DE102006035630A1

DE102006035630A1 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102006035630A1
Application number: DE102006035630A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. Mauder; Hans-Joachim Dr. Schulze
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: US20080023801A1; DE102006035630B4; US7781294B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements (1), bei welchem durch Bestrahlung im Material des zugrunde liegenden Halbleitersubstrats (20) Kristalldefekte erzeugt werden, die eine inhomogene Kristalldefektdichteverteilung in vertikaler Richtung des Halbleiterbauelements (1) ausbilden und zu einer entsprechenden inhomogenen Verteilung der Trägerlebensdauer führen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements und insbesondere unter anderem ein Verfahren zur Realisierung einer inhomogenen Ladungsträgerlebensdauerverteilung in einem Halbleiterbauelement.
Bei der Weiterentwicklung moderner Halbleiterbauelemente bestehen häufig Anforderungen dahingehend, dass verschiedene Klassen von Bauelementen mit unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften ausgebildet werden sollen. Es handelt sich dabei z.B. um das Einschalt- oder Abschaltverhalten, um die Position bestimmter Durchbruchsbereiche und dergleichen. Um spezifische Eigenschaften bei bestimmten Halbleiterbauelementklassen ausbilden zu können, kann es erforderlich sein, zum einen die Dotierstoffverteilung und zum anderen bestimmte Ladungsträgerlebensdauerverteilungen in dem Bauelement zugrunde liegenden Halbleitersubstrat auszubilden.
Dabei ist die gezielte Gestaltung der Trägerlebensdauerverteilung im Halbleitersubstrat problematisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements anzugeben, bei welchem auf besonders einfache und wohldefinierte Art und Weise die Trägerlebensdauerverteilung im zugrunde liegenden Halbleitersubstrat in geeigneter Weise ausgebildet werden kann.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Gegenstand der abhängigen Unteransprüche sind vor teilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelements.
Kernidee der vorliegenden Erfindung in ihrer allgemeinsten Form ist, in dem dem Halbleiterbauelement zugrunde liegenden Halbleitersubstrat durch Bestrahlung derart Kristalldefekte hervorzurufen, dass diese im Material des zugrunde liegenden Halbleitersubstrats mit einer inhomogenen Verteilung vorliegen und sich entsprechend eine inhomogene Verteilung der Trägerlebensdauer aufgrund der als Kondensationskeime fungierenden Kristalldefekte einstellt.
Es wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements vorgeschlagen, bei welchem in einem zugrunde liegenden Halbleitersubstrat mit Vorderseite und mit Rückseite durch Bestrahlung über die Vorderseite oder über die Rückseite als Eintrittsfläche für die Strahlung im Material des Halbleitersubstrats Kristalldefekte erzeugt werden, wobei – gemessen von der Vorderseite zur Rückseite des Halbleitersubstrats – eine inhomogene Kristalldefektdichte derart erzeugt wird, dass – gemessen von der Vorderseite zur Rückseite des Halbleitersubstrats – sich über die Kristalldefekte als Kondensationskeime eine entsprechende inhomogene Verteilung der Trägerlebensdauer einstellt.
Es kann eine Teilchenstrahlung zur Bestrahlung verwendet werden.
Es kann eine Protonenstrahlung zur Bestrahlung verwendet werden.
Es kann eine Heliumstrahlung zur Bestrahlung verwendet werden.
Es können Strahlungen aus anderen nicht dotierenden Elemente – wie z. B. Edelgasen oder Halbleiteratomen – zur Bestrahlung verwendet werden.
Es kann die Vorderseite des Halbleitersubstrats als Eintrittsfläche für die Strahlung verwendet werden.
Andererseits kann aber auch die Rückseite des Halbleitersubstrats als Eintrittsfläche für die Strahlung verwendet werden.
Es kann eine Strahlung verwendet werden, deren mittlere Eindringtiefe – insbesondere durch Wahl der Energie der Strahlung – im Material des Halbleitersubstrats die Schichtstärke des Halbleitersubstrats, gemessen von der Vorderseite zur Rückseite, übersteigt, insbesondere um höchstens 10%.
Es kann eine Strahlung verwendet werden, deren projizierte Reichweite – insbesondere durch Wahl der Energie der Strahlung – im Material des Halbleitersubstrats die Schichtstärke des Halbleitersubstrats, gemessen von der Vorderseite zur Rückseite, übersteigt, insbesondere um höchstens 10%.
