DE102006009961B4

DE102006009961B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils

Info

Publication number: DE102006009961B4
Application number: DE200610009961
Authority: DE
Inventors: Kazuo Shimoyama; Manabu Takei; Haruo Nakazawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2026-03-04
Also published as: DE102006009961A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils, aus einem Halbleitersubstrat (1) des ersten Leitfähigkeitstyps, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche aufweist, mit den Verfahrensschritten der Bildung eines Grabens (26), dessen Querschnittsform V-förmig oder trapezförmig ist, in der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats; der Einbringung einer Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwände des Grabens; und der Aktivierung der Verunreinigung durch eine Laserbestrahlung; wobei die Seitenwände des Grabens so gebildet werden, daß sie einen Neigungswinkel (2) von maximal 70° zur zweiten Hauptfläche haben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Leistungs-Halbleiterbauteilen, wie sie z. B. in einer Wandlervorrichtung höherer Leistung verwendet werden. Sie betrifft speziell ein Verfahren zum Bilden einer isolierenden Trennschicht in einem bidirektionalen Bauteil oder einem in Rückwärtsrichtung sperrenden Bauteil mit bidirektionalen Spannungsstandhaltecharakteristiken, oder die Bildung von Gräben eines Sensors, eines Aktuators und einer Solarzelle, bei denen MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches System)-Technologie angewandt wird.
Bei einem in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteil wird eine Rückwärts-Sperrfähigkeit äquivalent einer Vorwärts-Sperrfähigkeit verlangt. Zur Sicherstellung der Rückwärts-Sperrfähigkeit muß sich ein die Spannung bis zur Rückwärts-Durchbruchspannung haltender pn-Übergang von der Unterseite eines Halbleiterchips bis zu seiner Oberseite erstrecken. Eine diffundierte Schicht zum Bilden des von der Unterseite bis zur Oberseite erstreckten pn-Übergangs ist eine Trennschicht.
Das Herstellungsverfahren einer Trennschicht in einem bekannten verglichenen rückwärtssperrenden IGBT besteht darin, daß sie durch Beschichtung und Diffusion gebildet wird. In einer Dotierungsmaske wird durch eine Strukturierung und Ätzung eine Öffnung gebildet, die mit einer Borquelle bedeckt wird, und dann wird eine Wärmebehandlung der Halbleiterscheibe bei hoher Temperatur über eine lange Zeit in einem Diffusionsofen durchgeführt, um eine diffundierte Schicht einer Dicke in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern zu bilden, die dann die Trennschicht wird. Schließlich wird die Halbleiterscheibe an Anreißlinien geschnitten, die jeweils im Zentrum der Trennschicht liegen, um IGBT-Chips zu bilden.
Die Trennschicht kann auch durch Schaffung eines Grabens und Bilden einer Diffusionsschicht an der Seitenwand des Grabens hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird zuerst auf der Halbleiterscheibe eine Ätzmaske gebildet und dann durch Durchführung einer Trockenätzung ein Graben, oder genauer: ein Gitter von Gräben, hergestellt, in dessen Seitenwand dann ein Dotierstoffgas eingebracht wird, um die Trennschicht in Form einer p-leitenden diffundierten Schicht zu bilden. Nachdem der Graben wieder mit einem verstärkenden Material gefüllt worden ist, wird eine Zerteilung entlang den Anreißlinien durchgeführt, wodurch die Halbleiterscheibe in IGBT-Chips zerteilt wird, die dann die IGBTs bilden.
Dieses Verfahren der Herstellung des Grabens und der Bildung der Trennschicht an der Seitenwand des Grabens ist beschrieben in den Druckschriften JP 02-022 869 A , JP 2001-185 727 A und JP 2002-076 017 A . In JP 02-022 869 A ist beschrieben, dass der Graben von der Oberseite des Bauteils zu einer unterseitigen Übergangsschicht so verläuft, dass er eine aktive Schicht umgibt, und dann wird eine Diffusionsschicht in der Seitenwand des Grabens so gebildet, daß die Trennschicht mit einem Ende der unterseitigen Übergangsschicht des Bauteils hinauferstreckt bis zur Oberseite des Bauteils gebildet wird. In JP 2001-185 727 A und JP 2002-076 017 A ist beschrieben, dass ebenso wie nach JP 02-022 869 A der Graben von der Oberseite des Bauteils zu einer unterseitigen Sperrschicht gebildet wird und die diffundierte Schicht dann an der Seitenwand des Grabens gebildet wird, so daß das Bauteil eines mit einer Rückwärtssperrfähigkeit ist.
Beim Verfahren der Herstellung der Trennschicht im rückwärts sperrenden IGBT bedarf es einer Diffusionsbehandlung bei hoher Temperatur über eine lange Zeit, um das Bor durch die Durchführung der Wärmebehandlung von der Borquelle, die auf die Oberfläche geschichtet ist, zu diffundieren und die Isolierschicht mit einer ausreichenden Diffusionstiefe zu erhalten. Dies hat zur Folge, daß Befestigungsmittel aus Quarz, die den Diffusionsofen bilden, einer Kontamination durch fremde Materialien von einer Wärmequelle her und einer Verminderung der Festigkeit aufgrund einer Devitrifikation der Quarzbefestigungen unterliegen.
Außerdem muß beim Herstellen der Trennschicht durch das Verfahren der Beschichtung und Diffusion eine maskierende Oxidschicht gebildet werden, und zwar als dicke Oxidschicht mit hoher Qualität, um der langandauernden Bordiffusion zu widerstehen. Als Verfahren zum Erhalten einer Siliziumoxidschicht mit hohem Maskenwiderstand, also mit hoher Qualität, gibt es das Verfahren der thermischen Oxidation.
Die Wärmebehandlung zur Diffusion des Bors für die Trennschicht dauert beispielsweise 200 Stunden lang und wird bei 1.300°C durchgeführt. Damit unter diesen Bedingungen keine Boratome durch die maskierende Oxidschicht hindurchdringen, muß diese 2,5 μm dick sein, und die Herstellung einer so dicken thermischen Oxidschicht erfordert eine Oxidationstemperatur von beispielsweise 1.150°C und eine Oxidationszeit bei trockener Oxidation, nämlich in trockener Sauerstoffatmosphäre von etwa 200 Stunden, wodurch dann die Oxidschicht mit hoher Qualität erhalten werden kann.
Auch bei der nassen oder pyrogenetischen Oxidation, die bekanntlich im Vergleich zur trockenen Oxidation eine kürzere Oxidationszeit erfordert, allerdings mit einem etwas schlechteren Qualitätsergebnis der erhaltenen Oxidschicht, beträgt die Oxidationszeit immer noch etwa 15 Stunden. Außerdem wird beim obigen Oxidationsverfahren eine große Menge Sauerstoff in die Siliziumscheibe eingeführt. Hierdurch ergeben sich Kristallisationsdefekte wie Sauerstoffeinlagerungen und oxidationsinduzierte Stapelfehler (OSF), und es entstehen Sauerstoff-Donatoren, wodurch nachteilige Effekte wie eine Verschlechterung der Charakteristiken und eine Erniedrigung der Zuverlässigkeit des Bauteils bewirkt werden.
Auch beim Verfahrensschritt der Bordiffusion, der durchgeführt wird, nachdem die Borquelle aufgeschichtet worden ist, wird die Diffusionsbehandlung unter der hohen Temperatur und über die lange Zeit üblicherweise unter einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt. Auch hierbei werden Sauerstoffatome in die Kristallgitter in der Scheibe als Sauerstoff-Einlagerungsatome eingeführt. Es gibt also auch beim Diffusionsschritt Kristalldefekte wie Sauerstoffeinlagerungen, Sauerstoffdonatorproduktion, OSF und Gleitungsversetzungen. Bekanntlich erhöht sich in einem pn-Übergang, der in einer Scheibe mit solchen Kristalldefekten gebildet ist, der Leckstrom und sind in einer Isolierschicht, die auf der Scheibe durch thermische Oxidation gebildet wird, die Durchbruchspannung und die Zuverlässigkeit erheblich verschlechtert. Schließlich werden Sauerstoffatome, die während des Diffusionsvorgangs hereingekommen sind, durch eine weitere Wärmebehandlung zu Donatoren, mit der Folge des nachteiligen Effekts einer Erniedrigung der Durchbruchspannung.
Bei der Bildung der Trennschicht von der Oberfläche der Siliziumscheibe aus schreitet eine angenähert isotrope Diffusion des Bors von der Öffnung in der maskierenden Oxidschicht in das Volumen des Siliziums vor, wobei das Bor auch in seitlicher Richtung diffundiert, was einen nachteiligen Effekt auf die Reduktion des Elementenschritts und die Chipgröße hat. Wird das Bor in die Seitenwand eines Grabens eingebracht, um die Trennschicht zu bilden, so ist die Bearbeitungszeit, die zum Ätzen des Grabens erforderlich ist, hoch, und die für die Grabenbildung als Maske benötigte dicke Siliziumoxidschicht bewirkt eine Erhöhung der Kosten und der Ausschußrate aufgrund der Einführung von verfahrensresultierenden Kristalldefekten, und das Risiko von Rückständen, die im Graben zurückbleiben.
Die Einführung eines Dotierstoffs in die Seitenwand des Grabens, der ein hohes Aspektverhältnis hat, hat bei schräg zur Aufstrahlrichtung gehaltener Scheibe widrige Effekte wie eine Reduktion der effektiven Dosis (und eine hiermit Hand in Hand gehende Verlängerung der Implantierungszeit), eine Erniedrigung des effektiven projektierten (projizierten) Bereichs, einen Dosisverlust aufgrund des Vorhandenseins einer Schirmoxidschicht und eine Reduktion der Implantationsgleichförmigkeit zur Folge. Als Maßnahme für das effektive Einführen einer Verunreinigung in einem Graben mit hohem Aspektverhältnis kann deshalb anstelle der Implantierung von Dotierstoffionen in die Scheibe die Dampfphasendiffusion angewandt werden, bei der die Scheibe der vergasten Atmosphäre eines Dotierstoffs ausgesetzt wird, wie von PH₃ (Phosphin) oder B₂H₆ (Diboran). Die Dampfphasendiffusion ist jedoch hinsichtlich der Feinsteuerbarkeit der Dosis der Ionenimplantation unterlegen. Außerdem ist die Dosis der einführbaren Dotierstoffionen oft begrenzt durch ihre Löslichkeitsgrenzen. Bei einer Grabenseitenwand, durch die eine Ionenimplantation mit kleinem Einfallswinkel (Ionenimplantation auf die Grabenseitenwand mit einem größeren Neigungswinkel zur Bodenfläche der Scheibe) durchgeführt wird, sind die Dosis und die Tiefe der implantierten Dotierstoffe im Verhältnis zu den an der Oberseite der Scheibe als Hauptfläche eingebrachten Dotierungen reduziert. Außerdem werden implantierte Dotierungsionen manchmal in der Oxidschicht absorbiert, reflektiert und re-emittiert, wodurch ebenfalls ein Dosisverlust bewirkt wird. Für einen Graben, der durch gewöhnliches Trockenätzen so gebildet wird, daß er eine Seitenwand mit einem größeren Neigungswinkel von 80° oder mehr zur Bodenfläche aufweist, bedarf es einer sehr langen Implantierungszeit, wenn der Ionenstrahl vertikal auf die Scheibe auftrifft.
Wenn ein Graben mit einem hohen Aspektverhältnis mit einer Isolierschicht angefüllt wird, wird im Graben ein als Hohlraum (void) bezeichneter Raum erzeugt, wodurch ein Problem wie eine Verminderung der Zuverlässigkeit entsteht. Wird ein tiefer Graben durch trockene Ätzung gebildet, wird die Oberfläche der Scheibe für eine lange Zeit einer Plasmaatmosphäre ausgesetzt. Dies bewirkt einen Plasmaschaden der Scheibe mit der Folge einer Verschlechterung der Bauteilcharakteristiken. Insbesondere ist die Steuerelektrodenstruktur in einem IGBT anfällig für einen Plasmaschaden. Der Grabenbildungsschritt durch trockene Ätzung ist also begrenzt auf einen Formierungsschritt, der durchzuführen ist, bevor die Steuerelektrodenstruktur gebildet wird. Auch nach der Bildung der Steuerelektrodenstruktur gibt es noch viele Prozeßschritte der Halbleiterherstellung, die durchgeführt werden müssen, wie den Schritt der Bildung der Emitterstruktur und den Schritt der Bildung eines Passivierungsfilms. Wenn diese Prozeßschritte durchgeführt werden, solange der gebildete Graben offen gelassen ist, kann dies aufgrund von Restmengen des Resistlacks und der Chemikalien defekte Produkte verursachen. Der Graben muß also mit einer Halbleiterschicht oder einer Isolierschicht gefüllt werden, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt. Außerdem werden bei der Herstellung des Grabens durch trockene Ätzung mit hohem Aspektverhältnis und anschließendem Füllen des Grabens mit einer Isolierschicht oder einer Halbleiterschicht die als Hohlraum bezeichneten Räume im Graben erzeugt, wodurch gelegentlich ein Problem wie eine Reduktion der Zuverlässigkeit entsteht.
Ein vertikal gebildeter Graben tendiert auch zum Effekt, dass ein Laserstrahl, der parallel zur Grabenseitenwand einfällt, die Seitenwand nur schwer aktivieren kann.
Als weiteren Stand der Technik offenbart die WO 2003/009375 A2 eine Halbleiterrückseitenprozessierung, wobei in einem monokristallinen Material Vertiefungen in einem darunterliegenden einkristallinen Substrat unter Nutzung einer Ätzstopschicht ausgebildet werden. JP 2001-185 727 A offenbart ein Halbleiterbauelement, welches vorwärts und rückwärts verlaufende Spannungsverläufen standhält. Dies wird durch eine positive Kegel-Struktur außerhalb einer Struktur zur Spannungsfestigkeit eines IGBT erreicht. EP 0 525 587 A1 offenbart ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement mit einer Vertiefung an einer anodenseitigen Hauptfläche des Substrats, wobei die Dicke des Halbleiterkörpers partiell erhalten bleibt, wodurch sich der Durchlasswiderstand verringert.
Zum Lösen der oben beschriebenen, beim Stand der Technik bewirkten Probleme soll durch die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauteil angegeben werden, durch das die in die Seitenwand des Grabens implantierten Dotierstoffionen sicher und leicht aktiviert werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in dem unabhängigen Ansprüchen beanspruchten Verfahren gelöst.
Zur Lösung der beschriebenen Problematik und zum Erreichen der genannten Ziele umfaßt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung Verfahrensschritte der Bildung eines Grabens, dessen Querschnittsforum V-förmig oder trapezförmig ist, in einer ersten Hauptfläche eines scheibenförmigen Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps, das parallel zueinander eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche aufweist; der Einbringung einer Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand des Grabens; der Aktivierung der Verunreinigung durch eine Laserbestrahlung; und Bilden der Seitenwand des Grabens so, daß sie einen Neigungswinkel von maximal 70° zur zweiten Hauptfläche hat.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist, ausgehend vom ersten Aspekt, das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß man die Seitenwand des Grabens so bildet, daß sie einen Neigungswinkel zwischen 30° und 70° zur zweiten Hauptfläche hat.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das Herstellungsverfahren, ausgehend vom ersten oder zweiten Aspekt, dadurch aus, daß man die Laserbestrahlung mit einem Laserstrahlenbündel durchführt, das man auf die erste Hauptfläche des Halbleitersubstrats in einem Einfallswinkel bis zu ±30° zur Normalen auf der ersten Hauptfläche aufstrahlt.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird, ausgehend vom ersten, zweiten oder dritten Aspekt, die Laserbestrahlung mit einem Laserstrahlenbündel durchgeführt, das einen Brennpunkt hat, den man so auf der Seitenwand des Grabens positioniert, daß auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats keine Spuren von geschmolzenem Kristall und keine Bearbeitungsspuren auftreten.
Ausgehend vom ersten, zweiten, dritten oder vierten Aspekt der Erfindung ist das Verfahren nach einem fünften Aspekt der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallfläche der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats eine {100}-Ebene ist und die Kristallfläche der Seitenwand des Grabens eine {111}-Ebene ist.
Wenn im Rahmen der Erfindung die Kristallfläche der Seitenwand eine {111}-Ebene ist, ist sie um 35,3° gegenüber der Ebene geneigt, die im rechten Winkel zur ersten Hauptfläche liegt. Ein Laserstrahl, der in einem Einfallswinkel von bis zu 30° zur Normalen hinsichtlich der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats auf diese Hauptfläche auftrifft, ermöglicht also eine Laserbestrahlung auf beide Seitenwände des Grabens.
Der Neigungswinkel der Grabenseitenwände zur zweiten Hauptfläche ist klein im Vergleich zum Neigungswinkel, wenn der Graben durch trockene Ätzung gebildet wird. Dies kann nachteilige Effekte eines bekannten Verfahrens bei der Ionenimplantation vermindern, beispielsweise Effekte einer Reduktion der effektiven Dosis, eines Dosisverlusts aufgrund des Vorhandenseins einer abschirmenden Oxidschicht, eines Dosisverlusts aufgrund einer Reflexion und Re-Emission der Ionenstrahlen und einer Reduktion in einem effektiven projektierten Bereich. Außerdem kann, wenn der Winkel der Grabenseitenwand zur zweiten Hauptfläche klein ist, ein Chemikalienrest im Graben leicht entfernt werden, was eine sehr effektive Maßnahme bei der Erhöhung der Ausbeute und der Verbesserung der Zuverlässigkeit ist.
