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Querverweis auf betreffende
Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung
Nr. 2006-161931, die am 12. Juni 2006 eingereicht wurde und deren
Inhalt hiermit durch Bezugnahme in der folgenden Anmeldung enthalten
ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Im
Allgemeinen weist eine Halbleitervorrichtung ein Siliziumsubstrat
auf, das mehrere Halbleiterbereiche aufweist. Die Halbleitervorrichtung
ist als ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), ein MOSFET
(Metalloxid-Halbleiterfeld-effekttransistor) oder eine Diode entsprechend
der Konfiguration und der Positionsbeziehung der Halbleiterbereiche
gekennzeichnet. Die Halbleitervorrichtung weist außerdem zwei
Hauptelektroden auf, wobei eine der Hauptelektroden (eine Oberflächenelektrode)
auf einer oberen Oberfläche
des Siliziumsubstrats ausgebildet ist und die andere Hauptelektrode
(eine rückwärtige Elektrode)
auf einer Bodenfläche
des Siliziumsubstrats ausgebildet ist. Um die Halbleitervorrichtung
auf ein Keramiksubstrat zu löten,
kann die rückwärtige Elektrode
mehrere Halbleiterschichten aufweisen.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift H10-163467 offenbart eine Halbleitervorrichtung,
die ein Siliziumsubstrat und eine Kollektorelektrode (ein Beispiel
einer rückwärtigen Elektrode)
aufweist, wobei die Kollektorelektrode mehrere Halbleiterschichten
aufweist. Die Kollektorelektrode weist eine erste Leiterschicht,
eine zweite Leiter schicht und eine dritte Leiterschicht auf. Die
erste Leiterschicht kontaktiert die Oberfläche des Siliziumsubstrats und
beinhaltet Aluminium. Die zweite Leiterschicht kontaktiert die erste
Leiterschicht und beinhaltet Titan. Die dritte Halbleiterschicht
ist von der ersten Halbleiterschicht durch die zweite Halbleiterschicht
getrennt und beinhaltet Nickel. Die erste Halbleiterschicht kann
die elektrischen Kontakteigenschaften zwischen der Oberfläche des
Siliziumsubstrats und der Kollektorelektrode verbessern. Die zweite
Halbleiterschicht kann die Hafteigenschaften zwischen der ersten
Leiterschicht und der dritten Leiterschicht verbessern und kann
ebenfalls verhindern, dass das Nickel in der dritten Leiterschicht
in die erste Leiterschicht diffundiert. Die dritte Leiterschicht
kann die Hafteigenschaften zwischen der Kollektorelektrode und dem Lötmittel
verbessern.
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Wenn
diese Art von Halbleitervorrichtung an das Keramiksubstrat gelötet wird,
ist die Halbleitervorrichtung Wärme
ausgesetzt, da das Lötmittel
auf die Kollektorelektrode geschmolzen wird. Im Allgemeinen wird
die Wärmemenge,
die durch Schmelzen des Lötmittels
freigegeben wird, auf eine Temperatur zwischen 200 und 450°C derart
eingestellt, dass die Wärme
die Oberflächenstruktur
(beispielsweise die Passivierungsmaske oder die Oberflächenelektrode, die
aus Aluminium besteht) der Halbleitervorrichtung nicht beeinflusst.
Sogar wenn die Temperatur auf innerhalb eines derartigen Bereiches
eingestellt wird, wird jedoch ein Teil des Siliziums, das in dem
Siliziumsubstrat vorhanden ist, in die erste Leiterschicht diffundieren.
In diesem Fall werden viele Leerräume in der Oberfläche des
Siliziumsubstrats ausgebildet, während
Aluminium in der ersten Leiterschicht in die Leerräume eindringt.
Als Ergebnis werden viele Aluminiumspitzen an der Grenze zwischen
dem Siliziumsubstrat und der ersten Leiterschicht ausgebildet.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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In
der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Technik wird
die erste Leiterschicht anfänglich
mit Silizium dotiert. Da die erste Leiterschicht Silizium enthält, kann
die Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat in die erste
Leiterschicht gehemmt bzw. verringert werden. Daher kann die Ausbildung
von Aluminiumspitzen ebenfalls gehemmt bzw. verringert werden.