Es kann eine Strahlung verwendet werden, die – insbesondere durch Wahl der Energie der Strahlung – zu einem Teil wieder aus dem Material des Halbleitersubstrats austritt.
Der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats wieder austritt, kann 50% oder mehr betragen.
Der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats wieder austritt, kann auch 90% oder mehr betragen.
Der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats wieder austritt, kann aber auch 97,5% oder mehr betragen.
Denkbar ist auch, dass der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats wieder austritt, 99% oder mehr beträgt.
Vorzugsweise werden vor der Bestrahlung sämtliche Dotiergebiete des Halbleiterbauelements ausgebildet.
Ferner können vor der Bestrahlung etwaige Temperaturschritte, insbesondere oberhalb einer Temperatur von 700°C, durchgeführt werden.
Es kann nach der Bestrahlung ein Tempervorgang durchgeführt werden.
Der Tempervorgang kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die oberhalb der Betriebstemperatur des auszubildenden Bauelements liegt und/oder die im Bereich von etwa 220°C bis etwa 340°C liegt.
Die Bestrahlung kann mit einer Elektronenbestrahlung und/oder mit einer Schwermetalldiffusion von Gold und/oder Platin kombiniert werden.
Zusätzlich oder alternativ und/oder können Platin und/oder Gold vor der Bestrahlung eindiffundiert und nach der Bestrahlung durch einen oder einen weiteren Temperschritt umverteilt werden.
Die mittlere Eindringtiefe, die projizierte Reichweite und/oder die Energie der Strahlung können bei gegebenem zugrunde liegenden Halbleitersubstrat durch einen geschlossenen funktionalen Zusammenhang oder durch einen geschlossenen mathematischen Ausdruck, vorzugsweise durch eine quadratische Gleichung miteinander in Beziehung gesetzt und ermittelt werden, weiter vorzugsweise gemäß einem Zusammenhang (1): y = a·x2 + b x + c, (1)wobei y die Reichweite, insbesondere in μm gemessen, x die Implantationsenergie, insbesondere in MeV gemessen, und a, b, c Parameter bedeuten und wobei letztere für Protonen Werte gemäß (2) a = 5,7542, b = 14,13 und c = 1,2711 (2)und für Helium Werte gemäß (3) a = 0,4289, b = 2,6626 und c = 0,3385 (3)annehmen.
Die mittlere Eindringtiefe, die projizierte Reichweite und/oder die Energie der Strahlung können bei gegebenem zugrunde liegenden Halbleitersubstrat mittels eines Tabellenausleseverfahrens miteinander in Beziehung gesetzt und ermittelt werden.
Es kann ein bipolares Bauelement, eine Diode, ein IGBT, ein GTO, ein Thyristor oder ein Transistor hergestellt werden.
Es kann ein zusätzlicher oder der zusätzliche Temperschritt bei einer Temperatur zwischen etwa 220°C und etwa 900°C durchgeführt werden.
Es kann ein zusätzlicher oder der zusätzliche Temperschritt für eine Zeitspanne zwischen etwa 10 Sekunden und etwa 10 Stunden durchgeführt werden.
Zusätzlich oder Alternativ kann im Halbleitersubstrat zusätzlich eine laterale Variation der Verteilung der Trägerlebensdauer ausgebildet werden.
Diese zusätzliche laterale Variation der Verteilung der Trägerlebensdauer kann über Blenden ausgebildet werden.
Die zusätzliche laterale Variation der Verteilung der Trägerlebensdauer kann insbesondere über Metallblenden ausgebildet werden.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn mittels einer ersten Messeinrichtung der im Halbleitersubstrat absorbierte Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang gemessen wird, wenn mittels einer zweiten Messeinrichtung der durch das Halbleitersubstrat transmittierte Anteil des Ionenstroms aus dem Implantationsvorgang gemessen wird und wenn die Implantationsenergie eingestellt und an die vertikale Stärke des Halbleitersubstrats angepasst wird über eine Bestimmung und Auswertung des Verhältnisses des transmittierten Anteils des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang zum absorbierten Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang.
Die Erfindung wird des Weiteren auf der Grundlage der nachfolgenden Anmerkungen im Detail erläutert:
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch Verfahren zur Realisierung einer inhomogenen Trägerlebensdauerverteilung.