Wird außerdem nach der Ionenimplantierung eine Wärmebehandlung mit Lasererhitzung durchgeführt, so kann die Verunreinigung aktiviert werden, indem die Temperatur kurzzeitig bis zu einer Höhe nahe dem Schmelzpunkt des Siliziums angehoben wird. Ionen von Dotierungsstoffen (z. B. des p-Typs wie B oder Al), die zur Bildung der Trennschicht implantiert wurden, können höher aktiviert werden als Dotierstoffionen, die einer Wärmebehandlung mit einem Niedertemperaturofen unterworfen werden, die bei einer Temperatur bis zu 500°C durchgeführt wird. Es wird dabei nämlich nur der Bereich bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometern von der Oberfläche aktiviert, so daß kein Einfluß auf die bereits gebildete Elektrode ausgeübt und an ihr kein Schaden verursacht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Herstellung des Halbleiterbauteils kann die Trennschicht hergestellt werden, ohne eine Diffusionsverarbeitung bei hoher Temperatur über eine lange Zeit und ohne eine Oxidationsverarbeitung über eine lange Zeit durchzuführen. Die Wärmebehandlungszeit zum Herstellen der Trennschicht kann verkürzt werden. Fehler aufgrund von Kristalldefekten und aufgrund von Fehlstellen oder Splitter können reduziert werden. Darüber hinaus können Prozeßschritte zum Anreißen, CMP (Chemisch-Mechanisches Polieren), Zurückfüllen mit einer Epitaxialschicht und Beschichten und Diffusion unnötig gemacht werden. Die Herstellungskosten können deshalb im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert werden. Außerdem werden kein OSF und kein Sauerstoffdonator erzeugt, so daß man erwarten kann, daß der Leckstrom in Rückwärtsrichtung reduziert und die Durchbruchspannung erhöht wird. Die Erfindung wirkt sich also dahingehend aus, daß ein hochzuverlässiges Halbleiterbauteil zu niedrigen Kosten erhalten werden kann. Die Technologie des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist außerdem nicht nur für rückwärtssperrende IGBTs wirksam, sondern auch für Betätigungsorgane (Aktuatoren) und Sensoren, die Grabenstrukturen ähnlich denen des IGBT benötigen, die gebildet werden durch Aktivierung von in der Grabenoberfläche eingeführtem Dotierungsmittel.
Beim Bilden der Trennschicht durch Beschichten und Diffusion bildet ein Abschnitt, in dem die diffundierte Kollektorschicht und die diffundierte Trennschicht aneinanderliegen, einen spitzen Winkel am Rand der Unterseite des Chips. Aufgrund der resultierenden Konzentration des elektrischen Felds ergibt sich das Risiko einer Erniedrigung der Durchbruchspannung.
Wird außerdem ein V-förmiger Graben dadurch gebildet, daß man die Ätzung von der ersten Hauptflächenseite, nämlich der Oberseite, aus durchführt, an der eine MOS-Steuerelektrodenstruktur gebildet wird, so wird das einzelne Element größer und es erhöht sich die Elemententeilung. Außerdem bildet auch hierbei der Schnittbereich, an dem sich die diffundierte Kollektorschicht und die diffundierte Trennschicht miteinander verbinden, am Rand der Chipunterseite einen spitzen Winkel, und auch hierdurch ergibt die resultierende Konzentration des elektrischen Felds das Risiko einer Verschlechterung der Durchbruchspannung.
Zur Lösung dieser Probleme des Stands der Technik soll durch die Erfindung ein Halbleiterbauteil mit hoher Zuverlässigkeit, kleiner Elemententeilung und kleiner Chipgröße geschaffen werden und soll auch ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils angegeben werden, durch das die Trennschicht gebildet wird, ohne daß eine Verarbeitung bei hoher Temperatur und langandauerndem Diffusionsprozeß und eine Langzeit-Oxidationsverarbeitung durchgeführt werden müssen. Weiterhin soll durch das Herstellungsverfahren ein Halbleiterbauteil hoher Zuverlässigkeit zu niedrigen Kosten hergestellt werden.
Gemäß der Erfindung werden die obigen Probleme gelöst durch die Herstellung eines Halbleiterbauteils, umfassend: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, die einander parallel gegenüberliegend das scheibenförmige Substrat oben und unten begrenzen; eine Basisregion des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der ersten Hauptfläche des Substrats ausgebildet ist; eine Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich an der Basisregion ausgebildet ist; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit: einer auf einem Oberflächenbereich eines Abschnitts der Basisregion, der zwischen dem Halbleitersubstrat und der Emitterregion angeordnet ist, befindlichen Steuerelektroden-Isolierschicht, und einer auf der Steuerelektroden-Isolierschicht befindlichen Steuerelektrode; eine in Kontakt mit der Emitterregion und der Basisregion befindliche Emitterelektrode; eine an einer Oberflächenschicht der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats befindliche Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps; eine in Kontakt mit der Kollektorschicht befindliche Kollektorelektrode; und eine den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisende Trennschicht, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur umgibt, von der zweiten Hauptfläche aus die erste Hauptfläche erreicht und zur ersten Hauptfläche geneigt ausgerichtet ist, und die mit der Kollektorschicht gekoppelt ist und von der Kollektorelektrode überdeckt ist.
Ein Halbleiterbauteil, welches gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste Hauptfläche als auch die zweite Hauptfläche in einer {100}-Ebene des Substrat-Kristallgitters liegen, die Trennschicht eine Verunreinigungsschicht ist, die durch Einführung einer Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps in eine Seitenwand einer {111}-Ebene eines Grabens gebildet ist, der im Halbleitersubstrat von der zweiten Hauptfläche aus gebildet ist, und die Trennschicht mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp einen Neigungswinkel von 125,3° zur zweiten Hauptfläche hat.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft wiederum das Herstellungsverfahren. Hergestellt werden soll ein Halbleiterbauteil, das folgende Teile umfaßt: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche; eine Basisregion des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der ersten Hauptfläche des Substrats ausgebildet ist; eine Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich an der Basisregion ausgebildet ist; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit: einer auf einem Oberflächenbereich eines Abschnitts der Basisregion, der zwischen dem Halbleitersubstrat und der Emitterregion angeordnet ist, befindlichen Steuerelektroden-Isolierschicht, und einer auf der Steuerelektroden-Isolierschicht befindlichen Steuerelektrode; eine in Kontakt mit der Emitterregion und der Basisregion befindliche Emitterelektrode; eine an einer Oberflächenschicht der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats befindliche Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps; eine in Kontakt mit der Kollektorschicht befindliche Kollektorelektrode; und eine den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisende Trennschicht, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur umgibt, von der zweiten Hauptfläche aus die erste Hauptfläche erreicht und zur ersten Hauptfläche geneigt ausgerichtet ist, und die mit der Kollektorschicht gekoppelt ist, wobei sowohl die erste Hauptfläche als auch die zweite Hauptfläche eine {100}-Ebene sind und eine Oberfläche der Trennschicht in einer {111}-Ebene liegt. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren solcher Bauteile ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Bildung der MOS-Steuerelektrodenstruktur auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps; Abdecken der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Maske, die Öffnungen eines für das Ätzen eines Grabenmusters geigneten Musters entlang der <110>-Richtung aufweist; Herstellen eines Grabens, dessen Querschnittsfläche V-förmig oder trapezförmig ist, im Halbleitersubstrat von der zweiten Hauptfläche aus durch nasses anisotropes Ätzen, wobei Abschnitte der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats, die nicht mit der Maske abgedeckt sind, in Kontakt mit einer alkalischen Lösung gebracht werden; und Bilden der Trennschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer diffundierten Schicht an der zweiten Hauptfläche durch Einbringen einer Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps in eine Seitenwand des Grabens und in die zweite Hauptfläche.
Nach einem 7. Aspekt der Erfindung ist das genannte Herstellungsverfahren weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Graben mit einem Neigungswinkel von 125,3° zur zweiten Hauptfläche gebildet wird und die Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand des Grabens durch Ionenimplantation eingebracht wird, und nach einem elften Aspekt kann es dadurch gekennzeichnet sein, daß die Kollektorelektrode so gebildet wird, daß sie die Trennschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps überdeckt, wodurch das Bauteil nach dem siebten oder achten Aspekt entsteht.
Nach einem 9. Aspekt besteht die beim genannten Verfahren verwendete Maske aus wenigstens einer der folgenden Schichten: einer Siliziumoxidschicht, einer Siliziumnitridschicht, einer SOG-Schicht oder einer alkalibeständigen Resistschicht; wobei die Siliziumoxidschicht und/oder die Siliziumnitridschicht durch Plasma-CVD oder durch CVD bei Atmosphärendruck, und die SOG-Schicht durch Rotationsbeschichtung gebildet werden, worunter das Aufbringen der lichtempfindlichen Resist-Flüssigkeit auf die Scheibe mittels Rotation zu verstehen ist.
Nach einem 10. Aspekt der Erfindung stellt sich das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauteils, ausgehend von einer Halbleiterscheibe mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, so dar, daß es die Verfahrensschritte umfaßt: Bilden einer Mehrzahl von diffundierten Schichten, einer ersten Hauptelektrode und einer Steuerelektrode an der ersten Hauptfläche der Halbleiterscheibe; Dünnermachen der Halbleiterscheibe durch Schleifen der zweiten Hauptfläche der Halbleiterscheibe; Befestigen der Halbleiterscheibe mit ihrer ersten Hauptfläche an einem Trägersubstrat, wobei eine Klebeschicht dazwischengelegt ist; Bilden eines Grabens, der die diffundierte Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche von der Seite der zweiten Hauptfläche der dünnergemachten Halbleiterscheibe aus erreicht; Bilden einer Trennschicht an der gesamten Fläche einer Seitenwand des Grabens und einer diffundierten Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche, wobei die Trennschicht und die diffundierte Schicht den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die diffundierte Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche haben; Bilden einer zweiten Hauptelektrode in Kontakt mit der diffundierten Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche und auf der Trennschicht; und Entfernen der Klebeschicht zwischen der dünnergemachten Halbleiterscheibe zum Zerteilen der Halbleiterscheibe in Halbleiterchips.
Dieses Verfahren ist gemäß einem 11. Aspekt weiterhin so durchführbar, daß eine Kristallfläche der zweiten Hauptfläche der dünnergemachten Halbleiterscheibe in einer {100}-Ebene und eine Kristallfläche der Oberfläche des Grabens in einer {111}-Ebene liegt.
Vorzugsweise wird, gemäß einem 12. Aspekt, der Graben durch nasses anisotropes Ätzen gebildet, und wird, gemmäß einem 13. Aspekt, der Graben so tief hergestellt, daß er von unten her mit seinem Grabengrund die erste Hauptfläche erreicht, wobei vorzugsweise, gemäß einem 13.Aspekt, die Ätzung des Grabens beendet wird an einer Siliziumoxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht an der ersten Hauptfläche.
Das Verfahren nach einem der 10. bis 14. Aspekte kann gemäß einem 15. Aspekt dadurch gekennzeichnet sein, daß man die Trennschicht und die diffundierte Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche durch Ionenimplantation und eine Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur von bis zu 550°C bildet; und es kann nach einem 16. Aspekt eines sein, bei dem man die Trennschicht und die diffundierte Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche durch Ionenimplantation und Laser-Wärmebehandlung bildet. Die Ionenimplantation führt man gemäß einem 17. Aspekt vorzugsweise mit einem Ionenstrahl durch, der in die zweite Hauptfläche in einem Einfallswinkel von bis zu ±30° zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche implantiert wird. Wenn nämllich die Grabenseitenwand zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche in einem Winkel von 35,3° geneigt ist, so ermöglicht dies die Ionenimplantation in beide Grabenseitenwände mit einem Ionenstrahl, der in einem Einfallswinkel von bis zu 30° zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche implantiert wird.
Wird von einem Verfahren nach dem 16. Aspekt ausgegangen, so kann man bevorzugt nach einem 18. Aspekt auch die Laserbestrahlung der Laser-Wärmebehandlung mit einem Laserstrahl durchführen, der auf die zweite Hauptfläche in einem Einfallswinkel von bis zu ±30° zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche einfällt. Auch hier zeigt sich, daß, wenn die Grabenseitenwand zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche in einem Winkel von 35,3° geneigt ist, dies die wirksame Laserbestrahlung auf beide Grabenseitenwände mit einem Laserstrahl, der in einem Einfallswinkel von bis zu 30° zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche einfällt, ermöglicht.
Nach einem 19. Aspekt der Erfindung verwendet man für die Laserbestrahlung der Laser-Wärmebehandlung ein Laserstrahlbündel eines YLF2ω-Lasers oder eines YAG2ω-Lasers mit einer Bestrahlungsenergiedichte von 0,25 Joule/cm² bis 5,0 Joule/cm², wobei die gesamte Flächenbestrahlung mit einer Verzögerungszeit für die zweite Bestrahlung in Höhe von 0 ns bis 5.000 ns durchgeführt wird.
Beim nassen anisotropen Ätzen mit einer alkalischen Lösung kann die Ätzmaske dünner gemacht werden, indem man sie aus einer Siliziumoxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht (Si₃N₄) mit sehr hoher Maskenselektivität herstellt. Wird beispielsweise als Ätzmaske eine Siliziumoxidschicht und als Ätzlösung eine wässerige Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) verwendet, so liegt die sehr hohe Maskenselektivität im Bereich von 1:350 bis 1:500. Dies erlaubt es, die Siliziumoxidschicht als Maskenoxidschicht sehr dünn zu halten. Wird also die Maskenoxidschicht durch thermische Oxidation hergestellt, so kann die Oxidationstemperatur niedriger gehalten und die Oxidationszeit erheblich verkürzt werden. Das Problem der Erhöhung der Rüstzeit und das Problem der Erzeugung von Kristalldefekten aufgrund der Sauerstoffeinbringung bei der Oxidation, denen man bei den Bauteilen und Verfahren nach dem Stand der Technik begegnet, können hierdurch verkleinert werden.
Auch eine durch chemische Ablagerung aus der Dampfphase CVD (Chemical Vapor Deposition) gebildete Siliziumoxidschicht hat eine ausreichende Maskenselektivität als Ätzmaske, obwohl eine solche Siliziumoxidschicht der thermischen Oxidschicht hinsichtlich der Filmqualität (Widerstandsfähigkeit der Maske) etwas unterlegen ist. Als Ätzmaske kann also auch ein durch CVD bei vermindertem Druck oder durch plasmaunterstützte CVD gebildeter TEOS-Film (Tetraethylorthosilikat) oder ein Siliziumnitridfilm verwendet werden. In diesem Fall kann die Temperatur zur Bildung der Schicht mit CVD relativ niedrig sein, in der Größenordnung von 200°C bis 680°C, so daß noch in einem späteren Teil des Scheibenbildungsprozesses, nämlich nach der Bildung einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, nach der Bildung einer Emitterelektrode und nach der Bildung einer Oberflächenschutzschicht, ein Graben zum Bilden der Trennschicht hergestellt werden kann.
Beim nassen anisotropen Ätzen mit einer alkalischen Lösung kann die Ätzrate sehr hoch angesetzt werden. Beispielsweise ist im Fall der Durchführung der Ätzung bei 110°C unter Verwendung einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung mit einer Konzentration von 54 Gew.-% die Ätzrate angenähert 8 μm/min. Zusätzlich kann beim nassen Ätzen diese Ätzung mit einem System durchgeführt werden, das als Chargen-Verarbeitungssystem bezeichnet werden kann, bei dem mehrere bis zu zig Scheiben gleichzeitig bearbeitet werden können, was in sehr hohem Maß effektiv für die Verringerung der Rüstzeit und für die Kostenreduktion ist.
Außerdem kann bei der nassen anisotropen Ätzung mit einer alkalischen Lösung eine mäßige Ätztemperatur von nur bis zu maximal 200°C gewählt werden. Dies macht den thermischen Aufwand so gering, daß kein Einfluß auf das Dotierungsprofil in der aktiven Region entsteht. Auch dann, wenn Strukturen aus Metall mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt, wie aus Aluminium (Al), oder aus nicht hitzebeständigen Materialien auf der Scheibe gebildet werden, bevor der Graben durch nasse anisotrope Ätzung hergestellt wird, ergibt sich durch die Durchführung der Ätzung kein Einfluß auf die Strukturen.
Bei der Herstellung des Grabens durch nasse anisotrope Ätzung mit einer alkalischen Lösung und anschließendes Implantieren von Borionen in die Seitenwand des Grabens kann die Wärmebehandlungstemperatur niedriger gehalten werden als bei den Verfahren nach dem Stand der Technik und kann die Wärmebehandlungszeit kürzer gehalten werden. Auch dies ergibt eine Verkürzung der Rüstzeit bei der Bildung der Trennschicht und eine damit einhergehende Verbesserung hinsichtlich einer niedrigen Ausschußrate. Außerdem ist der Neigungswinkel der Seitenwände des Grabens sehr groß im Vergleich zu dem des durch trockene Ätzung gebildeten Grabens. Dies kann widrige Effekte eines verglichenen bekannten Verfahrens bei der Ionenimplantierung reduzieren, nämlich Effekte wie eine Reduktion der effektiven Dosis, ein Dosisverlust aufgrund des Vorhandenseins einer abschirmenden Oxidschicht, ein Dosisverlust aufgrund einer Reflexion und Re-Emission des Ionenstrahls und eine Reduktion der effektiven projizierten Reichweite. Weiterhin können bei sehr großem Neigungswinkel der Seitenwände des Grabens Chemikalien und Reste im Graben leicht entfernt werden, wodurch die Ausbeute erhöht und die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Wenn beim nassen anisotropen Ätzen mit einer alkalischen Lösung die Maskenausrichtung in der [110]-Richtung als Kristallorientierung äquivalent zur <110>-Richtung angeordnet wird, indem beispielsweise eine Siliziumscheibe verwendet wird, bei der die (100)-Ebene als Hauptfläche verwendet wird, wird der Neigungswinkel der Seitenwand des Grabens fixiert auf 125,3°. Dies führt zum Effekt, daß die verfahrensabhängigen Variationen gering werden. Außerdem endet das Fortschreiten der Ätzung von selbst, wenn die Seitenwand des Grabens auf den Neigungswinkel von 125,3° festgelegt ist, an dem Zeitpunkt, an dem die fortschreitende Ätzung den Graben mit einem V-förmigen Querschnitt vollendet hat. Anders ausgedrückt, wird die Tiefe des Grabens bestimmt durch die Öffnungsbreite der Ätzmaske. Auch dies trägt dazu bei, Fluktuationen der Tiefe des Grabens im Vergleich zu den bekannten Verfahren sehr gering zu halten.
