DE102004060624B4

DE102004060624B4 - Halbleiterscheibe mit epitaktisch abgeschiedener Schicht und Verfahren zur Herstellung der Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE102004060624B4
Application number: DE102004060624A
Authority: DE
Inventors: Rupert Dr. Krautbauer; Gerhard Hüttl; Andrej Lenz; Erwin-Peter Dr. Mayer; Rainer Winkler
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: DE102004060624A1; TW200636821A; CN1805121A; US20080286951A1; US8449675B2; CN1805121B; KR20060069249A; TWI295482B; JP4335867B2; JP2006173630A; US20060131649A1; KR100763426B1

Abstract

Halbleiterscheibe umfassend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium, die n⁺- oder p⁺-dotiert ist mit Dotierstoffatomen vom n- oder p-Typ und die eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist; eine auf der Vorderseite der Substratscheibe epitaktisch abgeschiedene Schicht, und eine mit Dotierstoffatomen vom gleichen Typ wie dem der Dotierstoffatome der Substratscheibe n⁺⁺- oder p⁺⁺-dotierte versetzungsfreie Schicht, die sich unter der epitaktisch abgeschiedenen Schicht von der Vorderseite der Substratscheibe in die Substratscheibe erstreckt und eine Dicke von mindestens 20 μm aufweist, in der der spezifische Widerstand um mindestens 20% niedriger ist als in der Substratscheibe.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Halbleiterscheibe umfassend eine mit Dotierstoffatomen vom n- oder p-Typ dotierte Substratscheibe aus Silizium mit einer Vorderseite und einer Rückseite, und eine auf der Vorderseite der Substratscheibe epitaktisch abgeschiedene Schicht.
Eine derartige Halbleiterscheibe ist insbesondere als Grundmaterial zur Herstellung von elektronischen Leistungs-Halbleiterbauelementen geeignet, wobei die Bauelemente in der epitaktisch abgeschiedenen Schicht (Epi-Schicht) integriert sind und der Stromfluss durch solche Bauelemente üblicherweise durch die Epi-Schicht und das darunter liegende Substrat führt. Der elektrische Widerstand von Leistungs-Halbleiterbauelementen hängt daher im eingeschalteten Zustand wesentlich vom spezifischen Widerstand der Substratscheibe ab und dieser ist ungefähr umgekehrt proportional zur Konzentration der Dotierstoffatome. Deren Konzentration wird üblicherweise bei der Herstellung des Einkristalls, der später in Substratscheiben zerteilt wird, durch Hinzufügen von Dotierstoff eingestellt. Die industriell am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium sind das Czochralski-Verfahren (CZ-Methode) und das Zonenziehen (FZ-Methode). Es ist jedoch nicht möglich, die Konzentration von Dotierstoffatomen beliebig zu steigern. Bei zu hohen Dotierstoff-Konzentrationen in der Schmelze bilden sich beim Ziehen von Einkristallen nach der CZ-Methode Versetzungen, die die einkristalline Struktur des Kristalls zerstören. Der durch Hinzufügen von Dotierstoff bei der Herstellung des Einkristalls erreichbare niedrigste Substratwiderstand hängt auch vom Dotierstoff-Typ und der Größe des Einkristalls ab. Im Falle von Phosphor liegt der niedrigste so hergestellte Widerstand im Bereich von 0,71 mOhmcm. Für Kristalle mit 150 mm oder 200 mm Durchmesser, wie sie für die industrielle Fertigung von Leistungshalbleiterbauteilen der neuesten Generation eingesetzt werden, liegt der praktisch erreichbare niedrigste Widerstand aber über diesem Wert (ca. 0,9 mOhmcm).
In der EP 0 578 996 A1 wird die Herstellung von Strukturen elektronischer Bauelemente auf Halbleitersubstraten beschrieben, wobei Dotierstoffe in Spitzenkonzentrationen durch Gasdiffusion in das Substrat gebracht werden.
WO 94/25988 A1 beschreibt eine Halbleiterscheibe für CMOS Anwendungen. Auf einem schwach dotierten Substrat wird eine dünne hochdotierte Schicht diffundiert; darauf wird eine schwach dotierte epitaktische Schicht abgeschieden.