Bei Halbleiterbauelement besteht häufig der Wunsch, in vertikaler Richtung der Bauelemente eine inhomogene Verteilung der Ladungsträgerlebensdauer einzustellen, um z. B. die Weichheit beim Abschalten der Bauelemente zu erhöhen oder auch die Abschaltverluste bei vorgegebener Durchlassspannung zu reduzieren. Insbesondere bei Dioden ist ein Trägerlebensdauerprofil wünschenswert, das ein Minimum der Trägerlebensdauer im Bereich des pn-Übergangs aufweist und in Richtung des auf der anderen Seite der Siliziumscheibe gelegenen n-Emitters eine zunehmende Trägerlebensdauer.
Bisher wurden zur Erzeugung ähnlicher Profilformen Kombinationen aus einer Protonen- oder Heliumbestrahlung mit einer Elektronenbestrahlung benutzt. Die Benutzung zweier unterschiedlicher Bestrahlungsquellen ist allerdings relativ aufwändig. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass der durch Elektronenbestrahlung geschädigte Bereich immer eine in vertikaler Richtung homogene Absenkung der Trägerlebensdauer bewirkt, so dass eine kontinuierliche vertikale Variation der Trägerlebensdauer nicht möglich ist.
Es wird vorgeschlagen, zu der Realisierung eines Trägerlebensdauerprofils, bei dem die Trägerlebensdauer in vertikaler Richtung des Bauelementes kontinuierlich zu- oder abnimmt, eine Protonenbestrahlung einzusetzen, wobei die Energie vorzugsweise so gewählt wird, dass zumindest ein Teil, vorzugsweise der Großteil der Protonen auf der anderen Scheibenseite wieder austritt. Eine weitere Randbedingung für die Funktion des vorgeschlagenen Prinzips besteht darin, dass der „end of range" der Protonenbestrahlung im Halbleitermaterial aber auch nicht viel größer ist als die Dicke der zu bestrahlenden Halbleiterscheibe.
Protonen besitzen den Vorteil, dass sie die geringste Beschleunigungsenergie benötigen, um eine gewünschte Tiefe im Halbleiter zu erreichen. Die nötigen Beschleunigungsenergien für Protonen und ggf. für Heliumionen sind technisch leichter zu realisieren als für schwerere Teilchen, weswegen diese beiden Bestrahlungsspezies hier bevorzugt werden.
Dabei ist es unerheblich, ob die Implantation in eine dicke Scheibe erfolgt, die anschließend auf das Zielniveau gedünnt wird, oder ob die Ionen nach dem Durchstrahlen der dünnen Halbleiterprobe ins Freie treten und z. B. in einem Beamdump aufgefangen werden.
Durch diese Maßnahme wird nämlich eine Defektdichtenverteilung in vertikaler Richtung erzeugt, die zu der gewünschten vertikalen Verteilung der Trägerlebensdauer führt.
Um dies zu veranschaulichen, sind in den 1 bis 4 die mit dem Programm „TRIM" berechnete Verteilungen der Leerstellen für unterschiedliche Implantationsbedingungen dargestellt.
Da die durch Bestrahlung erzeugten Rekombinationszentren immer mit Leerstellen korreliert sind (wie z. B. die Doppelleerstellen oder der Leerstellen-Sauerstoff-Komplex), spiegelt diese berechnete Verteilung auch das vertikale Profil der Trägerlebensdauer wider. Ein weiterer Vorteil in der Durchstrahlung der Halbleiterscheibe besteht darin, dass die Erzeugung Protonen-induzierter Donatoren, die das Sperrverhalten des Halbleiterbauelements beeinflussen könnten, weitgehend vermieden bzw. deutlich reduziert wird.
Prinzipiell eignen sich auch schwerere, nicht dotierende Elemente zur Bestrahlung. Bei diesen wird die Schadensverteilung inhomogener, d. h. das Verhältnis der Schäden im „end of range" zum durchstrahlten Bereich ist deutlich höher. Nachdem die Reichweiten schwererer Elemente im Halbleiter auch drastisch abnimmt, eignet sich fast nur noch Helium für diesen Zweck, siehe dazu auch 4.
Die Stärke der Trägerlebensdauerabsenkung kann hierbei über die Wahl der Protonendosis gesteuert werden. Es emp fiehlt sich, zur Stabilisierung der Trägerlebensdauerabsenkung nach der Bestrahlung eine geeignete Temperung bei Temperaturen, die im Bereich zwischen 220°C und 340°C liegen, durchzuführen. Diese relativ niedrige Tempertemperatur führt auch dazu, dass nicht zu viele protoneninduzierte Donatoren gebildet werden.