Weiterhin wird vorzugsweise eine dünne Halbleiterscheibe, die mit einer oberseitigen Struktur und einer unterseitigen Struktur zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterchips ausgebildet ist, an einem Trägersubstrat befestigt, ein Graben, der eine Anreißlinie werden soll, wird in der dünnen Halbleiterscheibe gebildet und an der Seitenfläche des Grabens wird die Trennschicht gebildet, woraufhin die Halbleiterscheibe vom Trägersubstrat abgenommen wird, wobei sie die Halbleiterchips ergibt Dies erlaubt es, einen Zerteilprozeß, wie er nach dem Stand der Technik durchgeführt wird, zu unterlassen. Zur Bildung der Trennschicht wird auch kein Beschichtungs- und Diffusionsverfahren angewandt, so daß nachteilige Effekte wie eine Verschlechterung der Charakteristiken aufgrund des Sauerstoffs reduziert werden können. Man kann also das in Rückwärtsrichtung sperrende Halbleiterbauteil mit hoher Zuverlässigkeit zu reduzierten Kosten herstellen. Durch die Anwendung der Niedertemperatur-Wärmebehandlung oder der Laser-Wärmebehandlung zum Aktivieren des Dotierungsstoffs in der Trennschicht kann die Trennschicht gleichförmig und flach hinsichtlich der Diffusionstiefe geschaffen werden. Dies ermöglicht es, die von der Trennschicht im Halbleiterchip belegte Fläche kleiner zu halten als bei den verglichenen Beschichtungs- und Diffusionsverfahren, so daß die Elemententeilung reduziert werden kann.
Zum Befestigen des Bauteils auf dem Trägersubstrat wird ein doppelseitig klebendes Klebeband aus einem durch Wärme aufschäumbaren Band, im folgenden Thermoschaumband genannt, und einem UV-Band, die miteinander verbunden sind, verwendet. Das Thermoschaumband wird an der Bauteiloberfläche befestigt und das UV-Band wird auf dem Trägersubstrat befestigt. Hierdurch kann das doppelseitig klebende Band leicht aufgeschäumt und vom Bauteil entfernt werden, indem eine Wärmebehandlung bei einer relativ niedrigen Temperatur von zwischen 80°C und 200°C, beispielsweise bei 130°C, durchgeführt wird.
Wird die Wärmebehandlung nach der Ionenimplantierung durch eine Laser-Wärmebehandlung durchgeführt, so wird die Trennschicht aktiviert, wobei ihre Temperatur augenblicklich bis zu nahe dem Schmelzpunkt des Siliziums ansteigt. Die zum Bilden der Trennschicht implantierten Ionen des Dotierungsstoffs, beispielsweise des p-Typ-Dotierungsstoffs wie B und Al, können also höher aktiviert werden als solche, die einer Niedertemperatur-Ofenwärmebehandlung mit einer Temperatur von bis zu 550°C unterworfen werden. Hierbei wird nur der Bereich bis zu einigen Mikrometern Tiefe von der Oberfläche her aktiviert, so daß sich an der bereits hergestellten Elektrode kein Einfluß ergibt und kein thermischer Schaden verursacht wird.
Beim Herstellungsverfahren 1 und bei seinem Halbleiterbauteil gemäß diesen Aspekten der Erfindung wird der Graben von der Unterseite her als der zweiten Hauptfläche des Siliziumsubstrats durch nasses anisotropes Ätzen mit einer alkalischen Lösung hergestellt und werden die Verunreinigungsionen in die Seitenwand des Grabens implantiert. Dies erlaubt es, die Trennschicht ohne Durchführung einer Langzeit-Hochtemperatur-Diffusionsbehandlung und ohne Langzeit-Oxidationsverarbeitung zu bilden. Wenn außerdem die Trennschicht gebildet wird, während das Halbleitersubstrat am Trägersubstrat befestigt ist, kann die Trennschicht, die mit der Diffusionsschicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche verbunden ist, leicht ohne Bewirkung einer Auftrennung der Scheibe in die einzelnen, sich ablösenden Chips gebildet werden. Die Trennschicht kann mit einer Breite von 30 µm hergestellt werden, im Vergleich zu 300 µm beim Stand der Technik, und die Wärmebehandlungszeit zum Bilden der Trennschicht kann ebenfalls reduziert werden, und zwar auf 300 ns im Vergleich zu 230 Std. für ein Bauteil nach dem Stand der Technik. Außerdem können Defekte aufgrund von Kristallisationsfehlern und Defekte aufgrund von Lunkern oder Splittern reduziert werden. Verfahrensschritte zum Zerteilen, für CMP (Chemical Mechanical Polishing, chemisch-mechanisches Polieren), zum Rückfüllen mit einer Epitaxialschicht sowie zum Beschichten und Diffusion können überflüssig werden. Die Herstellungskosten sind also im Vergleich zum Stand der Technik signifikant reduzierbar. Es werden keine OSF und keine Sauerstoffdonatoren erzeugt und der pn-Übergang zwischen der Trennschicht und dem Siliziumsubstrat bildet einen stumpfen Winkel zur Unterfläche als zweiter Hauptfläche des Siliziumsubstrats, was zu einem Aufbau führt, bei dem der unterseitige Rand des Chips die Konzentration des elektrischen Felds verringert. Insofern können eine Reduktion des Leckstroms in Rückwärtsrichtung und eine Erhöhung der Durchbruchspannung erwartet werden. Die Erfindung wirkt sich dahingehend aus, daß ein in hohem Maß zuverlässiges Halbleiterbauteil mit kleiner Elemententeilung und Chipgröße zu niedrigen Kosten erhalten werden kann.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 in perspektivischer Ansicht eine Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in der Oberfläche einer Halbleiterscheibe eine Mehrzahl von Gräben gebildet ist, die unterschiedliche Neigungswinkel der Seitenwände haben;
2 als graphische Darstellung, gemessene Verunreinigungskonzentrationsprofile für verschiedene Neigungswinkel der Grabenwände;
3 als graphische Darstellung Verunreinigungskonzentrationsprofile, die an verschiedenen Stellen der geneigten Seitenwände des Grabens im Abstand vom Brennpunkt eines Laserstrahlenbündels, der an der Bodenfläche des Grabens liegt, gemessen wurden;
4 als graphische Darstellung, gemessene Verunreinigungskonzentrationsprofile in Tiefenrichtung für verschiedene Bestrahlungsenergiedichten;
5A eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Trennschicht in einem in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT;
5B als graphische Darstellung die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Seitenwände des Grabens und der relativen Ionenimplantierungszeit;
6 als graphische Darstellung die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Seitenwände des Grabens und der Bruchrate der Chips;
7A eine Draufsicht zur Darstellung eines Musters von Gräben für neun Chips, das durch nasses anisotropes Ätzen von Silikon mit einer alkalischen Lösung erhalten wurde;
7B im Querschnitt ein Grabenmuster für neun Chippings, das durch nasses anisotropes Ätzen von Silizium mit einer alkalischen Lösung erhalten wurde;
8 diagrammartig eine Charakteristik, die die Ergebnisse von Trägerkonzentrationsprofil-Messungen zeigt, die an einem flachen Ebenenabschnitt und an einem Grabenseitenwandabschnitt einer Scheibe durchgeführt wurden;
9 in schematischen Querschnitten die Herstellungsschritte eines erfindungsgemäß hergestellten in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs;
10A in schematischer Querschnittsansicht eine durch Beschichten und Diffusion hergestellte Trennschicht in einer Scheibe nach dem Stand der Technik unter Darstellung der Trennschichtbreite und der Elemententeilung;
10B in schematischer Querschnittsansicht einen Scheibenabschnitt mit V-förmigen Gräben unter Darstellung der Trennschichtbreite und der Elemententeilung, wobei die Gräben von der Oberseite der Scheibe her gebildet sind;
10C in schematischer Querschnittsansicht einem erfindungsgemäß hergestellten Scheibenabschnitt mit V-förmigen Gräben unter Darstellung der Trennschichtbreite und der Elemententeilung, wobei die Gräben von der Unterseite der Scheibe her gebildet sind;
11 anhand einer Teilquerschnittsansicht die Veranschaulichung des Einflusses einer Änderung der Dicke der Scheibe auf den Abstand zwischen den Chips;
12A die Veranschaulichung des Zustands einer Scheibe in Draufsicht und im Querschnitt, wobei im dargestellten Zustand der Abstand zwischen den Chips vergrößert ist;
12B die Veranschaulichung des Zustands einer Scheibe in Draufsicht und im Querschnitt, wobei im dargestellten Zustand der Abstand zwischen den Chips verringert ist;
13A einen schematischen Querschnitt durch einen Chip eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs gemäß dem verglichenen Stand der Technik, wobei der Chip an einer Trennschicht getrennt ist, die durch Beschichtung und Diffusion so gebildet ist, daß der Rand der Unterseite, nämlich zweiten Hauptfläche, einen rechten Winkel bildet;
13B einen schematischen Querschnitt durch einen Chip eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs gemäß der verglichenen Technik, der an einem V-förmigen Graben getrennt ist, der von der Oberseite, nämlich ersten Hauptfläche her so gebildet ist, daß ein Rand der Unterfläche einen spitzen Winkel bildet;
13C einen schematischen Querschnitt durch einen Chip eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde, der an einem V-förmigen Graben getrennt ist, der von der Unterseite, nämlich zweiten Hauptfläche her so gebildet ist, daß ein Rand der Unterfläche einen stumpfen Winkel bildet;
14A bis 14C in Querschnittsansichten des Hauptteils eines rückwärtssperrenden IGBTs nach dem Stand der Technik aufeinanderfolgende Herstellungsschritte, bei denen: A) auf einer Halbleiterscheibe eine Oxidschicht als Dotierungsmaske gebildet wird; B) in der Oxidschicht eine Öffnung gebildet wird; C) die Öffnung mit einer Borquelle überdeckt wird, von der das Bor in die Halbleiterscheibe diffundiert wird;
14D in einer Querschnittsansicht den Hauptteil eines rückwärtssperrenden IGBTs nach dem Stand der Technik, dessen Trennschicht mit den Herstellungsschritten der 14A bis 14C hergestellt wurde;
15A ein schematisches Diagramm in perspektivischer Ansicht und in einer Querschnittsansicht zur Erläuterung der Probleme der Ionenimplantation, wenn die Ionen in einem leichten Neigungswinkel einfallen;
15B ein schematisches Diagramm in einer Querschnittsansicht zur Erläuterung der Probleme der Ionenimplantation, wenn die Ionen in einem leichten Neigungswinkel in eine Seitenwand eines Grabens einfallen;
16A bis 16D in Querschnittsansichten des Hauptteils eines anderen rückwärtssperrenden IGBTs nach dem Stand der Technik aufeinanderfolgende Herstellungsschritte, bei denen: A) auf einer Halbleiterscheibe eine Oxidschicht als Ätzmaske gebildet wird; B) ein Graben durch trockene Ätzung gebildet wird; C) an der Seitenwand des Grabens durch Dampfphasendiffusion eine Trennschicht gebildet wird; und D) im durch die trockene Ätzung gebildeten Graben chemische und Resist-Reste zurückgeblieben sind; und
17 eine schematische perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des nassen anisotropen Ätzens von Silizium mit einer alkalischen Lösung.
Zur besseren Veranschaulichung der Erfindung werden zunächst unter Bezugnahme auf die 7 und 8 Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Trennschicht erläutert.
Die 14A bis 14D zeigen anhand von Querschnitten aufeinanderfolgende Herstellungsschritte bei einem Herstellungsverfahren der Herstellung einer isolierenden Trennschicht in einem rückwärts-sperrenden IGBT, der anhand seiner wesentlichen Teile dargestellt ist. Das Verfahren besteht darin, die Trennschicht durch Beschichtung und Diffusion zu bilden. Zuerst wird auf einer Halbleiterscheibe 1 eine Oxidschicht 2 mit einer Dicke in der Größenordnung von 2,5 μm durch thermische Oxidation gebildet, die als Diffusions-Dotierungsmaske dient (14A). Die Oxidschicht 2 wird einer Strukturierung und Ätzung unterworfen, wodurch eine Öffnung 3 mit einer Weite oder einem Durchmesser in der Größenordnung von 100 μm zur Bildung der Trennschicht gebildet wird (14B).
Hierauf wird die Öffnung 3 mit einer Borquelle 4 bedeckt und dann die Halbleiterscheibe 1 einer Wärmebehandlung bei hoher Temperatur über eine lange Zeit in einem Diffusionsofen unterworfen, um eine diffundierte Schicht 5 des p-Typs einer Dicke in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern zu bilden (14C), die die Trennschicht wird. Es wird dann, ohne speziell dargestellt zu sein, nach der Bildung der Oberseitenstruktur die Unterseite der Halbleiterscheibe 1 geschliffen, bis eine geschliffene Fläche 6 erreicht ist, die in die Nähe der Trennschicht 5 herankommt. Die Halbleiterscheibe 1 ist hierdurch entsprechend dünner gemacht. An der geschliffenen Fläche 6 wird dann die Unterseitenstruktur hergestellt, die aus einer p-leitenden Kollektorregion und einer Kollektorelektrode besteht. Schließlich wird, um IGBT-Chips zu bilden, die Halbleiterscheibe 1 an Anreißlinien geschnitten, die jeweils im Zentrum der Trennschicht 5 liegen.
14D zeigt insoweit im Querschnitt den Hauptteil eines entsprechenden in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs, dessen Trennschicht 5 nach den Herstellungsschritten von 14A bis 14C hergestellt ist. In der Figur sind weiterhin eine p-leitende Kollektorregion 7, eine p-leitende Topfregion 8, eine Steuerelektroden-Isolierschicht 9, eine p-leitende Spannungsstandhalteregion 10, eine Zertrennfläche 11 und eine Feldoxidschicht 12 zu sehen. Weggelassen sind die Darstellungen einer Emitterregion, die selektiv in der Oberfläche der Topfregion 8 gebildet ist, einer Steuerelektrode auf der Steuerelektroden-Isolierschicht 9, eines Zwischenschichtisolators, der die Steuerelektrode überdeckt, einer Emitterelektrode auf dem Zwischenschichtisolator, einer auf der Feldoxidschicht 12 gebildeten Feldplatte und einer die Unterseite der Kollektorregion 7 überdeckenden Kollektorelektrode.
Beim Verfahren der Herstellung der Trennschicht im rückwärts sperrenden IGBT gemäß den 14A bis 14D bedarf es der in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Behandlung bei hoher Temperatur über eine lange Zeit, um das Bor von der Borquelle 4 in Form einer flüssigen Diffusionsquelle von Bor, die auf die Oberfläche geschichtet ist, zu diffundieren und so die Isolierschicht 5 mit einer Diffusionstiefe in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern zu erhalten. Dies hat zur Folge, daß Befestigungsmittel aus Quarz, die den Diffusionsofen bilden, wie eine Quarztafel, ein Quarzrohr und eine Quarzdüse der Ermüdung und einer Kontamination durch fremde Materialien von der Wärmequelle her unterliegen und außerdem devitrifizieren, mit der Folge einer Verminderung ihrer Festigkeit.
Die Trennschicht 5 wird mit Hilfe der dicken maskierenden Oxidschicht 2 gebildet, insbesondere durch trockene thermische Oxidation bei einer Oxidationstemperatur von beispielsweise 1.150°C und eine Oxidationszeit von etwa 200 Stunden. Bei der nassen oder pyrogenetischen Oxidation beträgt die Oxidationszeit immer noch etwa 15 Stunden. Hierbei wird Sauerstoff in die Siliziumscheibe eingeführt und werden Kristallisationsdefekte verursacht, und es entstehen Sauerstoff-Donatoren. Auch beim Verfahrensschritt der Bordiffusion wird die Behandlung unter der hohen Temperatur und über die lange Zeit üblicherweise unter einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt, und werden Sauerstoffatome in die Kristallgitter in die Scheibe als Sauerstoff-Einlagerungsatome eingeführt.
Beim in den 14A bis 14D dargestellten Verfahren der Bildung der Trennschicht schreitet eine angenähert isotrope Diffusion des Bors von der Öffnung in der maskierenden Oxidschicht in das Volumen des Siliziums vor. Die Bordiffusion in der Tiefenrichtung bis zu einer Tiefe von 200 μm bewirkt unvermeidlich, daß das Bor auch in seitlicher Richtung diffundiert, und zwar um eine Breite in der Größenordnung von 180 μm. Dies hat einen nachteiligen Effekt auf die Reduktion des Elementenschritts und die Chipgröße.
Als weiteren Fall der Bildung einer Trennschicht in einem derartigen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT ist auch ein Verfahren der Bildung der Trennschicht durch Schaffung eines Grabens und Bilden einer Diffusionsschicht an der Seitenwand des Grabens bekannt, wie es die 16A bis 16C zeigen ( JP 02-022 869 A , JP 2001-185 727 A und JP 2002-076 017 A ). Bei diesem Verfahren wird zuerst eine aus einer dicken Oxidschicht 13 mit einer Dicke von mehreren Mikrometern bestehende Ätzmaske auf einer Halbleiterscheibe 14 gebildet (16A) und dann durch Durchführung einer Trockenätzung ein Graben 15 mit einer Tiefe in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern hergestellt (16B). In die Seitenwand des Grabens 15 wird dann durch Durchführung einer Dampfphasendiffusion ein Dotierstoffgas 16 wie Diboran (B₂H₆) eingebracht, um eine Trennschicht 17 in Form einer p-leitenden diffundierten Schicht zu bilden (16C). In diesem Fall wird, nachdem man den Graben 15 wieder mit einem verstärkenden Material aus einer epitaxialen Siliziumschicht oder einer Polysiliziumschicht gefüllt hat, eine Zerteilung entlang den Anreißlinien durchgeführt, wodurch aus der Halbleiterscheibe 14 IGBT-Chips geschnitten werden. Das Ergebnis sind in Rückwärtsrichtung sperrende IGBTs.
Beim in den 16A bis 16C dargestellten Herstellungsverfahren wird der Graben 15 durch trockene Ätzung hergestellt und das Bor in die Seitenwand des so hergestellten Grabens 15 eingebracht, um die Trennschicht 17 zu bilden. Anschließend wird der Graben 15 mit dem verstärkenden Material gefüllt. Da der Graben mit einem hohen Aspektverhältnis gebildet werden kann, ist das Verfahren nach den 16A bis 16C vorteilhafter für die Reduktion des Elementenschritts im Vergleich zum Herstellungsverfahren nach den 14A bis 14D.
Jedoch beträgt die Bearbeitungszeit, die zum Ätzen bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von 200 μm erforderlich ist, größenordnungsmäßig 100 Min. pro Scheibe, wenn eine typische Trockenätzvorrichtung verwendet wird. Dies verursacht nachteilige Effekte wie eine Erhöhung der Rüstzeit und der Zahl der Wartungsschritte. Außerdem wird, wenn ein tiefer Graben durch trockene Ätzung mit einer Siliziumoxidschicht (SiO₂) als Maske hergestellt wird, eine dicke Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von einigen Mikrometern erforderlich, da die Ätzselektivität in der Größenordnung von 50 liegt. Die dicke Siliziumoxidschicht bewirkt nachteilige Effekte wie eine Erhöhung der Kosten und der Ausschußrate aufgrund der Einführung von verfahrensresultierenden Kristalldefekten wie OSFs und Sauerstoffeinlagerungen.