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Um
die Ausbildung von Aluminiumspitzen weiter zu verringern, haben
die Erfinder den Typ der Elektrode, die in Halbleitervorrichtungen
verwendet wird, untersucht. Als Ergebnis haben die Erfinder einen
Bereich gefunden, der eine hohe Konzentration an Silizium enthält und um
die Grenze zwischen der ersten Leiterschicht und der zweiten Leiterschicht
angeordnet ist. Von diesem Bereich, der eine hohe Konzentration
an Silizium enthält,
wird angenommen, dass er das Ergebnis einer Bindung von Silizium
in der ersten Leiterschicht an Titan in der zweiten Leiterschicht
ist. D.h., es wird angenommen, dass ein Teil des Siliziums in der
ersten Leiterschicht in Richtung der Seite der zweiten Leiterschicht
neu verteilt wird, und sich das Silizium dann stark an das Titan
in der zweiten Leiterschicht an der Grenze zwischen der ersten Leiterschicht
und der zweiten Leiterschicht bindet. Daher variiert die Konzentration
des Siliziums in der ersten Leiterschicht über der Tiefe der ersten Leiterschicht,
so dass die Konzentration von Silizium an der Seite des Siliziumsubstrats
niedriger ist. Es wird angenommen, dass die niedrigere Konzentration
des Siliziums in der ersten Leiterschicht an der Seite des Siliziumsubstrats
die Diffusion von Silizium in die erste Leiterschicht aktiviert.
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Die
Erfinder haben ebenfalls eine natürliche bzw. natürliche Oxidschicht,
die auf der Oberfläche des
Siliziumsubstrats ausgebildet ist, betrachtet. Die natürliche Oxidschicht
wird zwangsweise auf der Oberfläche
der Siliziumsubstrate, die unter Verwendung der derzeitigen Herstellungstechnik
hergestellt werden, ausgebildet. Die natürliche Oxidschicht weist eine
ungleichmäßige Dicke
auf. Es wird angenommen, dass die Aluminiumspitzen sich als Ergebnis
der ungleichmäßigen Dicke
der natürlichen
Oxidschicht ausbilden.
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Die
Erfinder können
eine Technik zum weiteren Unterdrücken der Ausbildung von Aluminiumspitzen
entsprechend dem zuvor genannten neuen technischen Wissen bereitstellen.
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In
der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Technik weist
eine Halbleitervorrichtung ein Siliziumsubstrat mit einer Oberfläche zum
Löten des
Siliziumsubstrats an ein Keramiksubstrat und eine Elektrode auf,
die die Oberfläche
des Silizi umsubstrats kontaktiert. Die Elektrode weist eine erste Leiterschicht,
eine zweite Leiterschicht und eine dritte Leiterschicht auf. Die
erste Leiterschicht kontaktiert die Oberfläche des Siliziumsubstrats und
enthält Aluminium
und Silizium. Die zweite Leiterschicht kontaktiert die erste Leiterschicht
und enthält
Titan. Die dritte Leiterschicht ist von der ersten Leiterschicht durch
die zweite Leiterschicht getrennt und enthält Nickel. Diese Zusammensetzung
weist spezielle technische Vorteile auf, die in der Vergangenheit nicht
identifiziert wurden. Da die erste Leiterschicht mit Silizium dotiert
ist, kann die Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat in
die erste Leiterschicht verringert werden. Daher kann die Ausbildung
von Aluminiumspitzen ebenfalls verringert werden.
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In
der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Technik können ebenfalls
Maßnahmen zum
Verbessern der obigen Halbleitervorrichtung geschaffen werden. Als
Ergebnis kann die in der vorliegenden Beschreibung beschriebene
Technik eine Halbleitervorrichtung bereitstellen, die die Ausbildung
von Aluminiumspitzen drastisch verringert.
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Gemäß einer
der Halbleitervorrichtungen, für die
die folgenden Maßnahmen
angewendet werden, ist es vorteilhaft, wenn eine Dicke der ersten
Leiterschicht größer als
oder gleich 600 nm ist.