Bei Bedarf kann man den „end of range" auch innerhalb der Halbleiterscheibe platzieren, so dass sich eine Trägerlebensdauersenke ergibt, an die sich ein kontinuierlicher Anstieg der Trägerlebensdauer in Bestrahlungsrichtung anschließt. Für den Fall der Diode wäre in diesem Fall die Bestrahlung von der Seite her durchzuführen, auf der sich der n-Emitter der Diode befindet.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, eine vertikal inhomogene Trägerlebensdauer dadurch einzustellen, dass man die Scheiben mit Protonen bestrahlt, wobei die Eindringtiefe der Protonen in homogenem Halbleitermaterial geringfügig größer als die Scheibendicke ist.
Die Figuren zeigen die Strahlenschäden – „Target Displacements" bzw. „Si Target Vacancies" – sowie die Reichweite der Ionen für verschiedene Implantationsbedingungen. Als Scheibendicke wurde ein typisches 1200V-Material gewählt. Für höhere oder niedrigere Sperrfähigkeiten ist die Scheibendicke (Faustformel Dicke in μm = Nennsperrspannung in V geteilt durch 10) sowie die Implantationsenergie entsprechend anzupassen
Vorzugsweise wird ausschließlich die Bestrahlung als Lebensdauer-Einstellung verwendet. Optional lässt sich die Bestrahlung auch mit einer Elektronenbestrahlung oder noch besser mit einer Platin-Diffusion kombinieren.
Durch die Bereitstellung zusätzlicher Gitterleerstellen können mehr Platin-Atome auf Gitterplätzen eingebaut, als der Diffusionstemperatur entspricht, bzw. es kann das gleiche inhomogene Pt-Profil eingestellt werden, wie es der Leerstellenverteilung entspricht.
Vorzugsweise wird eine Vordiffusion von Pt durchgeführt, bei welcher deutlich mehr Pt auf Zwischengitterplätzen elektrisch inaktiv eingebracht wird, als elektrisch aktiv auf Gitterplätzen sitzt. Nach der beschriebenen Implantation zur Erzeugung der Kristalldefekte erfolgt ein (ggf. nur kurzer) Hochtemperatur-Schritt, bei welchem die Gitterleerstellen mit Pt besetzt werden.
Anstelle von Platin kann auch Gold verwendet werden, das allerdings zu einem höheren Leckstromniveau des Bauelements führt.
Vorteil dieser Variante ist, dass durch den Hochtemperaturschritt eine Beeinträchtigung von Oxiden und der Grenzflächen zum Halbleiter vermieden wird. Der sonst oft auftretende negative Einfluss von Bestrahlungen auf Leckströme, Einsatzspannungen, Sperrspannungen von Chips kann damit vermieden werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine gezielte vertikale Variation der Schwermetallkonzentration auf Grund der beschriebenen Dekoration von Kristalldefekten mit Schwermetallatomen ein vertikal inhomogenes Trägerlebensdauerprofil ergibt, das wesentlich temperaturstabiler ist als die mittels einer Bestrahlung erzeugten Defektprofile.
Eine weitere vorteilhafte Einsatzmöglichkeit dieser Variante stellt der sog. „kurze Dünnwaferprozess" bei Freilaufdioden dar, wenn die Schalteigenschaften von Dioden mit dem neuen, kurzen Prozess denen der heutigen Dioden angeglichen werden sollen. Bei heutigen Freilaufdioden mit gezielt eingestelltem Kathodenemitter findet die Platindiffusion häufig bei Scheiben statt, die bereits auf ihre geringe Enddicke gedünnt worden sind, wodurch sich auf der Scheibenrückseite auf Grund des „Badewannenprofils" beim Platineinbau eine höhere Platinkonzentration als im Bulkmaterial ergibt. Wird – wie beim kurzen Dünnwaferprozess die Platindiffusion mit dicken Scheiben durchgeführt, fehlt die erhöhte Platinkonzentration und somit die stärkere Trägerlebensdauerabsenkung vor dem Rückseitenemitter.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erläutert.
1A-4C zeigen in Form von Graphen die Bestrahlungsergebnisse für verschiedene Präparationsbedingungen, jeweils in tiefenabhängiger Form.