Außerdem ergibt sich bei dem Verfahren der Herstellung der Trennschicht unter Bildung eines tiefen Grabens mit hohem Aspektverhältnis durch trockene Ätzung das Problem, daß, wie 8D zeigt, Restmaterialien wie ein chemischer Rückstand 18 und ein Resistlackrest 19 im Graben zurückbleiben und nachteilige Effekte wie eine Verminderung der Ausbeute und der Zuverlässigkeit bewirken.
Wird ein Dotierungsmittel wie Phosphor oder Bor in die Seitenwand des Grabens eingeführt, so hat die gegenüber der Außenfläche vertikale Anordnung der Grabenseitenwand die Folge, daß man zur Einführung des Dotierungsmittels, die üblicherweise durch Implantieren von Dotierstoffionen durchgeführt wird, die Scheibe geneigt halten muß. Die Einführung eines Dotierstoffs in die Seitenwand des Grabens, der ein hohes Aspektverhältnis hat, bei schräg gehaltener Scheibe hat jedoch die in der Beschreibungseinleitung genannten widrigen Effekte wie eine Reduktion der effektiven Dosis, auch aufgrund des Vorhandenseins einer Schirmoxidschicht, und eine Reduktion der Implantationsgleichförmigkeit.
Bei der Herstellung des Grabens mit einem hohen Aspektverhältnis und seiner Füllung mit einem Isoliermaterial treten ebenfalls die in der Beschreibungseinleitung genannten Probleme auf, wie ein Hohlraum, Plasmaschäden, die Vielzahl der Prozeßschritte, die Restmengen des Resistlacks und der Chemikalien und die Schwierigkeit der Aktivierung der Seitenwand des vertikal gebildeten Grabens durch einen Laserstrahl, der parallel zur Grabenseitenwand einfällt.
Die Einführung eines Dotierstoffes in die Seitenwand des Grabens mit dem hohen Aspektverhältnis mit Ionenimplantation mit kleinem Einfallswinkel, nämlich durch Ionenimplantation in Richtung auf die Oberseite der Scheibe auf die Grabenseitenwand, die zur Scheibenunterseite einen großen Neigungswinkel hat, ist in den 15A und 15B veranschaulicht. Die 15A zeigt schematisch die schräge Einstrahlung auf eine plane Fläche und 15B zeigt schematisch die Einstrahlung von Dotierstoffionen 113, auf eine Grabenseitenwand 115 mit kleinem Neigungswinkel, wobei widrige Effekte wie eine Reduktion der effektiven Dosis und resultierender erhöhter Implantierungszeitbedarf, verkleinerte effektive projektierte Reichweite der Dotierionen, Dosisverlust aufgrund einer Schirmoxidschicht 114 und die Reduktion der Implantations-Gleichförmigkeit auftreten. In der Grabenseitenwand 115 sind die Dosis und die Dotiertiefe der Ionen 113 reduziert, verglichen mit der auf die Scheiben-Hauptfläche erfolgenden Implantation. Ein Teil der Ionen 113 wird von der Schirmoxidschicht 114 absorbiert, reflektiert und re-emittiert, mit resultierendem Dosisverlust. Wie 5B zeigt, benötigt man für einen Graben, der mit gewöhnlicher Trockenätzung mit einer Seitenwand, die einen Neigungswinkel von 80° oder mehr zur Unterseitenfläche hat, hergestellt worden ist, eine sehr lange Implantationszeit, wenn der Ionenstrahl senkrecht auf die Scheibe auftrifft. Als Maßnahme zum effektiven Einführen der Verunreinigung in die Wand des Grabens mit hohem Aspektverhältnis wird deshalb anstelle der Ionenimplantation die Dampfphasendiffusion angewandt, bei der die Scheibe einer Gas-Atmosphäre eines Dotierstoffs wie PH₃ (Phosphin) oder B₂H₆ (Diboran) ausgesetzt wird. Die Dampfphasendiffusion ist jedoch hinsichtlich der Feinsteuerbarkeit weniger günstig als die Ionenimplantation. Außerdem sind die Dosen von Dotierungsionen, die eingeführt werden können, oft durch ihre Löslichkeitsgrenzen limitiert.
Im folgenden werden wiederum unter Bezugnahme auf die Zeichnung bevorzugte Halbleiterbauteile und erfindungsgemäße Verfahrens-Durchführungsformen zum Herstellen eines Bauteils im einzelnen erläutert. Die Beispiele, anhand derer die Erfindung erläutert wird, betreffen in Rückwärtsrichtung sperrende IGBTs. In der folgenden Beschreibung und in der Zeichnung bedeuten ein vorausgehender Buchstabe ”n” oder ”p”, der an die Bezeichnung von Schichten oder Regionen angefügt ist, daß die Majoritätsträger in den Schichten oder Regionen Elektronen sind bzw. Löcher sind. Ein an die Angabe ”n” oder ”p” angefügtes hochgestelltes Zeichen ”+” oder ”–” bedeutet, daß die Schicht oder Region eine verhältnismäßig hohe bzw. eine verhältnismäßig niedrige Verunreinigungskonzentration hat. Mit gleichen Bezugszeichen bezeichnete Komponenten sind gleich, so daß redundante Erklärungen weggelassen werden können.
Die im folgenden ”Oberseite” genannte Fläche der Scheibe oder des Chips ist die auch in der Zeichnung oben dargestellte Fläche, und die ”Unterseite” genannte Fläche ist die auch in der Zeichnung unten dargestellte Fläche. Die Oberseite wird als erste Hauptfläche und die Unterseite als zweite Hauptfläche der beiden parallelen Hauptflächen der Scheibe oder des Chips difiniert. An der Oberseite befinden sich Halbleiterelement-Strukturen und an der Unterseite bei einem vertikalen Element beispielsweise eine Kathodenelektrode.
Beim Verfahren zur Herstellung des rückwärtssperrenden IGBTs werden zuerst an der Oberseite einer Halbleiterscheibe eine Steuerelektroden- und Emitterstruktur eines IGBTs gebildet und die Scheibe von ihrer Unterseite her bis zu einer spezifizierten Dickenabmessung dünner gemacht. Dann wird zum Bilden einer Kollektorregion (einer isolierenden Trennschicht), die die Oberseite als erste Hauptfläche und die Unterseite als zweite Hauptfläche verbindet, an der Unterseite eine Ätzmaske gebildet, deren Strukturmuster in Übereinstimmung mit dem Muster an der Oberseite gebracht wird, indem ein doppelseitiger Maskenausrichter verwendet wird. Dann wird am Umfang der einzelnen Chips ein V-förmiger oder trapezoidförmiger Graben durch nasses anisotropes Ätzen des Siliziums mit einer alkalischen Lösung durchgeführt.
In die Seitenwände des durch das Ätzen von der Unterseite als der zweiten Hauptfläche der Scheibe her gebildeten Grabens wird ein Dotierstoff wie Bor durch Ionenimplantierung eingebracht. Der Dotierstoff wird dann durch eine Wärmebehandlung bis zu 550° in einem Behandlungsofen oder durch eine Laser-Wärmebehandlung aktiviert, und zwar so, daß in der IGBT-Struktur an der Oberseite kein thermischer Schaden bewirkt wird. Durch die Aktivierung wird die isolierende Trennschicht gebildet. Sodann wird auf der gesamten Unterfläche der Scheibe eine Metallschicht aufgebracht, die als Kollektorelektrode dienen soll.
Wird der Graben (V-förmiger Graben) durch nasses anisotropes Ätzen mit einer alkalischen Lösung gebildet, so werden die Grabenseitenwände so ausgerichtet, daß sie einen kleinen Keilwinkel gegen die Oberseite der Scheibe haben. Das Verfahren ermöglicht es auch, daß eine diffundierte Kollektorschicht an der Unterseite der Scheibe und die diffundierte Trennschicht an den Grabenseitenwänden zusammen hergestellt werden. Nach der Bildung der diffundierten Schichten wird über der gesamten Unterseite die metallene Kollektorelektrode durch Aufsprühen oder Verdampfen gebildet. Dies führt dazu, daß auch an den Seitenwänden des Grabens Elektrodenmetalle abgelagert werden, die somit auch dazu dienen können, eine Schutzschicht der diffundierten Trennschicht zu sein. Die Trennschicht kann also ohne Defekte, die aufgrund von Fehlstellen auftreten, und mit geringerer Fehlerbelastung aufgrund des Einschlusses von Kontaminationsmaterial gebildet werden.
An der zweiten Hauptfläche, nämlich der Unterseite der Scheibe wird eine Ätzmaske so angebracht, daß ihr Strukturmuster auf das Muster an der Oberseite ausgerichtet ist, indem ein doppelseitiger Maskenausrichter verwendet wird, so daß eine Bodenfläche des Grabens, der von der Unterseite der Scheibe aus gebildet worden ist, nach dem Ätzen den aktiven Bereich an der Oberseite umgibt. Als Material für die Ätzmaske kann eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht verwendet werden, die durch Plasma-CVD oder durch Atmosphärendruck-CVD hergestellt wird. Üblicherweise wird jedoch ein alkalibeständiger Resistlack oder ein alkalibeständiges photosensitives Harz verwendet.
Zum Ätzen kann das nasse anisotrope Ätzen des Siliziums mit einer alkalischen Lösung angewandt werden. 17 zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht diese Art des Ätzens. Als hierbei verwendete Ätzlösungen für Silizium sind wässerige Lösungen von Basen seit langem bekannt und in Verwendung, beispielsweise KOH (Kaliumhydroxid), Hydrazin, Ethylenediamin, Ammoniaklösung und TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid). Das Ätzen des Siliziums unter Verwendung dieser alkalischen Lösungen erfolgt anisotrop (Abhängigkeit der Ätzrate des Siliziums von der Richtung der Kristallebene). Spezifisch haben die Ätzraten für eine (111)-Ebene, eine (110)-Ebene und eine (100)-Ebene, wenn KOH-Lösung verwendet wird, ein Verhältnis von 1:600:400 zueinander, wodurch der Ätzvorgang tatsächlich an einer Kristallfläche {111} äquivalent der (111)-Ebene endet. Es ist somit bekannt, daß das Ätzen mit einer Ätzmaske, die entlang der <110>-Richtung und der Richtung rechtwinklig zur <110>-Richtung verlaufende Öffnungen hat, und die vorab an der Scheibenoberfläche, die in der (100)-Ebene liegt, gebildet ist, einen V-förmigen Graben, eine pyramidenförmige Grube oder eine pyramidenförmige Hohlraumstruktur erzeugt. Weiterhin ist bekannt, daß man durch Justierung der Breite der Maskenöffnung oder der Ätzzeit einen V-förmigen Graben, einen trapezförmigen Graben oder eine pyramidenförmige Grube mit beliebiger Tiefe und beliebiger Größe bilden kann. Wird der Ätzvorgang nach der halben Zeit abgebrochen, so kann ein Graben entstanden sein, dessen Querschnitt umgekehrt trapezförmig ist (17). Wird das Ätzen fortgesetzt, so wird die {111}-Ebene der Seitenwand des Grabens vergrößert, während die (100)-Ebene am Boden des Grabens kleiner wird und schließlich verschwindet, wenn die {111}-Ebenen auf beiden Seiten zusammentreffen, wobei dann das weitere Ätzen im wesentlichen von selbst endet. Dies bewirkt keine Änderung in der Tiefe des V-förmigen Grabens, auch wenn die Ätzzeit unterschiedlich ist. Sobald also die Öffnungsbreite der Ätzmaske festgelegt ist, ist auch die Tiefe des V-förmigen Grabens bestimmt. Im einzelnen wird die Tiefe des V-förmigen Grabens ausgerechnet als 1/2 der Öffnungsbreite, multipliziert mit tan54,7°.
Als Ätzlösungen werden zweckmäßigerweise eine wässerige Lösung von TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) und eine wässerige Lösung von Ammoniak verwendet, da es hier keine Probleme der Kontamination durch Metallionen gibt und die Ätzrate für die als Maske verwendeten Siliziumoxidschicht sehr niedrig ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch die Bildung des Grabens durch anisotropes Ätzen in einem späteren Schritt des Prozesses durchgeführt, in dem ein Passivierungsfilm bereits über der IGBT-Struktur an der Oberseite hergestellt worden ist, um das Risiko des Einschlusses von kontaminierenden Materialien niedrig zu halten. In diesem Fall kann dann eine wässerige Lösung von KOH verwendet werden, was eine Verkürzung der Ätzzeit erlaubt.
Ein Passivierungsfilm, der vorab in einem Trennschichtbereich an der ersten Hauptfläche, also der Oberseite mit einer Siliziumoxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht gebildet worden ist, verhindert außerdem, daß der von der zweiten Hauptfläche, also der Unterseite der Scheibe durch nasses anisotropes Ätzen mit einer alkalischen Lösung gebildete Graben noch weiter geätzt wird, wenn der Grabenboden bereits den Passivierungsfilm an der Scheibenoberseite erreicht hat. Der Passivierungsfilm wirkt sich also so aus, daß es möglich wird, das Ätzen auf natürliche Weise zu beenden.
Nachdem der V-förmige oder der trapezoidförmige Graben durch nasses anisotropes Ätzen des Siliziums mit einer alkalischen Lösung gebildet worden ist, werden Borionen als Dotierstoffionen in die Seitenwände des Grabens durch Ionenimplantation eingeführt. Sodann wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um die Borionen zu aktivieren, wodurch eine p+-leitende diffundierte Schicht (die Trennschicht) entsteht. Die Borionen können in die Graben-Seitenwände implantiert werden, während die Scheibe schräg geneigt gehalten wird, ebenso wie bei der üblichen Ionenimplantierung. Da jedoch der Neigungswinkel der Seitenwand zur Unterseite der Scheibe 125,3° beträgt, kann auch implantiert werden, ohne daß die Scheibe geneigt wird, so daß die Ionen im rechten Winkel auf die Scheibe gerichtet sind. Der Neigungswinkel von 125,3° bewirkt keine extreme Differenz hinsichtlich der effektiven Implantierungsdosis und Implantierungstiefe zwischen dem flachen Teil der Unterseite der Scheibe senkrecht zu den einfallenden Ionen und den gegenüber den einfallenden Ionen geneigten Grabenseitenwänden. Man kann also die Borionenimplantierung zum Bilden der diffundierten Kollektorschicht an der Unterseite der Scheibe und die Borionenimplantierung zur Bildung der Trennschicht an den Seitenwänden des Grabens miteinander kombinieren, so daß sie in einem einzigen Implantierungsschritt durchgeführt werden. Dies vermindert die Zahl der Verfahrensschritte, was die Kosten reduziert, und erhöht den Prozentsatz der akzeptablen Produkte.
8 zeigt als Diagramm eine Charakteristik mit Ergebnissen von Messungen des Trägerkonzentrationsprofils, die einerseits anhand eines flachen planen Abschnitts einer Scheibe und andererseits anhand eines Graben-Seitenwandabschnitts einer Scheibe mit einem V-förmigen Graben, der durch nasse anisotrope Ätzung mit einer alkalischen Lösung gebildet wurde, durchgeführt wurden. Für die Messungen wurden auf der gesamten Oberfläche der Scheibe, die die durch die nasse anisotrope Ätzung mit der alkalischen Lösung gebildeten im Querschnitt V-förmigen Gräben aufweist, Borionen mit einer Implantationsenergie von 45 keV und einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm² mit einem Einfalls-Schrägwinkel von 0°, also mit senkrecht auf die Scheibe auftreffendem Ionenstrahl, implantiert. Anschließend wurde die gesamte Oberfläche der Scheibe zum Zweck der Wärmebehandlung mit einem Laserstrahl eines YLF2ω-Doppelimpulslasers bestrahlt, wobei diese Wärmebehandlungsvorrichtung eine Bestrahlungsenergie von 1,4 J/cm²·2 und eine Verzögerungszeit von 300 nsec für die zweite gepulste Laserbestrahlung hat. Da als Dotierstoffionen, die in die Grabenseitenwand implantiert wurden, Borionen verwendet und diese durch die Laser-Wärmebehandlung aktiviert wurden, kann die Trennschicht mit einer Verunreinigungskonzentration, die 1·10¹⁹ cm^–3 übersteigt, und mit einer Tiefe in der Größenordnung von 1 μm erhalten werden. Die so erhaltene Trennschicht, die schwerer zu verarmen ist als eine bei der Niedertemperatur-Wärmebehandlung erhaltene Trennschicht, trägt dazu bei, die Rate der akzeptablen Produkte hinsichtlich der Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung zu erhöhen. Der Grund dafür, daß die Verunreinigungskonzentration höher wird als im Fall der Anwendung der Niedertemperatur-Wärmebehandlung, ist, daß das Silizium geschmolzen und mit sehr hoher Geschwindigkeit von einigen Meter pro Sekunde rekristallisiert wird.
Die Laser-Wärmebehandlung übt einen Hitzeeinfluß nur in einem Bereich nahe der bestrahlten Oberfläche aus. Dem Bauteil wird deshalb keine thermische Beschädigung zugefügt, so daß die Laser-Wärmebehandlung als gutes Verfahren anzuerkennen ist. Wie bei der Borionenimplantierung zum Bilden der diffundierten Kollektorschicht, ermöglicht die Gesamtflächenbestrahlung der Scheibe, daß der flache plane Abschnitt und die Grabenseitenwand zusammen gleichzeitig der Aktivierungsverarbeitung unterworfen werden. Die Laser-Wärmebehandlung kann durch Laserbestrahlung auf einen Teil ausgeübt werden, dessen Bestrahlung erwünscht ist, während andere Teile durch Masken mit einem Material wie SUS abgedeckt werden, oder durch eine Laser-Teilbestrahlung nur auf die gewünschten Teile. Die Wärmebehandlung durch eine Teilbestrahlung ist ein Verfahren der teilweisen Durchführung der Wärmebehandlung dadurch, daß der Laserstrahl eine teilweise Abtastung durchführt, oder durch Steuerung der Laserbestrahlung mit einem Verschluß, der geöffnet und geschlossen wird, während die Laserstrahlabtastung durchgeführt wird.