JP 04139758 A beschreibt ein CMOS Bauteil, in dem durch eine verborgene Diffusionsschicht ein „Latch-up” Effekt verhindert wird. Dazu wird auf einem p-Typ Substrat eine p⁺ Schicht thermisch diffundiert, darauf eine 4–5 μm dicke epitaktische Schicht abgeschieden und ein gewöhnlicher CMOS Schaltkreis gebildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiterscheibe mit epitaktischer Schicht bereitzustellen, die eine mit Dotierstoffatomen vom n- oder p-Typ dotierte Substratscheibe aus einkristallinem Silizium umfasst, deren spezifischer Widerstand besonders niedrig ist.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Halbleiterscheibe gemäß Anspruch 1.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 zur Herstellung einer solchen Halbleiterscheibe.
Halbleiterscheiben gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnen sich durch einen besonders niedrigen spezifischen Widerstand der Substratscheibe aus und sind daher als Grundmaterial zur Herstellung von elektronischen Leistungs-Halbleiterbauelementen bestens geeignet. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die anfängliche Dicke der Substratscheibe durch Materialabtrag auf der Rückseite der Substratscheibe reduziert, vorzugsweise in einem solchen Ausmaß, dass die in der Dicke reduzierte Substratscheibe vorwiegend oder ausschließlich n⁺⁺ oder p⁺⁺ dotiert ist, was den spezifischen Widerstand der Substratscheibe zusätzlich verringert. Der Materialabtrag auf der Rückseite geschieht üblicherweise durch Rückschleifen, kann aber prinzipiell auch durch andere Techniken, wie Läppen, Polieren, CMP oder Ätzen erfolgen. Da die Art und Weise des Materialabtrags nicht wesentlich für die Erfindung ist, wird in der folgenden Beschreibung exemplarisch nur das Schleifen der Rückseite erwähnt ohne damit die Allgemeinheit der Erfindung einzuschränken.
Die Substratscheibe besitzt nach dem Schleifen der Rückseite eine Dicke von vorzugsweise weniger als 120 μm, besonders bevorzugt weniger als 80 μm. Die Rückseite der Substratscheibe kann vor oder nach dem Prozess zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, der im Wesentlichen auf der Vorderseite durchgeführt wird, geschliffen werden. Als Bauelemente, die in die epitaktisch abgeschiedene Schicht integriert werden, kommen insbesondere Leistungstransistoren, PowerMOSFETs, PowerICs oder IGBTs in Betracht.
Zu den Dotierstoffatomen vom n-Typ gehören Phosphor, Arsen und Antimon und zu den Dotierstoffatomen vom p-Typ Bor. Eine Dotierstoffkonzentration vom Grad n⁺ oder p⁺ liegt vor, wenn eine Erhöhung der Konzentration des Dotierstoffs durch weiteres Hinzufügen des betreffenden Dotierstoffs zur Schmelze bei der Herstellung des Einkristalls ohne Versetzungsbildung in der Regel nicht mehr möglich ist oder die Herstellung einen im Vergleich zu niedrig dotierten Kristallen außergewöhnlich hohen technischen Aufwand erfordert. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn der spezifische Widerstand an einer beliebigen Position im Kristall bestimmte Grenzwerte unterschreitet, die vom Dotierstoff-Typ und Kristalldurchmesser abhängig sind. Der Grenzwert, bei dem bei üblichen Herstellungsprozessen Versetzungen auftreten können ist für Kristalle mit 150 mm oder 200 mm Durchmesser im Fall von Phosphor etwa 1 mOhmcm, im Fall von Arsen 2 mOhmcm, im Fall von Antimon 10 mOhmcm und im Fall von Bor 1 mOhmcm. Bei der Herstellung von Einkristallen nach dem CZ-Verfahren steigt die Konzentration des Dotierstoffs aufgrund der Segregation entlang der Kristallachse. Eine wirtschaftliche Produktion von hochdotierten Einkristallen mit niedrigem spezifischen Widerstand ist deshalb nur möglich, wenn die Kristalle auf der vollen Länge versetzungsfrei sind. Probleme mit Versetzungen ergeben sich deshalb schon bei der Herstellung von Kristallen mit höheren Widerstands-Zielwerten. Eine Dotierstoffkonzentration vom Grad n⁺ oder p⁺ liegt deshalb vor, bei einem spezifischen Widerstand von etwa 1,5 mOhmcm und kleiner im Fall von Phosphor, 2,5 mOhmcm und kleiner im Fall von Arsen, 15 mOhmcm und kleiner im Fall von Antimon und im Fall von Bor 2,5 mOhmcm und kleiner.
