durchführen eines Wärmebehandlungsverfahrens am Halbleitersubstrat (3), um eine Feld-Stoppschicht (21) des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer zweiten Ladungsträgerkonzentration zu bilden, die höher ist als die erste Ladungsträgerkonzentration im Halbleitersubstrat (3), wobei die Wasserstoffatome eine Verteilung aufweisen, in der die Konzentration der Wasserstoffatome von der Oberfläche des Verunreinigungsbereichs (23, 35) kontinuierlich zu einer Grenze zwischen dem Verunreinigungsbereich (23, 35) und der Feld-Stoppschicht (21) hin abnimmt.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach Anspruch 1, wobei bei der Implantation von Akzeptorionen Ionen eines Elements der Gruppe 13 als Akzeptorionen implantiert werden.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Durchführung des Nassprozesses eine chemische Lösung einschließlich Fluorwasserstoffsäure verwendet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Anwendung von Strahlung geladener Teilchen, die Bestrahlung mit Protonen als geladene Teilchen unter der Bedingung durchgeführt wird, dass die Dosismenge 5×1011/cm2 bis 1×1015/cm2 beträgt.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Anwendung der Strahlung geladener Teilchen die Strahlung von Heliumionen als die geladenen Teilchen unter der Bedingung durchgeführt wird, dass die Dosismenge 5×1010/cm2 bis 1×1014/cm2 beträgt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei der Durchführung des Wärmebehandlungsverfahrens das Wärmebehandlungsverfahren für eine Wärmebehandlungszeit von 0,5 Stunden bis 5 Stunden bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 300°C bis 500°C unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bilden des Halbleiterelements (2a, 2b) das Bilden eines IGBT (2a) beinhaltet und das Bilden des IGBT (2a) das Bilden einer Kollektorschicht (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) bis zur Feld-Stoppschicht (21) beinhaltet.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bilden eines Halbleiterelements (2a, 2b) das Bilden einer Diode (2b) beinhaltet, wobei das Bilden einer Diode (2b) das Implantieren von Donatorionen von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) her beinhaltet, um eine Kathodenschicht (35) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) bis zur Feld-Stoppschicht (21) zu bilden.
  9. Halbleiterbauelement (1), mit einem Halbleiterelement (2a, 2b), das einen Strom zwischen einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche eines Halbleitersubstrats (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Ladungsträgerkonzentration leitet, wobei das Halbleiterbauelement (1) Folgendes aufweist: einen Verunreinigungsbereich (23, 35), der bis zu einer ersten Tiefe von der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (3) gebildet ist; und eine Feld-Stoppschicht (21) des ersten Leitfähigkeitstyps, die von einer Position der ersten Tiefe bis zu einer zweiten Tiefe, tiefer als die erste Tiefe im Halbleitersubstrat (3), ausgebildet ist und eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die höher ist als die erste Ladungsträgerkonzentration im Halbleitersubstrat (3), wobei in der Feld-Stoppschicht (21) der Maximalwert der zweiten Ladungsträgerkonzentration zwischen der ersten Tiefe und der zweiten Tiefe liegt, die zweite Ladungsträgerkonzentration eine Verteilung aufweist, bei der die zweite Ladungsträgerkonzentration von einem Bereich, in dem sich der Maximalwert der zweiten Ladungsträgerkonzentration befindet, in Richtung der zweiten Hauptfläche abnimmt, wobei die Konzentration von strahlungsinduzierten Defekten, die in der Feld-Stoppschicht (21) verbleiben, niedriger ist als die erste Ladungsträgerkonzentration im Halbleitersubstrat (3), und wobei Wasserstoffatome im Verunreinigungsbereich (23, 35) akkumuliert werden, wobei die Wasserstoffatome eine Verteilung aufweisen, in der die Konzentration der Wasserstoffatome von der Oberfläche des Verunreinigungsbereichs (23, 35) kontinuierlich zur Grenze zwischen dem Verunreinigungsbereich (23, 35) und der Feld-Stoppschicht (21) hin abnimmt.
  10. Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 9, wobei die Konzentration der in der Feld-Stoppschicht (21) verbleibenden strahlungsinduzierten Defekte ein Hundertstel oder weniger der ersten Ladungsträgerkonzentration im Halbleitersubstrat (3) beträgt.
  11. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, worin das Halbleiterelement (2a, 2b) ein IGBT (2a) beinhaltet, und der Verunreinigungsbereich (23, 35) eine Kollektorschicht (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist.
  12. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei das Halbleiterelement (2a, 2b) eine Diode (2b) beinhaltet und der Verunreinigungsbereich (23, 35) eine Kathodenschicht (35) des ersten Leitfähigkeitstyps ist.
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