Bei einem in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT kann die Bildung der Trennschicht durch Anwendung der Laser-Wärmebehandlung durchgeführt werden, wenn die elektrischen Charakteristiken wie die Durchbruchspannung in einer Scheibe mit einer Dicke von bis zu nur 1 mm sichergestellt werden können.
Hier beim Laserwärmebehandlungsprozeß wird diese Wärmebehandlung so durchgeführt, daß die Bestrahlung keine Arbeitsspuren hinterläßt (in einem Zustand des Nichtbearbeitungsmodus). Die Bestrahlungsenergiedichte ist hierbei 2 J/cm² oder weniger je Einheit, und mit einem Laserstrahl eines YLF2T-Lasers oder eines YAG2T-Lasers ist die Bestrahlungsenergiedichte 0,25 J/cm² bis 5,0 J/cm². Es ist passend, mit dieser Energiedichte eine Gesamtflächenbestrahlung mit einer Verzögerungszeit der Bestrahlung zwischen den beiden Einheiten von 0 ns bis 5000 ns durchzuführen.
Beim Prozeß der Laserzerteilung der Scheibe wird indessen die Zerteilung mit einer Bestrahlung derart durchgerührt, daß in einen Arbeitsmodus eingetreten wird. Um die Bestrahlung auf den Arbeitsmodus zu bringen, muß nur ihre Energiedichte auf wenigstens 2 J/cm² pro Einheit gebracht werden. Für das Schneiden einer einige Mikrometer dicken Metallelektrode liegt die angemessene Bestrahlungsenergiedichte in der Größenordnung von 3 J/cm² pro Einheit. Außer mit dem YAG2T-Doppelimpuls-Laser kann die Erfindung auch mit einem Excimerlaser (z. B. XeF und XeCl), einem YAG3T-Laser oder einem Halbleiterlaser, jeweils mit entsprechend eingestellter Strahlungsenergiedichte, durchgeführt werden. Die Bedingung der Ionenimplantation und die Bedingung der Laserwärmebehandlung sind die Bedingungen zum Bilden der diffundierten Kollektorschicht an der Unterseite der Scheibe. Da jedoch der Neigungswinkel des Grabens zur Unterseitenfläche der Scheibe 125,3° beträgt, wird eine ausreichende Dosismenge der Dotierungsstoffionen auch in die Grabenseitenwand eingebracht. Die Energieabsorption in der Seitenwand genügt bei der Laserwärmebehandlung zum Aktivieren der in die Seitenwand eingebrachten Dotierstoffionen. Wenn nämlich die Bedingungen für die Ionenimplantation und für die Laserwärmebehandlung die gleichen sind wie die für die Bildung der p-leitenden diffundierten Kollektorschicht am ebenen Teil der Unterseite, kann die Bildung der p-leitenden diffundierten Trennschicht an der geneigten Fläche der Seitenwand des Grabens gleichzeitig durchgeführt werden. Hierbei sind zwar, wie 17 veranschaulicht, die Dosis und der Bereich der Dotierstoffionen, die in die Grabenseitenwand implantiert werden, gegenüber dem Einheitswert um ein Maß von cos 54,7° (etwa 0,58) im Vergleich zur Dosis und zum Bereich der in die ebene Unterseitenfläche implantierten Dotierstoffionen reduziert, sie genügen jedoch für die Erzielung der Fähigkeit der Sperrung in Rückwärtsrichtung beim rückwärtssperrenden IGBT und es ergeben sich keine Probleme.
Der Neigungswinkel von 125,3° der Seitenwände des Grabens ermöglicht eine gemeinsame Aktivierung der Trennschicht und der Kollektorschicht durch die Laser-Wärmebehandlung. Dies trägt bei zu einer Reduktion der Kosten und zu einer Erhöhung der Rate der akzeptablen Produkte.
Durch die beschriebene Laser-Wärmebehandlung werden die Boratome aktiviert, die in die Trennschicht an der Seitenwand des Grabens an der Unterseite und in die Kollektorschicht im flachen ebenen Teil der Unterseite eingebracht worden sind. Die Aktivierung der Trennschicht und der Kollektorschicht kann auch gleichzeitig durchgeführt werden, wenn die Aktivierungsbehandlung der Dotierungsatome durch eine Ofen-Wärmbehandlung bei relativ niedriger Temperatur, also bis zu 550°C, durchgeführt wird.
Da die diffundierte Trennschicht und die diffundierte Kollektorschicht von der zweiten Hauptflächenseite aus gebildet werden, nachdem an der ersten Hauptfläche, also der Oberseite, die MOS-Steuerelektrodenstruktur gebildet worden ist, kann der Verfahrensschritt der Bildung der metallenen Kollektorelektrode an der Unterseite ausgeführt werden, während der Graben, ohne gefüllt zu werden, offengelassen wird. Hierdurch kann die Grabenseitenwand ebenfalls mit der niedergeschlagenen Metallschicht versehen werden, die dann als Schutzschicht der Seitenwand des Grabens funktionieren kann.
Die Bildung des Grabens mit kleinem Neigungswinkel von der zweiten Hauptfläche, also der Unterseite her durch nasse anisotrope Ätzung mit einer alkalischen Lösung ist in der Hinsicht wirksam, daß eine erhebliche Reduktion des Abstands zwischen den Chips, also der Elemententeilung, ermöglicht wird. Außerdem macht der Graben, der bis zur ersten Hauptfläche reicht, einen Extra-Zerteilungsprozeß überflüssig, wodurch die durch das Zerteilen sich ergebenden Defekte entfallen. Die 10A bis 10C zeigen anhand schematischer Querschnittansichten einen Vergleich zwischen der Erfindung und der verglichenen bekannten Technik hinsichtlich des Effekts der Verminderung der Elemententeilung. 10A zeigt anhand des schematischen Querschnitts der Trennschicht, die durch Beschichtung und Diffusion in einer Scheibe nach dem Stand der Technik hergestellt worden ist, daß hier die Breite 131 der Trennschicht 500 μm beträgt. 10B zeigt anhand des schematischen Querschnitts den Fall des von der Oberseite der Scheibe her gebildeten V-förmigen Grabens, bei dem die eingezeichnete Breite 131 der Trennschicht 300 μm beträgt. 10C zeigt anhand des schematischen Querschnitts den Fall des erfindungsgemäß von der Unterseite der Scheibe her gebildeten V-förmigen Grabens, bei dem die Breite 131 der Trennschicht 0 μm bis 30 μm beträgt. Zur Definition, was die Oberseite und was die Unterseite der Scheibe ist, sind in der Zeichnung schematisch die unterseitige diffundierte Kollektorschicht 7 und der oberseitige aktive Bereich 24 angegeben. Das Bezugszeichen 132 bezeichnet eine Zertrennlinie, an der die Scheibe in die einzelnen Chips zerteilt wird.
Bei der in 10C dargestellten Scheibe kann, wenn die Variationen der Scheibendicke, nämlich bei Verarbeitungen wie dem Zurückschleifen bewirkte Variationen null sind, der Abstand zwischen benachbarten Chips zu null gemacht werden. Beim Zurückschleifen der Scheibendicke auf 200 μm ist aber mit Dickenvariationen von ±10 μm zu rechnen. 11 zeigt einen Teilquerschnitt zur Darstellung des Einflusses von Dickenvariationen der Scheiben auf den Abstand zwischen den Chips. Die Scheibendicke kann demnach in einem Bereich von 190 μm bis 210 μm unterschiedlich sein, was beim Abstand der Chips eine Variation von 15 μm bewirkt. Eine Elemententeilung mit einem Toleranzbereich von angenähert 30 μm ergibt aber noch eine wirksam verminderte Ausschußrate und liefert insofern immer noch die höchstmögliche Anzahl von Chips. Dies ist schematisch in den 12A und 12B veranschaulicht. 12A zeigt einen Zustand in einer Draufsicht und in einer Querschnittsansicht, bei dem der Abstand zwischen den Chips in Vorwegnahme von Variationen, die sich bei der gegenseitigen Ausrichtung und beim Zurückschleifen ergeben, vergrößert ist, während 12B in Draufsicht und im Querschnitt den Zustand zeigt, in dem diese Variationen verringert sind und der Abstand zwischen den Chips verkleinert ist.
Die 13A bis 13C erläutern anhand schematischer Querschnittsansichten die Beständigkeit gegen das Auftreten von Sprüngen und den Grad der Tendenz, eine Konzentration des elektrischen Felds am Rand der unterseitigen Fläche (der zweiten Hauptfläche) zu bewirken, und zwar bei Chips nach verglichenen Techniken im Vergleich zum erfindungsgemäß hergestelllten Chip. Die Querschnitte von 13A bis 13C verlaufen durch die Randbereiche bereits getrennter Chips entsprechend den in den 10A bis 10C jeweils gezeigten Scheiben. Beim in 13A gezeigten Chip eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs gemäß dem Stand der Technik, mit einer Zertrennung an der durch Beschichtung und Diffusion gebildeten Trennschicht, bildet der Rand der unterseitigen Fläche einen rechten Winkel. Beim in 13B dargestellten Chip eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs gemäß einer Technik, bei der die Trennung an einem von der Oberseite her gebildeten V-förmigen Graben erfolgt ist, bildet der Rand der Unterfläche einen spitzen Winkel. Dies ergibt eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, daß aufgrund von Sprüngen defekte Chips entstehen, und ergibt die Tendenz der Erzeugung einer hohen Konzentration des elektrischen Felds an den Rändern der Unterfläche. Im Vergleich hierzu ergibt der in 13C dargestellte, ebenfalls einen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT ergebende Chip, der an einem erfindungsgemäß von der Unterseite her gebildeten V-förmigen Graben zertrennt ist, am Rand der unterseitigen Fläche einen stumpfen Winkel von 125,3°. Dies vermindert erheblich die Ausschußrate aufgrund von Sprüngen am Rand der Unterfläche, und darüber hinaus wird das Ausmaß der Tendenz, eine Feldkonzentration am Rand der unterseitigen Fläche zu erzeugen, vermindert, mit dem Effekt einer erhöhten Durchbruchspannung. Zwar ergibt umgekehrt der stumpfe Winkel von 125,3° am Rand der Unterfläche einen spitzen Winkel von 54,7° am Rand der oberseitigen Fläche, wodurch die Möglichkeit von Defekten aufgrund von Beschädigungen dort ansteigt. Der Rand der Oberseite wird jedoch als Endabschnitt der Oberfläche einer Spannungstandhaltestruktur gebildet, mit einer p-Schicht 133 von hoher Verunreinigungskonzentration, die in einem frühen Zustand des Herstellungsprozesses des IGBTs durch Einführung des Dotierungsstoffs beispielsweise durch Ionenimplantation und Diffusion an der IGBT-Oberfläche gebildet wurde. Die Charakteristiken des Bauteils werden deshalb hierdurch nicht stark beeinflußt, selbst wenn Defekte aufgrund von Lunkern oder Sprüngen erzeugt werden. Die p-leitende Schicht 133 mit der hohen Verunreinigungskonzentration wird ausreichend mit einer Tiefe von angenähert 5 μm bis 30 μm erzeugt, was durch zuvor im vorhergehenden Verfahrensschritt durchgeführte Diffusion geschehen kann.
Als Ätzmaske zur Verwendung bei der nassen anisotropen Ätzung mit einer alkalischen Lösung wird normalerweise ein Siliziumoxidfilm (SiO₂) oder ein Siliziumnitridfilm (Si₃N₄) verwendet, wobei eine sehr hohe Ätzmaskenselektivität erreicht wird. Auch bei einem mit CVD gebildeten SiO₂-Film, der im allgemeinen einem thermisch erzeugten Film hinsichtlich der Filmqualität (Widerstandsfähigkeit der Maske) unterlegen ist, kann eine ausreichende Ätzmaskenselektivität erhalten werden. Außer einem Siliziumoxidfilm oder einem Siliziumnitridfilm, die durch Plasma-CVD oder durch Normaldruck-CVD erhalten werden, können als Ätzmaskenmaterial auch ein SOG-Film (Spin-On-Glass), ein alkalifestes Harz oder ein alkalifestes Resistmaterial als Ätzmaskenmaterial verwendet werden. Dies wirkt sich dahingehend aus, daß das Auftreten von kristallinen Defekten und thermischen Donatoren erheblich behindert ist, das als Problem des Stands der Technik durch die Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur über eine lange Zeitspanne aufgrund der Beschichtung und Diffusion verursacht war. Die Temperatur zur Herstellung des Ätzmaskenmaterials kann niedrig gehalten werden und im Bereich zwischen Zimmertemperatur und 500°C liegen. Dies erlaubt es, die Grabenbildungsbearbeitung in einem späteren Schritt des Scheibenbildungsprozesses durchzuführen, ohne daß eine thermische Schädigung an einer an der Oberseite gebildeten Aluminiumelektrode bewirkt wird.
Wird der Graben gemäß dem Stand der Technik durch trockenes Ätzen hergestellt, so machen eine sehr niedrige Ätzrate in der Größenordnung von 2 μm/min und eine üblicherweise durch ein Einzelscheibenverarbeitungs-Ätzsystem durchgeführte Bearbeitung die Bildung des Grabens zu einer Behandlung, die eine lange Zeit in Anspruch nimmt. Dahingegen ist beim nassen anisotropen Ätzen mit einer alkalischen Lösung ein Verfahren möglich, das als Chargenverarbeitung bezeichnet wird und das einige bis zu zig Scheiben gleichzeitig behandelt. Die Ätzrate kann hierbei ebenfalls sehr hoch angesetzt werden, was eine wirksame Reduktion der Rüstzeit und der Kosten mit sich bringt. Da das nasse Ätzen üblicherweise bei 100°C oder weniger durchgeführt wird, hat selbst dann, wenn ein Metall mit relativ niedrigem Schmelzpunkt wie Aluminium oder ein nicht hitzefestes Material bereits an der Scheibe verbaut worden ist, die Ätzung hierauf keinen Einfluß.
Der Neigungswinkel der Seitenwand des Grabens zur zweiten Hauptfläche ist relativ groß, nämlich beträgt er 125,3°, im Vergleich zum Neigungswinkel des durch trockene Ätzung erzeugten Grabens. Dies kann verhindern, daß eine Reduktion in der effektiven Dosis, ein Dosisverlust aufgrund des Vorhandenseins eines Schirmoxidfilms, ein Dosisverlust aufgrund von Reflexion und Re-Emission des Ionenstrahlbündels und die Verkleinerung des effektiven projizierten Bereichs, die auftritt, wenn Verunreinigungsionen im rechten Winkel zur Scheibe implantiert werden, auftreten. Der große Neigungswinkel des Grabens erlaubt eine ausreichende Energieabsorption in der Seitenwand des Grabens, so daß es möglich ist, den Dotierungsstoff zu aktivieren, selbst bei einer Laser-Wärmebehandlung, bei der das Laserstrahlbündel im rechten Winkel zur Scheibe einfällt. Da die Ionenimplantation und die Wärmebehandlung für die Kollektorschicht und die Trennschicht gleichzeitig durchgeführt werden können, ist der Effekt der, daß die Kosten reduziert sind, die Zahl der Verfahrensschritte verringert ist und die Ausschußrate verkleinert ist.
Der große Neigungswinkel erleichtert auch das Entfernen von Chemikalien und Resten im Graben, wodurch sich eine erhebliche Verbesserung der Ausbeute und der Zuverlässigkeit der Produkte ergibt.
Nach der Herstellung der Trennschicht und der Kollektorschicht führt man den Verfahrensschritt der Bildung der unterseitig aufzubringenden metallenen Kollektorelektrode durch. Die ermöglicht es, daß auch auf der Grabenseitenwand eine Metallschicht abgelagert wird. Sie dient dort als Schutzschicht für die Grabenseitenwand zum Reduzieren des Auftretens von Defekten aufgrund von Sprüngen und aufgrund des Einschlusses von Fremdstoffen, was wiederum den Anteil der verwertbaren Produkte erhöht.
Bei dem in 9 in Form der Darstellung aufeinanderfolgender Verfahrensschritte veranschaulichten Herstellungsprozeß eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs gemäß der Erfindung wird zuerst an der ersten Hauptfläche einer Scheibe 117 eine MOS-Steuerelektrodenstruktur 118 geschaffen, Schritt (a). Dann wird die zweite Hauptfläche der Scheibe 117 zurückgeschliffen, so daß die Scheibe dünner wird, und wird weiterhin einer Ätzung unterworfen, Schritt (b). An der ersten Hauptfläche der dünner gemachten Scheibe 117 wird ein Trägersubstrat 119 befestigt, beispielsweise eine Silikaglasscheibe, Schritt (c). Das befestigte Trägersubstrat 119 ist für die dünne Scheibe 117 von beachtlicher Effektivität, da es verhindert, daß die Scheibe 117 sich wirft, einer Biegung unterliegt oder Defekte durch Sprünge erleidet, und weiterhin verhindert es, daß integral in der Scheibe 117 gebildete Chips sich nach dem Ätzen in einzelne Chips zerteilen, und schließlich, daß die auf der ersten Hauptfläche, also der Oberseite der Scheibe 117 gebildete MOS-Steuerelektrodenstruktur durch die Ätzlösung erodiert. In der weiteren Folge werden die miteinander verbundenen Teile, nämlich die Scheibe 117 und das Trägersubstrat 119, gewendet, Schritt (d), und wird auf der zweiten Hauptfläche der Scheibe 117 durch Verwendung eines ”Mask-Aligners”, also einer doppelseitigen Ausrichthilfe, die die genaue Ausrichtung der zu belichtenden Scheibe relativ zur Maske übernimmt, eine unterseitige, jetzt nach dem Wenden oben befindliche Ätzmaske 120 aufgebracht, Schritt (e). Die Ausrichtung mit der doppelseitigen Ausrichthilfe wird allgemein so durchgeführt, daß das Maskenmuster auf der zweiten Hauptfläche auf das Muster auf der ersten Hauptfläche ausgerichtet wird. Erwünschterweise sind deshalb das Trägersubstrat 119 und das Haftmittel zum Verbinden des Trägersubstrats 119 mit der Scheibe 117 transparent. Bei der in der Zeichnung dargestellten Anordnung wird die Ätzmaske 120 mit Hilfe der doppelseitigen Ausrichthilfe gebildet, nachdem das Trägersubstrat 119 mit der Scheibe 117 verbunden worden ist. Es ist jedoch auch möglich, daß, wenn die Ausrichtung an der ungestützten dünnen Scheibe 117 durchgeführt werden kann, ohne ein größeres Werfen und eine Deflektion zu verursachen, das Trägersubstrat 119 mit der Scheibe 117 erst verbunden wird, nachdem der Maskenbildungsschritt erledigt ist. Nachdem die Ätzmaske 120 gebildet worden ist, werden durch alkalische Ätzung Gräben 121 gebildet, Schritt (f). Anschließend wird die Ätzmaske 120 entfernt, Schritt (g), und wird die Implantation von Borionen durchgeführt, Schritt (h), und dann eine Laser-Wärmbehandlung durchgeführt, um eine p-leitende Trennschicht und eine p-leitende diffundierte Schicht 122 zu bilden, Schritt (i). Sodann werden Metallschichten, die eine Kollektorelektrode 123 werden sollen, gebildet, Schritt (j), und wird die Scheibe 117 schließlich zertrennt, wodurch sie zu den einzelnen Chips wird, Schritt (k).