5 zeigt in Form eines Graphen die projizierte Reichweite für Protonen und Heliumionen als Funktion der verwendeten Implantations- oder Bestrahlungsenergie.
6-8 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht Halbleiterstrukturen, die erfindungsgemäß mit unterschiedlichen inhomogenen Trägerlebensdauerverteilungen ausgebildet werden.
9A, B zeigen in Form von Graphen die Bestrahlungsergebnisse für andere Präparationsbedingungen, jeweils in tiefenabhängiger Form.
10 zeigt in schematischer Form eine Messanordnung.
Nachfolgend werden strukturell und/oder funktionell ähnliche oder vergleichbare Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte Beschreibung wiederholt wird.
Die 6, 7 und 8 zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht, wie in einem Halbleitersubstrat 20 für ein auszubildendes Halbleiterbauelement 1 durch Bestrahlung eine inhomogene dichte Verteilung an Kristalldefekten und somit infolge bei der Fertigstellung des Halbleiterbauelements 1 eine inhomogene Verteilung der Ladungsträgerlebensdauer erreicht werden kann.
In 6 ist auf der rechten Seite ein Halbleitersubstrat 20 für ein Halbleiterbauelement 1 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 20 besitzt eine Oberseite 20a und eine Unterseite 20b. Die Oberseite 20a des Halbleitersubstrats 20 wird als Eintrittsfläche für die zu applizierende Strahlung 30 verwendet. Der Graph zeigt die Häufigkeit H der strahlungsinduzierten Kristalldefekte in Abhängigkeit von der Tiefe Z im Halbleitersubstrat 20, jeweils von der Oberseite 20a des Halbleitersubstrats 20 auf die Unterseite 20b hin gemessen. Es ergibt sich auf der linken Seite des Graphen zunächst eine schwach aber doch kontinuierlich ansteigende Phase, die dann zur rechten Seite des Graphen hin schnell in ein Maximum kulminiert, um dann rapid gegen Null abzufallen.
In der Ausführungsform der 6 sind die Eigenschaften der Strahlung 30, insbesondere deren Energie, so gewählt, dass die gesamte Strahlung praktisch im Material des Halbleitersubstrats 20 absorbiert wird.
Im Übergang zu dem auf der rechten Seite der 6 für das Halbleitersubstrat 20 gezeigten Zustands ergibt sich dann eine der Häufigkeitsverteilung H (Z) der Grafik auf der linken Seite der 6 entsprechende Verteilung der Kristalldefekte im Material des Halbleitersubstrats 20. Das bedeutet, dass von der Oberseite 20a zur Unterseite 20b hin zunächst eine schwach aber doch kontinuierlich ansteigende Verteilung vorliegt, die dann in ein Verteilungsmaximum mit raschem Abfall übergeht, so dass sich insgesamt eine inhomogene Kristalldefektdichteverteilung und somit infolge bei Fertigstellung des Halbleiterbauelements 1 ein inhomogene Ladungsträgerlebensdauerverteilung ergibt.
Bei der in 7 dargestellten Situation sind die Eigenschaften, insbesondere die Energie, der Strahlung 30 so gewählt, dass ein bestimmter Anteil der Strahlung wieder aus dem Material des Halbleitersubstrats 20 auf der Unterseite 20b austritt, so dass im Anschluss an den schwach aber doch kontinuierlich ansteigenden Bereich der Häufig keitsverteilung H (Z) sich anschließende Maximum nicht mehr im Bereich des Halbleitersubstrats 20 liegt.
Entsprechend stellt sich dann auch die Verteilung der Kristalldefekte im Halbleitersubstrat 20 in der auf der rechten Seite der 7 dargestellten Art und Weise ein, nämlich derart, dass sich an den schwach aber doch kontinuierlich ansteigenden Bereich ein starker Anstieg ausbildet, der dann insgesamt die inhomogene Verteilung im Halbleitersubstrat 20 bestimmt.
Bei der in 8 beschriebenen Situation sind die Parameter der Strahlung 30 so eingestellt, dass ein Großteil der Gesamtstrahlung wieder an der Unterseite 20b des Halbleitersubstrats 20 austritt.