Eine Dotierstoffkonzentration vom Grad n⁺⁺ oder p⁺⁺ liegt vor, wenn eine Dotierstoffkonzentration vom Grad n⁺ oder p⁺ überschritten ist. Das ist insbesondere der Fall, wenn der spezifische Widerstand kleiner ist als 1 mOhmcm für Phosphor, kleiner als 2 mOhmcm für Arsen, kleiner als 10 mOhmcm für Antimon und kleiner als 1 mOhmcm für Bor.
Die theoretisch maximal erreichbare Dotierstoffkonzentration ist durch die Löslichkeitsgrenze des jeweiligen Dotierstoffs gegeben und liegt bei etwa 8·10²⁰/cm³ für Bor, 1.3·10²¹/cm³ für Phosphor, 1.8·10²¹/cm³ für Arsen und 7·10¹⁹/cm³ für Antimon (Temperaturbereich ca. 1000–1410°C). Höhere Konzentrationen können unter bestimmten Bedingungen als metastabile Zustände vorliegen, im Gleichgewicht stellt sich jedoch eine Phasentrennung in Form von Ausscheidungen oder Präzipitaten ein.
Erfindungsgemäß wird die Dotierstoffkonzentration der Substratscheibe gesteigert, indem durch die Vorderseite der n+ oder p+ dotierten Substratscheibe weiterer Dotierstoff vom gleichen Typ durch Diffusion oder Implantation in die Substratscheibe getrieben wird. Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise wird zusätzlicher Dotierstoff ganzflächig durch die Vorderseite in die Substratscheibe getrieben. Es ist jedoch auch möglich, einzelne Bereiche der Vorderseite zu maskieren und so zusätzliche Dotierstoffatome strukturiert in das Kristallgitter einzubauen.
Das Ergebnis der Diffusion oder Implantation ist eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium, die eine n⁺⁺ oder p⁺⁺ dotierte Schicht aufweist, die sich von der Vorderseite der Substratscheibe bis zu einer bestimmten Tiefe in die Substratscheibe erstreckt. Die Dicke dieser Schicht hängt von den Bedingungen wie Dauer, Temperatur, Dotierstoffkonzentration und Dosis ab, unter denen die Diffusion oder Implantation des zusätzlichen Dotierstoffs durchgeführt werden. Der Übergang zwischen der n⁺⁺ Schicht und dem n⁺ Substrat, bzw. zwischen der p⁺⁺ Schicht und dem p⁺ Substrat, kann je nach verwendetem Verfahren relativ scharf oder kontinuierlich sein. Unabhängig von der Art des Übergangs wird die Dicke der Schicht hier definiert als die Dicke der Schicht, in der der spezifische Widerstand um mindestens 20% niedriger als im ursprünglichen Substrat ist.
Die Schicht ist mindestens 20 μm dick, besonders bevorzugt ist eine Dicke von mehr als 30 μm. Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung ist umso ausgeprägter, je tiefer die Schicht in die Substratscheibe reicht und je dünner die Substratscheibe nach dem Schleifen der Rückseite ist. Die n⁺⁺ oder p⁺⁺ dotierte Schicht ist im Wesentlichen versetzungsfrei.
Auf der Vorderseite der Substratscheibe wird eine epitaktische Schicht abgeschieden, vorzugsweise eine Schicht aus Silizium, die mit einer geringeren Konzentration von Dotierstoffatomen dotiert ist als die Substratscheibe. Die Dotierung der epitaktischen Schicht kann vom gleichen oder auch vom entgegengesetzten Typ wie die des Substrats sein. Bevorzugt ist eine Dotierung der epitaktischen Schicht vom gleichen Typ wie die des Substrats. In diese epitaktische Schicht werden Leistungs-Halbleiterbauelemente wie Leistungstransistoren, PowerMOSFETs, PowerICs oder IGBTs integriert, die am Ende des Prozesses zu individuellen Bauelementen vereinzelt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt den simulierten Verlauf des spezifischen Widerstands in einem hochdotierten Substrat (Dotierstoff Phosphor) nach zusätzlicher Diffusion von Dotierstoff (Dauer der Diffusion t).