Die 5A, 7A und 7B zeigen den Aufbau des in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs als erfindungsgemäß hergestelltes Beispiel. Eine Siliziumscheibe 28 mit hohem spezifischen Widerstand bildet das n^–-leitende Siliziumsubstrat. Die 5A zeigt in vergrößerter Schnittansicht einen Abschnitt des Substrats und der Trennschicht 25, wobei an der Oberseite als erster Hauptfläche, also in der Figur an der Oberseite des Substrats, selektiv die p-leitenden Basisregion 8 gebildet sind. An der zweiten Hauptfläche des Substrats 1, also an der Unterseite, die auch in der Zeichnung unten dargestellt ist, ist die p⁺-leitende Kollektorschicht 7 gebildet. Der zwischen den Regionen 7 und 8 in der Richtung der Dicke des Substrats liegende Bereich ist ursprünglich der n^–-leitende Silizium-Einkristall des Substrats 1, der zu einer n-leitenden Basisregion wird. Das n^–-leitende Substrat 1 ist beispielsweise von der ersten Hauptfläche bis zur zweiten Hauptfläche 200 μm dick, dies soll jedoch keine beschränkende Angabe darstellen.
In einem aktiven Bereich 24, von dem ein Teil durch einen Pfeil kenntlich gemacht ist, ist selektiv eine (nicht dargestellte) n⁺-leitende Emitterregion in der Oberflächenschicht jeder der p-Basisregionen 8 ausgebildet. Außerhalb des aktiven Bereichs 24 ist eine Spannungsstandhaltestruktur gebildet, und zwar als einer der Typen von Endstrukturen an der Oberfläche eines planaren pn-Übergangs zum sicheren Halten der Spannung bis zu einer beim Sperren in Vorwärtsrichtung wirksam werden Durchbruchspannung des IGBTs. Die Spannungsstandhaltestruktur ist an der Außenseite des aktiven Bereichs 24 an der Oberseite, die die zweite Hauptfläche darstellt, angeordnet und wird gebildet durch die Kombination einer Mehrzahl von Stufen, von denen jede einen Schutzring aus einer p⁺-Halbleiterregion (nicht dargestellt), eine Oxidschicht 12 und eine Feldplatte aus einer Metallschicht enthält, die ringförmig auf der Oberseitenschicht des n^–-Halbleitersubstrats 1 angeordnet sind.
Auf der zwischen der n⁺-Emitterregion und der n-Basisregion (dem n^–-Siliziumhalbleitersubstrat 1) liegenden Oberfläche der p-Basisregion 8, auf der zwischen den einander benachbarten p-Basisregionen 8 liegenden Oberfläche der n-Basisregion und auf der zwischen der n-Basisregion und einer der n⁺-Emitterregionen in der benachbarten p-Basisregion 8 liegenden Oberfläche der benachbarten p-Basisregion 8 ist eine (nicht dargestellte) Steuerelektrode, also über diesen Oberflächen, gebildet, wobei eine Steuerelektroden-Isolierschicht 9 zwischen der Steuerelektrode und den Oberflächen liegt. Die Oberfläche der n⁺-Emitterregion ist mit einer (nicht dargestellten) Emitterelektrode überdeckt, und die Oberfläche der p⁺-Kollektorschicht 7 ist mit einer Kollektorelektrode 29 überdeckt. Zwischen der Emitterelektrode und der Steuerelektrode ist ein schichtförmiger Zwischenschichtisolator angeordnet.
An der Außenseite der Spannungsstandhaltestruktur ist eine p⁺-leitende Trennschicht 25 gebildet. Diese verläuft entlang einer Seitenwand eines Grabens 26, der von der Unterfläche als der ersten Hauptfläche ausgeht. Die Seitenwände des Grabens 26 sind mit einem Winkel 2 von etwa 54,7° zur Oberseitenfläche als der ersten Hauptfläche und in einem Winkel ( von etwa 125,3° zur Unterseitenfläche als der zweiten Hauptfläche geneigt. Die p⁺-Trennschicht 25, die einen streifenförmigen Querschnitt hat, ist also mit einem Winkel von 54,7° gegen die Oberseitenfläche und mit einem Winkel von 125,3° gegen die Unterseitenfläche geneigt.
Mit der so geschaffenen p⁺-Trennschicht 25 kann verhindert werden, daß eine Verarmungsschicht, die sich vor und hinter dem pn-Übergang ausdehnt, wenn eine Vorspannung in Rückwärtsrichtung anliegt, sich über die Zerteilfläche hinweg, die einen Rand der Chips des IGBTs bildet, und einen Schadensbereich um die Zerteilfläche ausdehnt, so daß also eine ausreichende Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung erhalten werden kann. Ein Passivierungsfilm 27 bedeckt die Emitterelektrode.
In dem Beispiel wird zur Bildung der p⁺-Trennschicht 25 der Graben 26 im Halbleitersubstrat 1 dadurch gebildet, daß man eine nasse anisotrope Ätzung mit einer alkalischen Lösung ausführt. Der Graben 26 ist im Querschnitt V-förmig oder ist trapezoidförmig mit Seitenwänden, die mit einem Winkel von ungefähr 54,7° zur Oberflächenseite als der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 1 geneigt sind.
Verfahrensschritte zum Bilden des Grabens 26 werden unter Bezugnahme auf die 7A, 7B und 17 beschrieben. 17 veranschaulicht anhand einer perspektivischen Querschnittsansicht das nasse anisotrope Ätzen von Silizium mit einer alkalischen Lösung. Das Verfahren geht aus von der Siliziumscheibe 28, auf der eine Ätzmaske 116 (17) aus einer Siliziumoxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht gebildet ist.
7A zeigt in einer Draufsicht und 7B in einem Querschnitt ein Grabenmuster für neun Chips, das durch nasses anisotropes Ätzen des Siliziums mit einer alkalischen Lösung gebildet wurde. Eine in 7A angegebene (100)-Ebene 129 soll der aktive Bereich 24 der Bauteile werden, und jeweils mit 130 bezeichnete Ebenen, nämlich eine (111)-Ebene, eine (111)-Ebene, eine (111)-Ebene und eine (111)-Ebene, bilden die Seitenwände der Gräben 26. Als Lösungen zum nassen anisotropen Ätzen von Silizium werden wässerige Lösungen von Alkalien wie Kaliumhydroxid, Hydrazin, Ethylenediamin, Ammoniak und TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) verwendet. Das Ätzen des Siliziums unter Verwendung dieser Lösungen erfolgt mit derartigen Charakteristiken, daß die Ätzrate sich abhängig von der Richtung der Kristallebenen des Siliziums, also mit der Anisotropie, ändert. Wird beispielsweise eine Kaliumhydroxidlösung verwendet, so sind die Ätzraten für die (110)-Ebene und die (100)-Ebene das Sechshundertfache bzw. das Vierhundertfache der Ätzrate für die (111)-Ebene. Es ist nämlich so, daß der Ätzvorgang an einer Kristallebene endet, die äquivalent der (111)-Ebene ist.
Bekanntlich führt also der Ätzvorgang, wenn er mit einer vorab auf einer Scheibe, deren Oberfläche in der (100)-Ebene liegt, gebildeten Ätzmaske durch eine Schlitzöffnung, die entlang der Richtung (Orientierung) der {110}-Ebene verläuft, zu einem V-förmigen Graben, einer pyramidenförmigen Grube oder einer pyramidenförmigen Hohlraumstruktur. Weiter ist bekannt, daß durch Wahl der Breite der Öffnung der Ätzmaske oder durch Wahl der Ätzzeit der im Querschnitt V-förmige Graben, der trapezoidförmige Graben oder die pyramidenförmige Grube mit willkürlicher Tiefe und willkürlicher Größe hergestellt werden kann.
Bei enger Öffnung der Ätzmaske endet der Ätzvorgang im wesentlichen dann, wenn die (100)-Ebene am Grund des Grabens 26 verschwindet und die {111}-Ebenen auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des Grabens sich unter einem Winkel von etwa 70,6° schneiden. Dies bewirkt keine Änderung in der Tiefe des V-förmigen Grabens 26, auch wenn die Ätzzeit variiert. Hat die Ätzmaske eine breite Öffnung, so kann der Graben 26 mit einem solchen Querschnitt gebildet werden, daß er einem invertierten Trapezoid gleicht. In diesem Fall ist der Winkel (, der gebildet wird durch jede der Ebenen 130, nämlich der (111)-Ebene, (111)-Ebene, (111)-Ebene und (111)-Ebene, die die Seitenwände des Grabens 26 werden, und den Passivierungsfilm 27, der durch das Ätzen freigelegt wird, angenähert 125,3°. Insofern können Reste des Resistlacks und chemische Reste leichter entfernt werden als im Fall des V-förmigen Grabens.
Die Tiefe des V-förmigen Grabens 26 hat einen Wert, der erhalten wird durch Multiplikation der Hälfte der Öffnungsbreite der Ätzmaske mit tan54,7°. Umgekehrt muß zum Herstellen des V-förmigen Grabens 26 so, daß er eine gewünschte Tiefe hat, nur die Öffnungsbreite der Ätzmaske auf einen Wert dimensioniert werden, der sich ergibt, wenn man die Grabentiefe mit 2/tan54,7° multipliziert. Soll beispielsweise der Graben mit einer Tiefe von 200 μm geschaffen werden, so kann eine 283 μm breite Maskenöffnung verwendet werden, was ein günstiger Wert im Hinblick auf die Reduktion der Elemententeilung ist. Bei diesem Winkel bildet allerdings der Grund des Grabens 26 einen etwas scharfen spitzen Winkel von ca. 70,6°. Vorzugsweise wird die Eckkante des Grabengrunds abgerundet, indem eine Bearbeitung wie eine Wasserstoff-Wärmebehandlung, eine Abrundungsbearbeitung durch Oxidation oder eine CDE (Chemical Dry Etching, Chemisches trockenes Ätzen) durchgeführt wird.
Beim nassen anisotropen Ätzen des Siliziums mit einer alkalischen Lösung ermöglicht es eine hohe Ätzmaskenselektivität, daß die maskierende Oxidschicht sehr dünn gehalten werden kann. Selbst wenn die Siliziumoxidschicht durch CVD (Chemical Vapour Deposition, chemische Ablagerung aus der Dampfphase) hergestellt wird, kann eine ausreichende Ätzmaskenselektivität erhalten werden, obwohl eine solche Siliziumoxidschicht hinsichtlich der Schichtqualität (Widerstand der Maske) einer thermischen Oxidschicht etwas unterlegen ist. Als maskierende Schicht kann auch eine Schicht wie eine TEOS-Schicht (Tetraethylorthosilikat) vorgesehen werden, die durch CVD unter reduziertem Druck oder durch Plasma-assistierte CVD hergestellt wird.
Da der Neigungswinkel der Seitenwände des Grabens 26 zur Unterseitenfläche, also der zweiten Hauptfläche, groß ist und etwa 125,3° beträgt, können die Verunreinigungsionen in die Grabenseitenwand ohne Geneigthalten der Siliziumscheibe implantiert werden. Die Ionenimplantation in die Siliziumscheibe kann also mit einem Kippwinkel (Scheibenschräghaltung) von 0° durchgeführt werden. Die Verunreinigungsionen können hierbei gleichzeitig durch einen einzigen Ionenimplantationsvorgang in die vier Seitenwände in der (111)-Ebene, der (11 1 )-Ebene, der (1 1 1)-Ebene und der (1 1 1)-Ebene implantiert werden. Die Ionenimplantierung ist also leicht durchführbar. Es können jedoch auch hier wie bei der Ionenimplantierung in eine übliche Grabenseitenwand die Verunreinigungsionen auch getrennt in jede der vier Seitenwände in den genannten vier Ebenen implantiert werden.
Es besteht keine Notwendigkeit für eine verdickte Ätzmaske, wenn der Graben 26 gebildet wird. Die als Ätzmaske verwendete maskierende Oxidschicht kann dadurch hergestellt werden, daß man eine thermische Oxidation bei einer Temperatur durchführt, die niedriger ist als beim Stand der Technik, und zwar für eine Zeit, die kürzer ist als beim Stand der Technik. Dies kann das Problem einer erhöhten Rüstzeit und das Problem der Erzeugung von Kristalldefekten aufgrund der Einführung von Sauerstoff bei der Oxidation verkleinern. Darüber hinaus kann die Ätzung als nasse anisotrope Ätzung mit einer alkalischen Lösung mit einer sehr hoch angesetzten Ätzrate in einem partienweisen Prozeß durchgeführt werden. Dies macht sich deutlich in einer Erniedrigung der Rüstzeit und der Kosten bemerkbar.
Beim nassen anisotropen Ätzen mit einer alkalischen Lösung kann die Ätztemperatur niedrig sein, nämlich bis 200°C. Dies hat einen sehr kleinen thermischen Aufwand zur Folge, der keinen Einfluß auf das Dotierstoffprofil des aktiven Bereichs 24 ausübt. Und wenn auch ein Metall mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt wie Aluminium und ein Material mit geringer Hitzebeständigkeit auf die Siliziumscheibe aufgebracht werden, bevor der Graben durch nasses anisotropes Ätzen gebildet wird, übt der durchgeführte Ätzvorgang keinen Einfluß auf das Metall und das Material aus.
Da es außerdem keine Änderungen beim Neigungswinkel der Seitenwände des Grabens 26 gibt, werden Abweichungen der Dosis und der Reichweite der implantierten Ionen beim Ionenimplantierungsvorgang sehr gering.
Als nächstes wird beschrieben, wie der Passivierungsfilm der dünnen Halbleiterscheibe auf einem Trägersubstrat befestigt werden kann, das aus einem Material wie Quarzglas oder Silicaglas (ein Glas-Wafer) besteht, und zwar mit einem dazwischengelegten doppelseitig klebenden Band. Die dünne Halbleiterscheibe und das Trägersubstrat werden durch das dazwischen angeordnete doppelseitig klebende Band zusammengebracht und dann wird ein Druck sowohl auf die Seite der dünnen Halbleiterscheibe als auch auf die Seite des Trägersubstrats aufgebracht oder eine Druckrolle an beiden angesetzt, und zwar so, daß keine Luftblasen zwischen den miteinander verbundenen Flächen zurückbleiben. Dadurch sind die Halbleiterscheibe und das Trägersubstrat miteinander verbunden.
Das doppelseitig klebende Band hat einen Aufbau, bei dem ein Thermo-Schaumband, das durch Erhitzen aufgeschäumt und dadurch entfernbar wird, und ein UV-Band (ultraviolett), das durch Bestrahlen mit beispielsweise ultraviolettem Licht entfernbar wird, unter Zwischenlage einer PET-Schicht (Polyethylenterephthalat) verbunden sind. Das Schaumband wird am Passivierungsfilm der dünnen Halbleiterscheibe fest angebracht, während das UV-Band am Trägersubstrat fixiert wird. Ohne hierauf speziell beschränken zu wollen, sei angegeben, daß das Thermo-Schaumband und das UV-Band jeweils 50 μm dick sind und die PET-Schicht beispielsweise 100 μm dick ist. Das Trägersubstrat kann hierbei eine Dicke von z. B. 600 μm haben.
Sodann wird zwischen zueinander benachbarten Flächen in der dünnen Halbleiterscheibe, die jeweils einen IGBT-Chip bilden sollen, durch nasses anisotropes Ätzen ein Graben gebildet, der ein Anreißlinienbereich werden soll. Der Graben wird so tief gemacht, daß sein Grund die Oberseitenfläche, also die erste Hauptfläche, erreicht. In diesem Zustand wird die dünne Halbleiterscheibe, obwohl die Gräben entsprechend gebildet worden sind, da sie mit dem dazwischenliegenden doppelseitig klebenden Band am Trägersubstrat befestigt ist, noch nicht in die einzelnen Halbleiterchips zerteilt. Die Grabenseitenwände werden Ränder des anschließenden IGBT-Chips.
Die Anforderungen an die Ätzlösung zum Bilden des Grabens sind eine Konzentration von 3% bis 20% und eine Temperatur von 50°C bis 90°C einer wässerigen Lösung von TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid). Die Anforderungen können auch folgendermaßen sein: wässerige Lösung von NH₄OH (Ammoniak) mit einer Konzentration von 1% bis 20% bei einer Temperatur von 50°C bis 90°C; oder wässerige Lösung von KOH (Kaliumhydroxid) mit einer Konzentration von 10% bis 60% bei einer Temperatur von 50°C bis 90°C.
Der so gebildete Graben hat eine derartige Form, daß seine Seitenwände wie erläutert in der {111}-Ebene liegen, da die Oberseitenfläche der dünnen Halbleiterscheibe die {100}-Ebene ist. Die Ebenheit der durch das nasse anisotrope Ätzen gebildeten Seitenwand in der {111}-Ebene liegt in der Größenordnung von 1 nm Ra, also bei einem Wert, der eine sehr glatte Wand ergibt. Im Fall, in dem die Öffnungsbreite der Maske klein ist und der Ätzvorgang natürlicherweise so endet, daß der Graben mit einer V-förmigen Querschnittsform entsteht, erreicht der Scheitel der V-Form des Grabens die Oberseitenfläche. Ist jedoch die Maskenöffnung breit und wird der Ätzvorgang in seinem Verlauf abgebrochen, so daß der Graben mit der Querschnittsform eines Trapezes entsteht, so wird er so gebildet, daß die kürzere Grundlinie des Trapezes die Oberseitenfläche erreicht.