Infolge davon liegt im Bereich des Halbleitersubstrats 20 fast ausschließlich der schwach aber doch kontinuierlich ansteigende Bereich der Häufigkeitsverteilung H (Z) vor, so dass sich infolge, wie auf der rechten Seite der 8 dargestellt ist, eine schwach aber doch kontinuierlich ansteigende Verteilung der Kristalldefekte und eine entsprechende schwach aber doch kontinuierlich absinkende Verteilung der Trägerlebensdauer im Halbleitersubstrat 20 einstellt.
In den 1A bis 4C sind verschiedene simulatorisch ermittelte Befunde dargestellt, die die im Zusammenhang mit den 6 bis 8 dargestellten Grundkonzepte in praktischer Hinsicht widerspiegeln. Die Darstellungen der 1A bis 4C wurden bereits oben im Detail erläutert.
Die 5 zeigt einen Graphen, welcher einen Zusammenhang herstellt zwischen der verwendeten Energie oder Implantationsenergie bei verwendeter Protonenstrahlung oder Heliumstrahlung und der sich jeweils ergebenden projizierten Reichweite der implantierten Ionen. Grundsätzlich kann die Darstellung der 5 herangezogen werden, um diejenige Energie aufzufinden, die für eine gewünschte projizierte Reichweite bei einer Protonenbestrahlung bzw. bei einer Heliumbestrahlung aufgebracht werden muss. Dies kann in analytischer Form bestehen, z.B. durch Verwendung der jeweils angegebenen Formel im Sinne eines funktionalen Zusammenhangs zwischen der projizierten Reichweite und der Implantationsenergie oder es kann, z.B. auch bei komplizierteren und nicht geschlossen darstellbaren Zusammenhängen, auch ein Tabellenausleseverfahren, welches auch als Table-Loop-Up-Verfahren bezeichnet wird, geschehen.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass auch eine laterale Variation der Trägerlebensdauer mit relativ einfachen Mitteln möglich ist und zwar z. B. durch Anwendung von relativ dünnen Metallblenden. Zur Maskierung von Elektronenbestrahlung sind dagegen vergleichsweise dicke Blenden im Bereich einiger mm bis einige cm erforderlich, welche nicht oder nur schwer mit der erforderlichen Präzision gefertigt bzw. zum bestrahlten Halbleiterwafer justiert werden können. Außerdem entsteht in diesen dicken Blenden Bremsstrahlung, welche zu einer Absenkung der Trägerlebensdauer auch im maskierten Bereich führt.
Bei Elektronenbestrahlungen sind Energien mit mehr als 270keV, vorzugsweise mehr als 500keV Teilchenenergie erforderlich, um Kristallschäden in Silizium zu erzeugen, die als Rekombinationszentren wirken und somit die Ladungsträgerlebensdauer reduzieren. Bei solch hohen Energien wird der Halbleiterkristall von Elektronen weitgehend durchstrahlt, so dass die Rekombinationswirkung praktisch homogen im Kristall eintritt.
Bei der Eindiffusion von Schwermetallatomen wie z. B. Gold oder Platin ist die Rekombinationswirkung ebenfalls sehr homogen über das gesamte Halbleitervolumen mit einer leichten Steigerung in Richtung auf die Halbleiteroberflächen. Die eingebaute Konzentration und damit die Rekombinationswirkung dieser Metallatome ist temperaturabhängig. Um eine ausreichende elektrische Wirksamkeit zu erzielen sind hohe Diffusionstemperaturen oberhalb von etwa 700°C erforderlich, bei welchen diese Schwermetallatome bereits bei kurzen Diffusionszeiten weit diffundieren.
Die Implantation nicht dotierender Atome wie z. B. Helium, Argon, Silizium oder Wasserstoff zur Erzeugung von Kristallschäden, welche dann als Rekombinationszentren wirken, ist bekannt. Allerdings wurde bisher die Implantationsenergie stets so gewählt, dass die implantierten Ionen praktisch vollständig im Halbleiter verbleiben.
Das Beispiel in 9A und 9B zeigt links die Reichweitenverteilung einer Implantation von Helium in Silizium mit einer Energie von 1,0 MeV unter einem Einstrahlwinkel von 0° und rechts die zugehörige Verteilung.
Die Kristallschäden im durchstrahlten Bereich betragen zwischen etwa 2% und 10% der Schäden aus dem Bereich, in welchem die überwiegende Anzahl von Ionen zum Stillstand kommt, dem sog. „End of Range". Diese Art von Implantationen wird daher nur zum lokalen starken Absenken der Trägerlebensdauer verwendet, wobei übliche Trägerlebensdauern im End of Range unter 0,1 μs, meist sogar unter 0,01 μs liegen, während die Trägerlebensdauer im Volumen von bipolaren Bauelementen üblicherweise über 0,1 μs liegen.