Die absolute Dicke der eindiffundierten hochdotierten Schicht (hier n++) hängt dabei von der Diffusionsdauer, der Temperatur und der aufgebrachten Oberflächenkonzentration des Dotierstoffs ab. Für andere Dotierstoffe ist das Verhalten qualitativ sehr ähnlich, Leitungstyp und die Dicke der Schicht hängen jedoch von der Dotierstoffart und dem jeweiligen Diffusionsverhalten in Silizium ab.
2 ist eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses gemäß der Erfindung: in die Vorderseite eines hochdotierten Silicium-Wafers (n-Typ oder p-Typ) wird Dotierstoff des gleichen Typs eindiffundiert. Auf die so gebildete extrem hoch dotierte Schicht (n++ oder p++) wird eine epitaktische Schicht abgeschieden, die in der Regel deutlich niedriger dotiert ist als das zugrunde liegende Substrat. Auf der epitaxierten Schicht des Wafers werden Halbleiterbauelemente ausgebildet. Nach der Prozessierung wird die Rückseite des fertigen Wafers zum Teil abgetragen. Dies geschieht üblicherweise durch Rückschleifen, kann aber prinzipiell auch durch andere Techniken, wie Läppen, Polieren, CMP oder Ätzen erfolgen.

Claims

Halbleiterscheibe umfassend eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium, die n⁺- oder p⁺-dotiert ist mit Dotierstoffatomen vom n- oder p-Typ und die eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist; eine auf der Vorderseite der Substratscheibe epitaktisch abgeschiedene Schicht, und eine mit Dotierstoffatomen vom gleichen Typ wie dem der Dotierstoffatome der Substratscheibe n⁺⁺- oder p⁺⁺-dotierte versetzungsfreie Schicht, die sich unter der epitaktisch abgeschiedenen Schicht von der Vorderseite der Substratscheibe in die Substratscheibe erstreckt und eine Dicke von mindestens 20 μm aufweist, in der der spezifische Widerstand um mindestens 20% niedriger ist als in der Substratscheibe.
Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Substratscheibe weniger als 120 μm beträgt.
Halbleiterscheibe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der epitaktisch abgeschiedenen Schicht elektronische Bauelemente integriert sind.
Halbleiterscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Halbleiterscheibe nach einem Prozess zur Herstellung von elektronischen Bauelementen weniger als 120 μm beträgt.
Halbleiterscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den elektronischen Bauelementen um Bauelemente wie PowerMOSFETs, PowerICs oder IGBTs handelt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe, umfassend das Bereitstellen einer Substratscheibe aus einkristallinem Silizium, die n⁺- oder p⁺-dotiert ist mit Dotierstoffatomen vom n- oder p-Typ und die eine Vorderseite und einer Rückseite aufweist; das Einbringen von Dotierstoffatomen vom n- oder p-Typ in die Substratscheibe durch die Vorderseite der Substratscheibe, um eine mit Dotierstoffatomen vom gleichen Typ wie dem der Dotierstoffatome der Substratscheibe n⁺⁺- oder p⁺⁺-dotierte Schicht zu erzeugen, die sich von der Vorderseite der Substratscheibe in die Substratscheibe erstreckt und eine Dicke von mindestens 20 μm aufweist, in der der spezifische Widerstand um mindestens 20% niedriger ist als in der Substratscheibe; und das Abscheiden einer epitaktischen Schicht auf der Vorderseite der Substratscheibe.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffe durch Diffusion in die Substratscheibe eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffe durch Implantation in die Substratscheibe eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Substratscheibe geschliffen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Substratscheibe nach einem Prozess zur Herstellung von elektronischen Bauelementen reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Substratscheibe geschliffen wird.