Nach der Herstellung eines Gitters von Gräben werden die Borionen von der Unterseite der dünnen Halbleiterscheibe her in die Seitenwände der Gräben implantiert, woraufhin eine Wärmebehandlung bei mäßiger Temperatur durchgeführt wird, um die implantierten Borionen zu aktivieren, wodurch die Trennschichten gebildet werden. Beim Herstellen der Trennschichten kann, ebenso wie bei der Ionenimplantation in eine vertikale Grabenseitenwand, der Implantationsprozeß in vier Schritte unterteilt werden, von denen jeder für eine der Seitenwände in einer der vier Richtungen um die Chips durchgeführt wird, indem die Scheibe für jeden Schritt geneigt wird. Da jedoch der Keilwinkel, also der Schnittwinkel der Seitenwandflächen der Gräben und somit der Flächen, in die die Ionenimplantation erfolgt, bzw. der Seitenwandwinkel 2 relativ zur Scheibenoberseitenfläche klein ist, nämlich letzterer etwa 54,7°, kann die Ionenimplantation auch ohne Neigen der Scheibe durchgeführt werden, also mit einem Schräghaltewinkel von 0° (vertikal). In diesem Fall genügt ein einmaliger Ionenimplantationsvorgang, so daß der Prozeß vereinfacht ist.
Bei der Bildung des Grabens durch trockene Ätzung nach dem Stand der Technik bewirkt ein hohes Aspektverhältnis des Grabens eine Reduktion der effektiven Dosis, einen Dosisverlust aufgrund des Auftretens einer abschirmenden Oxidschicht, einen Dosisverlust aufgrund von Reflexion und Reemission des Ionenstrahls und eine Reduktion des effektiven projektierten Bereichs. Beim Ausführungsbeispiel der Bildung des Grabens nach der Erfindung ergeben sich jedoch keine derartigen Probleme, da der Neigungswinkel 2 der Seitenwandflächen der Gräben zur Oberseitenfläche der Scheibe klein ist, nämlich 54,7° beträgt, bzw. der Neigungswinkel (von etwa 125,3° zur Unterseitenfläche groß ist, und das Aspektverhältnis niedrig ist. Das niedrige Aspektverhältnis erleichtert auch die Entfernung von Chemikalien- und Materialresten im Graben, was zu einer deutlichen Erhöhung der Ausbeute und Verbesserung der Zuverlässigkeit führt. Der Neigungswinkel 2 der Seitenwände des V-förmigen Grabens zur Oberseite ist auf 54,7° festgelegt, also auf den Schnittwinkel der (100)-Ebene, die die Oberseitenebene der Scheibe ist, zur {111}-Ebene, an der der Ätzvorgang endet. Es tritt keine Variation im Neigungswinkel der Seitenwand auf. Dosisvariationen und Abweichungen der Implantationsreichweite der Ionen bei der Ionenimplantation werden also sehr klein.
Als Beispiel wird der Fall angegeben, daß die Borionen mit 1·10¹⁵ cm^–2/100 keV bei einem Scheiben-Schräghaltewinkel von 0° einfallen. Nach der Ionenimplantation wird eine Wärmebehandlung bei einer mäßigen Temperatur und über eine Zeitspanne durchgeführt, die derart sind, daß die bereits hergestellten Elektroden, die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode, nicht angegriffen werden, nämlich beispielsweise mit einer Behandlungstemperatur von 400°C und einer Behandlungszeit von fünf Stunden. Die Ebenheit von 1 nm Ra der Seitenwandflächen des Grabens kann die Bildung der Trennschicht mit einer Diffusionstiefe von 1 μm sicherstellen.
Anschließend wird die dünne Halbleiterscheibe, die mit dem doppelseitig klebenden Band am Trägersubstrat befestigt ist, erhitzt, um durch Schäumung eine Ablösung des Thermo-Schaumbands von der Halbleiterscheibe durchzuführen, wodurch die Halbleiterscheibe vom noch am Trägersubstrat haftenden Klebeband frei wird. Durch anschließendes Bestrahlen des UV-Bands mit ultraviolettem Licht wird dann dieses Band vom Trägersubstrat gelöst, das hierdurch vom doppelseitig klebenden Band befreit wird und erneut verwendet werden kann. Hier wird die Entfernung des Schaumbands durch thermisches Aufschäumen dadurch bewirkt, daß das Trägersubstrat auf eine auf eine Temperatur von 130°C erhitzte heiße Platte gelegt wird; diese wird erhitzt, während sie sich unter der Halbleiterscheibe befindet, die somit auf die heiße Plattenfläche kommt. Da die am Grabengrund verbliebene Dicke der Scheibe als Summe der Dicke des Passivierungsfilms 27 und der Kollektorelektrode 29 nur einige Mikrometer beträgt, ermöglicht das Ablösen der Halbleiterscheibe durch Aufschäumen, daß gleichzeitig diese Scheibe in Chips geteilt wird. Sofern die Scheibe nicht in die einzelnen Chips gebrochen wird, kann der verbliebene Kopplungsquerschnitt vorzugsweise durch Maßnahmen wie eine Hochenergie-Laserstrahlbestrahlung geschnitten werden. Es werden also IGBT-Chips gebildet, die in einer nicht dargestellen Packung zusammengestellt werden, um in Rückwärtsrichtung sperrende IGBTs zu werden.
5B zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel 2 der Seitenwand des Grabens und der relativen Ionenimplantationszeit, wobei auf der Zeitachse als Einheit die Ionenimplantationszeit, wenn der Neigungswinkel 2 der Seitenwand 0° beträgt, aufgetragen ist.
Wie 5B zeigt, wird für einen Graben, der durch übliche trockene Ätzung mit einer Seitenwand mit großem Neigungswinkel von 80° oder höher zur Oberseite der Scheibe gebildet ist, eine sehr lange Implantationszeit benötigt, wenn der Ionenstrahl auf die Scheibe im rechten Winkel auftrifft.
Beispiel 1
Für die Aktivierung einer ionenimplantierten Schicht wird als Laser-Wärmebehandlung ein Laserstrahl entsprechend eingerichtet, im Gegensatz zu einem Betrieb in einem Arbeitsmodus. Die Laser-Wärmebehandlung ist durch Bestrahlen der ionenimplantierten Schicht mit einem Laserstrahl durchzuführen, der eine solche Bestrahlungsenergiedichte hat, daß die Konzentration der implantierten Dotierstoffionen in einen gesättigten Zustand gerät. Im einzelnen kann bei einem Bauteil mit dünner Scheibe, mit einer Substratdicke von bis zu 200 μm, durch Bestrahlung der ionenimplantierten Schicht mit einem Laserstrahl einer solchen Bestrahlungsenergiedichte, daß die Konzentration der implantierten Dotierstoffionen einen gesättigten Zustand erreicht, die gesamte Seitenwandfläche des Grabens ausreichend aktiviert werden.
Da ein Laserstrahl eine Form des Lichts ist, wirkt die Bestrahlungsenergiedichte auf eine Ebene, die einen Neigungswinkel 2 im Vergleich zu einer auf dem einfallenden Laserstrahlenbündel senkrechten Ebene hat, um einen Wert reduziert, für den – ebenso wie bei der Bestrahlungsenergiedichte durch normales Licht – die Bestrahlungsenergiedichte auf die zur Einfallsrichtung senkrechte Ebene mit cos2 zu multiplizieren ist. Folglich muß verglichen mit der Bedingung, daß vom Laserstrahlenbündel eine zur Einfallsrichtung senkrechte Ebene (2 = 0°, (= 180°) aktiviert wird, dann, wenn eine Grabenseitenwand in einem Neigungswinkel von 2 durch die Laserbestrahlung zu aktivieren ist, die Energie des Laserstrahls um einen Faktor 1/cos2 erhöht werden. Dies dient dazu, die Aktivierung einer um einen Neigungswinkel 2 geneigten Ebene zu ermöglichen.
Enthält jedoch die der Wärmebehandlung zu unterwerfende Fläche zusätzlich zur geneigten Seitenwand des Grabens noch einen planaren Flächenanteil, der senkrecht zur Laserstrahlung liegt, so kommt dieser planare Flächenanteil oder allgemein eine mit übermäßiger Strahlungsenergiedichte bestrahlte Fläche in einen Zustand, in dem der Kristall schmilzt, oder es erscheint am Siliziumsubstrat eine Bearbeitungsspur oder das Siliziumsubstrat kommt in einen Zustand, in dem es verändert ist.
Eine Erläuterung wird anhand des Beispiels 1 gegeben. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Halbleiterscheibe 30 mit einer Mehrzahl von Gräben 31 bis 37, jeweils mit einem unterschiedlichen Seitenwandwinkel, die alle an einer der Flächen der Halbleiterscheibe gebildet sind. Die Gräben sind nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt, von dem beschrieben wurde, daß sich der Neigungswinkel 2 der Seitenwände des V-förmigen Grabens zu 54,7° ergibt, nämlich den Schnittwinkel der (100)-Ebene und der {111}-Ebene, wobei in diesem Zustand der Ätzvorgang endet. Hierbei gibt es also keine Abweichung im Neigungswinkel der Seitenwände, und Variationen der Dosis und des Bereichs der implantierten Ionen bei der Ionenimplantation werden sehr klein. Jedoch sind die Richtungen der Kristallebenen und die Bearbeitungsebenen der verwendeten Scheiben nicht immer bei allen Scheiben gleich. Speziell gibt es die Tendenz, daß bei Bauteilen und Aktuatoren, bei denen eine MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical System, Mikro-Elektromechanisches System) angewandt wird, immer mehr Bearbeitungen von Ebenen mit verschiedenen Richtungen der Kristallebenen erfolgen.
Beim Beispiel 1 wurden Borionen mit 1·10¹⁵ cm^–2/50 keV bei einem Schräghaltewinkel der Scheibe von 7° implantiert. Als nächstes wurde die Laserwärmebehandlung durchgeführt, und zwar mit einem YAG2T-Doppelimpuls-Laser mit einer gesamten Bestrahlungsenergiedichte von 3 J/cm² von zwei Lasereinheiten, nämlich 1,5 J/cm² + 1,5 J/cm², bei einer Wellenlänge von 532 nm und einer Verzögerungszeit von 300 ns zwischen zwei Lasereinheiten.
Bei der Ionenimplantation ist die Maske idealerweise nur am Grabenabschnitt geöffnet, und die Laserbestrahlung für die Wärmebehandlung wird idealerweise nur an einem Abschnitt durchgeführt, in dem der Graben gebildet ist.
Bei der in 1 dargestellten Anordnung wurden an der Oberfläche der Halbleiterscheibe 30 die verschiedenen Gräben 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37 gebildet, deren Neigungswinkel (bzw. 2 der Seitenwände zur Scheibenoberfläche unterschiedlich sind. Die so hergestellten Gräben wurden mit einem Laserstrahl bestrahlt und die jeweiligen Wärmebehandlungsbedingungen wurden untersucht. Die Gräben haben Neigungswinkel 2 von 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80° bzw. 85°. Das Bezugszeichen 38 bezeichnet die Einstrahlungsrichtung des Laserstrahls und das Bezugszeichen 39 die Richtung der Abtastung durch den Laserstrahl.
2 zeigt diagrammartig die Verunreinigungskonzentrationsprofile, gemessen durch ein SR-Verfahren (Spreading Resistance, Widerstandsverteilung), in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Grabenwand. Da ein tatsächliches, in Rückwärtsrichtung sperrendes IGBT-Bauteil eine in der Größenordnung von 200 µm dicke Scheibe aufweist, wurde für die Messung die Halbleiterscheibe 30 mit einer Höhe von 10 mm oder weniger zur Bildung der Gräben 31 bis 37 bereitgestellt. Der Brennpunkt der Laserstrahlen wurde am Grund jedes Grabens positioniert und das SR-Konzentrationsprofil wurde in einer Position 1 mm oder weniger über dem Grabengrund gemessen.
In 2 sind die Profile mit den Nummern 31 bis 37 die Profile in den Seitenwänden der jeweiligen Gräben 31 bis 37, und ein Profil mit der Nummer 40 ist dasjenige in der ebenen Oberfläche der Halbleiterscheibe 30 senkrecht zum Laserstrahl.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß in der Oberfläche 40 mit 2 = 0°, im Graben 31 mit 2 = 55° und im Graben 32 mit 2 = 60° hohe Verunreinigungskonzentrationen erhalten wurden, bei denen die Spitze jedes Konzentrationsprofils 1·10¹⁹ cm^–3 übertrifft, und daß auch im Graben 33 mit 2 = 65° noch eine hohe Verunreinigungskonzentration erhalten wurde, mit einer Spitze des Konzentrationsprofils über 5·10¹⁸ cm^–3. Die Figur zeigt aber auch, daß in den Gräben vom Graben 31 mit 2 = 55° bis zum Graben 34 mit 2 = 70° die Spitzen der Verunreinigungskonzentration 1·10¹⁷ cm^–3 übersteigen, was als Konzentration zum Steuern der Expansion einer Verarmungsschicht in einem rückwärtssperrenden IGBT genügt. Bei den hier durchgeführten Experimenten wurden Ionen bis hinunter zu einer Tiefe in der Größenordnung von 0,35 μm implantiert. Wird jedoch die Implantierungsenergie bei der Ionenimplantation im erforderlichen Maß erhöht, so kann ein Ionenimplantationszustand bestimmt werden, der kaum durch Kontaminationen, Brüche und Verschiebungen beeinträchtigt wird.
3 zeigt diagrammartig SR-Verunreinigungskonzentrationsprofile 41, 42, 43, 44, 45 und 46, die an verschiedenen Stellen der geneigten Seitenwand des Grabens im Abstand vom auf den Grabengrund gelegten Brennpunkt des Laserstrahls gemessen wurden. Wird der Neigungswinkel 2 auf 55° gesetzt, so wird der Brennpunkt am Grabengrund als Punkt ”a” bezeichnet, eine Seitenwandposition mit einem Abstand von 1 mm vom Grabengrund als Punkt ”b” bezeichnet und eine Position 2,5 mm im Abstand vom Grabengrund als Punkt ”c” angenommen. Die Implantierungsenergie der Ionen war 50 keV, 100 keV bzw. 150 keV, mit einer Bordosis von 1·10¹⁵ cm^–2 und Laserbestrahlungsbedingungen wie oben dargelegt. In 3 sind die Konzentrationsprofile mit den Nummern 41, 42 und 43 diejenigen, die am Punkt ”b” (Position in 1 mm Entfernung vom Brennpunkt) mit den Implantierungsenergien von 50 keV, 100 keV bzw. 150 keV erhalten wurden. Die Konzentrationsprofile mit den Bezugszahlen 44, 45 und 46 sind diejenigen, die am Punkt ”c” (der Position mit Abstand 2,5 mm vom Brennpunkt) mit den Implantierungsenergien 50 keV, 100 keV bzw. 150 keV gemessen wurden. Aus 3 ergibt sich, daß mit einer Implantierungsenergie von bis zu 150 keV selbst bei einer Position im Abstand von 1 mm vom Brennpunkt des Laserstrahls hohe Konzentrationen mit einer Konzentrationsspitze von wenigstens 1·10¹⁹ cm^–3 erhalten werden können, und daß selbst mit einer Implantationsenergie vom 50 keV eine Spitzenkonzentration von 1·10¹⁷ cm^–3 oder mehr erhalten wird, auch an einer Position mit einem Abstand von 2,5 mm vom Brennpunkt. Es zeigt sich also, daß sich kein Problem ergibt, wenn die Verunreinigungskonzentration in der geneigten Grabenseitenwand eine Verunreinigungskonzentration zur Bildung einer Trennschicht werden soll, wenn es sich um eine Scheibe mit einer Dicke bis zur oben angegebenen Dimensionierung handelt, beispielsweise mit einer Dicke in der Größenordnung von 200 μm, wie sie für den erfindungsgemäßen rückwärtssperrenden IGBT gewählt wird.
6 zeigt diagrammartig die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel 2 der Seitenwände des Grabens und der Bruchrate der Chips. Wird die Wärmebehandlung durch Bestrahlung der Seitenwand der Gräben mit einem Laserstrahl durchgeführt, so wird, je kleiner der Neigungswinkel 2 ist, eine umso größere bestrahlte Fläche aktiviert. Die Effizienz der Aktivierung ist am besten für den Neigungswinkel 2 = 0° (also wenn der Laserstrahl in senkrechter Richtung auf die ebene Fläche der Scheibe gerichtet wird). Wird jedoch das Zerteilen der Scheibe in die einzelnen Chips betrachtet, so ergibt für 2 < 30°, daß die randseitige Chipkante einen sehr spitzen Winkel hat, bei dem leicht ein Bruch des Chips verursacht werden kann. Wenngleich am Rand mit dem scharfen spitzen Winkel ein Bereich mit hoher Verunreinigungskonzentration als Feldstopschicht gebildet wird, ergibt sich, daß, je schärfer die Kante wird, umso näher die Position, an der ein Bruch verursacht werden kann, an den zentralen Teil des Chips heranrückt. Eine Begrenzung der Bruchstelle nur auf den Bereich der Feldstopschicht ist also nicht möglich. Für einen Neigungswinkel 2 > 30° kommt die Bruchrate der Chips unter 20%. Der Neigungswinkel der Grabenseitenwände zur Oberseitenfläche der Scheibe als der zweiten Hauptfläche sollte also nicht über 70° und vorzugsweise zwischen 30° und 70° betragen.
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wurde anhand eines Falles erklärt, bei dem zur Aktivierung der Dotierstoffionen, die zur Bildung einer Trennschicht eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT-Bauteils implantiert wurden, die Laserbestrahlung angewandt wird.
Da der Laserstrahl ursprünglich eine Lichtart ist, kann die Bestrahlungsenergiedichte auf eine Ebene, die mit einem Neigungswinkel 2 gegen die dem einfallenden Laserstrahl senkrechte Ebene geneigt ist, als im wesentlichem nach dem Cosinusgesetz auf einen Wert reduziert angesehen werden, für den wie bei der Bestrahlungsenergiedichte aufgrund normalen Lichts die Bestrahlungsenergiedichte auf der dem einfallenden Laserstrahl senkrechten Ebene multipliziert wird mit cos2. Insofern ist unter der Voraussetzung, daß eine auf dem einfallenden Laserstrahl senkrechte Ebene (2 = 0°) vom Laserstrahl aktiviert wird, wenn eine Seitenwand des Grabens in einem Neigungswinkel 2 durch die Laserstrahlbestrahlung aktiviert werden soll, die Energie des Laserstrahls um den Faktor 1/cos2 zu erhöhen. Hierdurch wird es möglich, daß eine in einem beliebigen Neigungswinkel 2 geneigte Ebene aktiviert wird.