Die lokale Absenkung der Trägerlebensdauer wird häufig mit homogenen Methoden der Ladungsträgerlebensdauereinstellung kombiniert.
Solch extreme Absenkungen der Trägerlebensdauern werden häufig zur Reduktion und gezielten Einstellung der Emitterwirkung verwendet. Umgekehrt erfordert eine starke Trägerlebensdauerabsenkung auch entsprechend starke Emitter, die nicht in jedem Fall erwünscht sind und verursacht ihrerseits zusätzliche Streuungen im Emitterwirkungsgrad.
Mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmalig möglich, über das gesamte aktive Halbleitervolumen bzw. große Teile davon eine inhomogene Ladungsträgerlebensdauer ohne lokale Bereiche mit extrem niedrigen Trägerlebensdauern zu erzielen.
Eine Schwierigkeit beim Herstellverfahren zur lokal inhomogenen Ladungsträgerlebensdauereinstellung mittels tiefer Ionenimplantation stellt die Aufgabe dar, die Eindringtiefe und somit die Implantationsenergie mit der genauen Dicke des Bauelements abzugleichen. Beim Dünnen von Bauelementen besteht sehr rasch eine Toleranz im Bereich wenige μm (z. B. +/–5 μm). Die Implantationsenergie wird dagegen hochpräzise eingestellt und führt dazu, dass der Implantationspeak bezogen auf die Rückseite des Bauelements deutlich schwanken kann. Da in der Nähe des Implantationspeaks die Dichte der implantierten Atome und die Kristallschäden stark zunehmen, kann diese Unsicherheit zu starken Schwankungen der Bauelementeigenschaften führen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Implantation zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer durchgeführt, wenn die Halbleiterscheibe mit den einzelnen Bauelementen bereits auf die endgültige Dicke der Bauelemente gedünnt worden ist.
Im Ionenimplanter werden dann sowohl die Halbleiterscheibe als auch ein dahinter liegender Beamdump, in welchem die durch die Halbleiterscheibe transmittierten Ionen aufgefangen werden, mit einer Strommesseinrichtung versehen (s. 10).
Durch das Verhältnis der Stromstärken aus der Halbleiterscheibe und dem Beamdump lässt sich die Reichweiteverteilung in der Halbleiterscheibe bestimmen und notfalls die Implantationsenergie nachregulieren, so dass die Lage des Implantationspeaks zur Rückseite genau definiert werden kann.
Für den Fall, dass der Implantationspeak in der Nähe der Scheibenvorderseite liegen soll und durch die Rückseite implantiert wird, gilt analoges.

1: erfindungsgemäß hergestelltes Halbleiterbauelement
20: Halbleitersubstrat
20a: Oberseite, Vorderseite
20b: Rückseite
30: Strahlung
H: Häufigkeit
ME1: erste Messeinrichtung, Messeinrichtung für den im Halbleitersubstrat 20 absorbierten Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsprozess
ME2: zweite Messeinrichtung, Messeinrichtung für den vom Halbleitersubstrat 20 transmittierten Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsprozess
Z: Tiefe

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements (1), – bei welchem in einem zugrunde liegenden Halbleitersubstrat (20) mit Vorderseite (20a) und mit Rückseite (20b) durch Bestrahlung über die Vorderseite (20a) oder über die Rückseite (20b) als Eintrittsfläche für die Strahlung im Material des Halbleitersubstrats (20) Kristalldefekte erzeugt werden, – wobei – gemessen von der Vorderseite (20a) zur Rückseite (20b) des Halbleitersubstrats (20) – eine inhomogene Kristalldefektdichte derart erzeugt wird, – dass – gemessen von der Vorderseite (20a) zur Rückseite (20b) des Halbleitersubstrats (20) – sich über die Kristalldefekte als Kondensationskeime eine entsprechende inhomogene Verteilung der Trägerlebensdauer einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Teilchenstrahlung zur Bestrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Protonenstrahlung zur Bestrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, bei welchem eine Heliumstrahlung zur Bestrahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Vorderseite (20a) des Halbleitersubstrats (20) als Eintrittsfläche für die Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Rückseite (20b) des Halbleitersubstrats (20) als Eintrittsfläche für die Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Strahlung verwendet wird, deren mittlere Eindringtiefe – insbesondere durch Wahl der Energie der Strahlung – im Material des Halbleitersubstrats (20) die Schichtstärke des Halbleitersubstrats (20), gemessen von der Vorderseite (20a) zur Rückseite (20b), übersteigt, insbesondere um höchstens 10%.