Wenn beispielsweise eine flache, zum einfallenden Laserstrahl senkrechte Ebene mit einer Energiedichte von 1 J/cm² aktiviert werden kann, kann mit einer dreifach oder noch höher vorgegebenen Energiedichte, also 3 J/cm² oder mehr, eine Ebene mit einem Neigungswinkel 2 bis zu 70,5° (2 = cos^–1 (1/3)) aktiviert werden, wobei allerdings Laserstrahlverluste aufgrund einer Reflexion und der Übermittlung bei diesem Ausdruck nicht berücksichtigt sind.
Mit einem Neigungswinkel 2 von 70° und einer Laserstrahlenergiedichte von 4 J/cm² beträgt die Energiedichte auf der bestrahlten geneigten Fläche 1,37 J/cm². Bei einem auf den Grabengrund gesetzten Brennpunkt des Laserstrahls, wenn die Energiedichte von 4 J/cm² am Grund relativ als Einheit genommen wird, beträgt die Energiedichte von 1,37 J/cm² auf der geneigten Ebene relativ 0,34, also 34%. Wird also die Energiedichte von 4 J/cm² am Brennpunkt (Grund) relativ als Einheit genommen, so wird die Höhe des Grabens als diejenige angenommen, bei der eine Energiedichte von 35% oder mehr der Energiedichte am Grabengrund sichergestellt werden kann.
Beispiel 3
Im Beispiel 2 zeigt die Berechnung, daß mit einer Bestrahlungsenergiedichte von beispielsweise 4 J/cm² und 6 J/cm² die geneigte Ebene in einem Neigungswinkel 2 bis zu 2 = 75,5° bzw. 2 = 80,4° aktiviert werden kann.
Wie jedoch 4, nämlich eine graphische Darstellung der Verunreinigungskonzentrationsprofile in Richtung der Tiefe, gemessen bei verschiedenen Bestrahlungsenergiedichten, zeigt, beeinträchtigt eine zu hohe Bestrahlungsenergie die Verunreinigungskonzentrationsprofile. 4 zeigt Ergebnisse der Messungen von Verunreinigungskonzentrationsprofilen im Fall, daß eine mit einer hohen Dosis von Borionen mit relativ niedriger Implantierungsenergie wie etwa 50 keV, wie es im Beispiel 1 der Fall war, implantierte Fläche mit Laserstrahlenbündeln bestrahlt wurde, deren jeweilige Bestrahlungsenergien 4 J/cm² (Profil 47), 3 J/cm² (Profil 48) und 6 J/cm² (Profil 49) betrugen. Es ist sinnvoll, die Leistung der Bestrahlung durch die Bestrahlungsenergie anzugeben, da die Laser-Wärmebehandlung zumeist durch gepulste Bestrahlung durchgeführt wird und die Strahlungsimpulse zeitlich sehr kurz sind, nämlich nur einige hundert Nanosekunden dauern. Die Bestrahlung mit der Energiedichte von 4 J/cm² bewirkt, daß die Fläche mit den implantierten Borionen zu schmelzen beginnt, wodurch das Profil 47 sich als blockförmig werdendes Profil zeigt, das sich vom Profil 48 unterscheidet, welches bei einer Bestrahlung mit einer Energiedichte von 3 J/cm² erhalten wurde. Die Bestrahlung mit der Energiedichte 6 J/cm² bewirkt, daß die bestrahlte Fläche vollständig geschmolzen wird, so daß die p-leitende, mit implantiertem Bor dotierte Schicht in einer Dicke in der Größenordnung von 0,3 μm verschwindet. Die Verunreinigungskonzentration an der Oberflächenseite ist dadurch vermindert worden. Die Bestrahlungsenergiedichte muß deshalb auf einer solchen Höhe festgelegt werden, daß kein Schmelzen der bestrahlten Fläche unter Berücksichtigung des Cosinusgesetzes verursacht wird. Wird ein YAG2T-Doppelimpulslaser verwendet, so darf seine Bestrahlungsenergiedichte höchstens mit 4 J/cm² dimensioniert werden.
Bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Beispiele wurde davon ausgegangen, daß ein YAG2T-Doppelimpulslaser verwendet wird. Jedoch kann die Erfindung auch mit einem YLF2T-Laser (mit einer Wellenlänge von 527 nm), einem YLF2T-Doppelimpulslaser, einem Exzimerlaser (wie etwa XeF und XeCl), einem YAG3T-Laser oder einem Halbleiterlaser durchgeführt werden, wenn deren jeweilige Strahlungsenergiedichte passend justiert wird.
Von den oben genannten Laser erzeugt der XeCl-Laser (mit einer Wellenlänge von 308 nm) bei einer Bestrahlungsenergiedichte ab 1,4 J/cm² Bearbeitungsspuren. Die Bestrahlungsenergiedichte dieses XeCl-Lasers darf also nur höchstens 1,4 J/cm² betragen.
Die Laserwärmebehandlung kann durch Laserbestrahlung nur eines Teils, den man zu bestrahlen wünscht, durchgeführt werden, wobei die anderen Teile durch Masken aus einem Material wie SUS abgedeckt sind, oder durch partielle Laserbestrahlung auf den gewünschten Teil. Die Teilbestrahlungs-Laserwärmebehandlung ist ein Verfahren der partiellen Durchführung der Wärmebehandlung durch Steuerung des Laserstrahls so, daß er eine Teilabtastung durchführt, oder durch Steuerung der Laserbestrahlung mit einem Verschluß, der geöffnet und geschlossen wird, während die Laserstrahlabtastung läuft.
Bei einem rückwärtssperrenden IGBT mit einer Trennschicht, die durch die oben beschriebenen Verfahren der Trennschichtherstellung gebildet ist, kann ein ungünstiger Effekt aufgrund von Sauerstoff besser vermieden werden als bei einem IGBT, bei dem die Trennschicht durch ein Beschichtungs- und Diffusionsverfahren hergestellt wird, so daß eine sehr günstige Rate von akzeptablen Produkten (> 90%) erreicht werden kann.
Auf der gesamten Oberfläche der Scheibe wurden Borionen mit einer Implantierungsenergie von 45 keV und einer Dosis von 1·10¹⁵ Ionen/cm² bei einem Scheiben-Schräghaltewinkel von 0° implantiert (wobei der Ionenstrahl senkrecht zur Scheibenausdehnung auftrifft). Anschließend wurde die Oberfläche der Scheibe durch eine ganzflächige Bestrahlung mit einem YLF2T-Doppelimpulslaser-Erwärmungsgerät erhitzt, und zwar mit einer Bestrahlungsenergie von 1,4 J/cm²·2 und einer Verzögerungszeit von 300 ns für die zweite gepulste Laserstrahlung. Da in diesem Fall die Borionen als Dotierstoffionen, die in die Seitenwand des Grabens implantiert worden sind, durch die Laserwärmebehandlung aktiviert werden, kann eine Trennschicht mit einer Verunreinigungskonzentration über 1·10¹⁹ cm^–3 und einer Tiefe in der Größenordnung von 1 μm erhalten werden. Die so erhaltene Trennschicht, für die die Verarmung weniger leicht erfolgt als bei einer Trennschicht, die durch eine Niedertemperatur-Wärmebehandlung erhalten wurde, ist die Ausbeute an Produkten, die die Spezifikation hinsichtlich der Spannung in Rückwärtsrichtung erfüllen, erhöht. Der Grund, daß die Verunreinigungskonzentration höher wird als im Fall einer Wärmebehandlung mit niedrigerer Temperatur, ist, daß das Silizium kurzzeitig zum Schmelzen und mit sehr hoher Geschwindigkeit von einigen Meter pro Sekunde zum Rekristallisieren gebracht werden kann.
Die Laserwärmebehandlung übt einen heizenden Einfluß nur in einem Bereich nahe der bestrahlten Oberfläche aus. Insofern wird keine weitere Wärmemenge an das Bauteil abgegeben, so daß die Laserwärmebehandlung ein gutes Verfahren ergibt.
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren hat eine geringere Kontamination der Scheibe zur Folge, verglichen mit dem bekannten Verfahren, bei dem nach der Bildung des Grabens die Unterseite (die zweite Hauptfläche) einer dicken Halbleiterscheibe geschliffen wird, woraufhin an dieser Fläche die Unterseitenstrukturen gebildet werden. Es wird auch keine Verschlechterung der Charakteristiken aufgrund von Sauerstoff bewirkt, im Gegensatz zur Bildung der Trennschicht nach dem Beschichtungs- und Diffusionsverfahren nach dem Stand der Technik. Es wird also eine hohe Rate akzeptabler Produkte von 90% oder höher gleichbleibend erhalten. Zusätzlich kann, anders als beim verglichenen bekannten Herstellungsverfahren, der Schritt des Füllens des Grabens mit einem Verstärkungsmaterial entfallen, wobei dieser Schritt durchgeführt wurde, um die Halbleiterscheibe in Chips zerteilen zu können. Der in Rückwärtsrichtung sperrende IGBT kann also zu niedrigen Kosten mit hoher Zuverlässigkeit hergestellt werden.
Die Ebenheit der Grabenseitenwand ist sehr gut, nämlich 1 nm Ra. Selbst wenn die Trennschicht nur eine Diffusionstiefe in der Größenordnung von 1 μm mit einer Verunreinigungskonzentration in der Größenordnung von 10¹⁸ cm^–3 hat, kann die Verarmungsschicht sicher gestoppt werden. Anstelle von Bor als Dotierungsstoff zum Bilden der beschriebenen Trennschicht kann auch Aluminium verwendet werden, und anstelle des UV-Bands, das beim beschriebenen Beispiel als Klebeband auf der Seite des Trägersubstrats verwendet wurde, kann auch ein bei einem üblichen Schleifprozeß (einem Zurückschleifprozeß) verwendetes entfernbares Band zur Anwendung kommen, das vom Trägersubstrat durch Abschälen oder Abziehen entfernt werden kann.
Bei den beschriebenen Beispielen wurde bevorzugterweise der Graben von der Unterseite des Substrats her gebildet, er kann jedoch auch von der Oberseite des Substrats her gebildet werden. Als erster Leitfähigkeitstyp wurde die n-Leitfähigkeit und als zweiter Leitfähigkeitstyp die p-Leitfähigkeit angenommen, die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise anwendbar, wenn die Leitfähigkeitstypen umgekehrt sind. Sie ist außerdem nicht nur auf einen rückwärtssperrenden IGBT anwendbar, sondern auch auf andere Typen von rückwärtssperrenden und bidirektionalen Bauteilen oder auf Halbleiterbauteile wie MOSFETs, Bipolartransistoren und MOS-Thyristoren, bei denen jeweils das Herstellungsverfahren die Bildung einer Trennschicht umfaßt, oder für Aktuatoren, Sensoren oder Solarzellen, die die MEMS-Technologie anwenden.
Wie vorstehend dargelegt, sind die erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterbauteile nützlich für Leistungs-Halbleiterbauteile, die für Systeme wie Leistungs-Wandlersysteme verwendet werden, und eignen sich speziell für bidirektionale Bauteile oder rückwärtssperrende Bauteile sowie für Aktuatoren oder Sensoren, die die MEMS-Technologie verwenden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils, aus einem Halbleitersubstrat (1) des ersten Leitfähigkeitstyps, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche aufweist, mit den Verfahrensschritten der Bildung eines Grabens (26), dessen Querschnittsform V-förmig oder trapezförmig ist, in der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats; der Einbringung einer Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwände des Grabens; und der Aktivierung der Verunreinigung durch eine Laserbestrahlung; wobei die Seitenwände des Grabens so gebildet werden, daß sie einen Neigungswinkel (2) von maximal 70° zur zweiten Hauptfläche haben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Seitenwände des Grabens (26) so bildet, daß sie einen Neigungswinkel (1) zwischen 30° und 70° zur zweiten Hauptfläche haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Laserbestrahlung mit einem Laserstrahlenbündel durchführt, das man auf die erste Hauptfläche des Halbleitersubstrats (1) in einem Einfallswinkel bis zu ±30° zur Normalen auf der ersten Hauptfläche aufstrahlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Laserbestrahlung mit einem Laserstrahlenbündel durchführt, das einen Brennpunkt hat, den man so auf der Seitenwand des Grabens (26) positioniert, daß auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats keine Spuren von geschmolzenem Kristall und keine Bearbeitungsspuren auftreten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallfläche der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats (1) eine {100}-Ebene ist und die Kristallfläche der Seitenwand des Grabens (26) eine {111}-Ebene ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils, das folgende Teile umfaßt: ein Halbleitersubstrat (28, 117) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche; eine Basisregion (8) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der ersten Hauptfläche des Substrats ausgebildet ist; eine Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der Basisregion ausgebildet ist; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur (118) mit einer auf einem Oberflächenbereich eines Abschnitts der Basisregion, der zwischen dem Halbleitersubstrat und der Emitterregion angeordnet ist, befindlichen Steuerelektroden-Isolierschicht (9) und einer auf der Steuerelektroden-Isolierschicht befindlichen Steuerelektrode; eine in Kontakt mit der Emitterregion und der Basisregion befindliche Emitterelektrode; eine an einer Oberflächenschicht der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats befindliche Kollektorschicht (7, 122) des zweiten Leitfähigkeitstyps; eine in Kontakt mit der Kollektorschicht befindliche Kollektorelektrode (29, 123); und eine den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisende Trennschicht (25), die die MOS-Steuerelektrodenstruktur umgibt, von der zweiten Hauptfläche aus die erste Hauptfläche erreicht und zur ersten Hauptfläche geneigt ausgerichtet ist, und die mit der Kollektorschicht gekoppelt ist, wobei sowohl die erste Hauptfläche als auch die zweite Hauptfläche eine {100}-Ebene sind und eine Oberfläche der Trennschicht in einer {111}-Ebene liegt, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bildung der MOS-Steuerelektrodenstruktur (118) auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps; Abdecken der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Maske (116, 120), die Öffnungen eines gewünschten Musters entlang der <110>-Richtung aufweist; Herstellen eines Grabens (121), dessen Querschnittsfläche V-förmig oder trapezförmig ist, im Halbleitersubstrat von der zweiten Hauptfläche aus durch nasses anisotropes Ätzen, wobei Abschnitte der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats, die nicht mit der Maske abgedeckt sind, in Kontakt mit einer alkalischen Lösung gebracht werden; und Bilden der Trennschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer diffundierten Schicht (122) an der zweiten Hauptfläche durch Einbringen einer Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps in eine Seitenwand des Grabens und in die zweite Hauptfläche.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (26, 121) mit einem Neigungswinkel von 125,3° zur zweiten Hauptfläche gebildet wird und die Verunreinigung des zweiten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand des Grabens durch Ionenimplantation eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode (29, 123) so gebildet wird, daß sie die Trennschicht (25) des zweiten Leitfähigkeitstyps überdeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske aus wenigstens einer der folgenden Schichten bestehend hergestellt wird: einer Siliziumoxidschicht, einer Siliziumnitridschicht, einer SOG-Schicht oder einer alkalibeständigen Resistschicht; und daß die Siliziumoxidschicht und/oder die Siliziumnitridschicht durch Plasma-CVD oder durch CVD bei Atmosphärendruck, bzw. die SOG-Schicht durch ”Spin-Beschichtung”, also eine Rotationsbeschichtung gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils, ausgehend von einer Halbleiterscheibe (28, 117) mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, umfassend die Verfahrensschritte: Bilden einer Mehrzahl von diffundierten Schichten, einer ersten Hauptelektrode und einer Steuerelektrode an der ersten Hauptfläche der Halbleiterscheibe; Dünnermachen der Halbleiterscheibe durch Schleifen der zweiten Hauptfläche der Halbleiterscheibe; Befestigen der Halbleiterscheibe mit ihrer ersten Hauptfläche an einem Trägersubstrat (119), wobei eine Klebeschicht dazwischengelegt ist; Bilden eines Grabens (26, 121), der die diffundierte Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche von der Seite der zweiten Hauptfläche der dünnergemachten Halbleiterscheibe aus erreicht; Bilden einer Trennschicht (25) an der gesamten Fläche einer Seitenwand des Grabens und einer diffundierten Schicht (7, 122) auf der Oberflächenseite der zweiten Hauptfläche, wobei die Trennschicht und die diffundierte Schicht den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die diffundierte Schicht auf der Seite der ersten Hauptfläche haben; Bilden einer zweiten Hauptelektrode (29, 123) in Kontakt mit der diffundierten Schicht auf der Seite der zweiten Hauptfläche und der Trennschicht; und Entfernen der Klebeschicht von der dünnergemachten Halbleiterscheibe zum Zerteilen der Halbleiterscheibe in Halbleiterchips.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Halbleiterscheibe so ausrichtet, daß eine Kristallfläche der zweiten Hauptfläche der dünnergemachten Halbleiterscheibe in einer {100}-Ebene und eine Kristallfläche der Oberfläche des Grabens in einer {111}-Ebene liegt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (26, 121) durch nasses anisotropes Ätzen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (26, 121) so tief hergestellt wird, daß er die erste Hauptfläche erreicht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzung des Grabens beendet wird an einer Siliziumoxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht an der ersten Hauptfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (25) und die diffundierte Schicht (7, 122) auf der Seite der zweiten Hauptfläche durch Ionenimplantation und eine Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur von bis zu 550°C gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (25) und die diffundierte Schicht (7, 122) auf der Seite der zweiten Hauptfläche durch Ionenimplantation und Laser-Wärmebehandlung gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation mit einem Ionenstrahl durchgeführt wird, der in die zweite Hauptfläche mit einem Einfallswinkel von bis zu ±30° zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder nach dem auf Anspruch 16 rückbezogenen Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbestrahlung der Laser-Wärmebehandlung mit einem Laserstrahl durchgeführt wird, der auf die zweite Hauptfläche mit einem Einfallswinkel von bis zu ±30° zur Normalen auf der zweiten Hauptfläche einfällt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Laserbestrahlung der Laser-Wärmebehandlung ein Laserstrahlbündel eines YLF2ω-Lasers oder eines YAG2ω-Lasers mit einer Bestrahlungsenergiedichte von 0,25 Joule/cm² bis 5,0 Joule/cm² verwendet, wobei die gesamte Flächenbestrahlung mit einer Verzögerungszeit für die zweite Bestrahlung in Höhe von 0 ns bis 5.000 ns durchgeführt wird.