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Strahlung verwendet wird, deren projizierte Reichweite – insbesondere durch Wahl der Energie der Strahlung – im Material des Halbleitersubstrats (20) die Schichtstärke des Halbleitersubstrats (20), gemessen von der Vorderseite (20a) zur Rückseite (20b), übersteigt, insbesondere um höchstens 10%.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Strahlung verwendet wird, die – insbesondere durch Wahl der Energie der Strahlung – zu einem Teil wieder aus dem Material des Halbleitersubstrats (20) austritt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats (20) wieder austritt, 50% oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats (20) wieder austritt, 90% oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats (20) wieder austritt, 97,5% oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Anteil der Strahlung, welcher aus dem Material des Halbleitersubstrats (20) wieder austritt, 99% oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem vor der Bestrahlung sämtliche Dotiergebiete des Halbleiterbauelements (1) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem vor der Bestrahlung etwaige Temperaturschritte, insbesondere oberhalb einer Temperatur von 700°C, durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem nach der Bestrahlung ein Tempervorgang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Tempervorgang bei einer Temperatur durchgeführt wird, die oberhalb der Betriebstemperatur des auszubildenden Bauelements (1) liegt und/oder die im Bereich von etwa 220°C bis etwa 340°C liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei welchem die Bestrahlung mit einer Elektronenbestrahlung und/oder mit einer Platindiffusion kombiniert wird und/oder – bei welchem Platin und/oder Gold vor der Bestrahlung eindiffundiert und nach der Bestrahlung durch einen oder einen weiteren Temperschritt umverteilt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die mittlere Eindringtiefe, die projizierte Reichweite und/oder die Energie der Strahlung bei gegebenem zugrunde liegenden Halbleitersubstrat (20) durch einen geschlossenen funktionalen Zusammenhang oder durch einen geschlossenen mathematischen Ausdruck, vorzugsweise durch eine quadratische Gleichung miteinander in Beziehung gesetzt und ermittelt werden, weiter vorzugsweise gemäß einem Zusammenhang (1): y = a · x2 + b·x + c (1)wobei y die Reichweite, insbesondere in μm gemessen, x die Implantationsenergie, insbesondere in MeV gemessen, und a, b, c Parameter bedeuten und wobei letztere für Protonen Werte gemäß (2) a = 5,7542, b = 14,13 und c = 1,2711 (2)und für Helium Werte gemäß (3) a = 0,4289, b = 2,6626 und c = 0,3385 (3)annehmen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die mittlere Eindringtiefe, die projizierte Reichweite und/oder die Energie der Strahlung bei gegebenem zugrunde liegenden Halbleitersubstrat (20) mittels eines Tabellenausleseverfahrens miteinander in Beziehung gesetzt und ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein bipolares Bauelement, eine Diode, ein IGBT, ein GTO, ein Thyristor oder ein Transistor hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein zusätzlicher oder der zusätzliche Temperschritt bei einer Temperatur zwischen etwa 220°C und etwa 900°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein zusätzlicher oder der zusätzliche Temperschritt für eine Zeitspanne zwischen etwa 10 Sekunden und etwa 10 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem im Halbleitersubstrat zusätzlich eine laterale Variation der Verteilung der Trägerlebensdauer ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem die zusätzliche laterale Variation der Verteilung der Trägerlebensdauer über Blenden ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 24 oder 25, bei welchem die zusätzliche laterale Variation der Verteilung der Trägerlebensdauer über Metallblenden ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, – bei welchem mittels einer ersten Messeinrichtung (ME1) der im Halbleitersubstrat (20) absorbierte Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang gemessen wird, – bei welchem mittels einer zweiten Messeinrichtung (ME2) der durch das Halbleitersubstrat (20) transmittierte Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang gemessen wird, und – bei welchem die Implantationsenergie eingestellt und an die vertikale Stärke des Halbleitersubstrats (20) angepasst wird über eine Bestimmung und Auswertung des Verhältnisses des transmittierten Anteils des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang zum absorbierten Anteil des Innenstroms aus dem Implantationsvorgang.