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In
einem Fall, in dem die Dicke der ersten Leiterschicht größer als
oder gleich 600 nm ist, wird das Silizium in der ersten Leiterschicht
an der Seite des Siliziumsubstrats kaum neu verteilt, und zwar sogar
dann nicht, wenn Silizium in der ersten Leiterschicht an der Seite
der zweiten Leiterschicht in Richtung der Grenze zwischen der ersten
Leiterschicht und der zweiten Leiterschicht neu verteilt wird. Daher kann
die Konzentration des Siliziums in der ersten Leiterschicht an der
Seite des Siliziumsubstrats sowohl vor als auch nach der Anwendung
von Wärme auf
die Elektrode während
des Lötens
der Halbleitervorrichtung an das Keramiksubstrat aufrechterhalten werden.
Bei der obigen Halbleitervorrichtung kann die Ausbildung von Aluminiumspitzen
an der Oberfläche
des Siliziumsubstrats verringert werden.
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Bei
einer anderen der Halbleitervorrichtungen, für die die folgenden Maßnahmen
angewendet werden, ist es vorteilhaft, wenn die Konzentration von Silizium
in der ersten Leiterschicht über
der Tiefe der ersten Leiterschicht variiert, so sich dass eine Konzentration
von Silizium bei einer Tiefe zwischen der Oberfläche, die das Siliziumsubstrat
kontaktiert, und der Oberfläche,
die die zweite Leiterschicht kontaktiert, verringert. In diesem
Fall ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der Oberfläche, die
das Siliziumsubstrat kontaktiert, und der Tiefe, bei der die Konzentration
von Silizium sich in der ersten Leiterschicht auf einem Minimum
befindet, größer als
oder gleich 50 nm ist.
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Die
obige Beschreibung erläutert
einen Zustand der Elektrode nach der Wärmefreigabe bzw. dem Aussetzen
von Wärme
zum Löten
der Halbleitervorrichtung an das Keramiksubstrat. Im Allgemeinen
variiert die Konzentration des Siliziums über der Tiefe der ersten Leiterschicht
nach dem Aussetzen der Wärme.
Wenn der Punkt, an dem sich die Konzentration des Siliziums auf
einem Minimum befindet, oberhalb einer eingestellten Position in
Bezug auf das Siliziumsubstrat eingestellt ist, ergibt sich, dass die
Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat in die erste Leiterschicht
verringert wird. Wenn sich daher die Konzentration des Siliziums
in der ersten Leiterschicht in dem obigen Zustand befindet, ergibt sich,
dass die Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat in die
erste Leiterschicht verringert wird. Bei der obigen Halbleitervorrichtung
kann die Ausbildung von Aluminiumspitzen an der Oberfläche des Siliziumsubstrats
verringert werden.
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Bei
einer anderen der Halbleitervorrichtungen, für die die folgenden Maßnahmen
angewendet werden, ist es vorteilhaft, wenn die Konzentration des Siliziums
in der ersten Leiterschicht zwischen einer Oberfläche, die
das Siliziumsubstrat kontaktiert, und einer Tiefe von 25 nm von
der Oberfläche,
die das Siliziumsubstrat kontaktiert, im wesentlichen auf demselben
Wert vor und nach der Aussetzung der Wärme als Ergebnis des Lötens der
Halbleitervorrichtung an das Keramiksubstrat verbleibt.
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Der
Ausdruck "im wesentlichen
auf demselben Wert verbleiben" meint
eine Rate der Veränderung,
die kleiner als oder gleich 25% ist.
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Da
sich die Konzentration des Siliziums in dem Bereich, der oben beschrieben
ist, im wesentlichen nicht verringert und statt dessen eine Konzentration
aufrecht erhält,
die der Konzentration vor dem Aussetzen der Wärme vergleichbar ist, wird
die Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat zur ersten Leiterschicht
verringert. Daher kann in der obigen Halbleitervorrichtung die Ausbildung
von Aluminiumspitzen an der Oberfläche des Siliziumsubstrats verringert
werden.
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Bei
einer anderen der Halbleitervorrichtungen, für die die weiteren Maßnahmen
angewendet werden, ist es vorteilhaft, wenn die Grenze zwischen dem
Siliziumsubstrat und der ersten Leiterschicht frei von natürlichem
Oxid ist.
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Bei
der obigen Halbleitervorrichtung ist die Oberfläche des Siliziumsubstrats eine
flache Oberfläche,
da das natürliche
Oxid auf der Oberfläche
des Siliziumsubstrats nicht vorhanden ist. Da die Oberfläche des
Siliziumsubstrats eine flache Oberfläche ist, ist die Anzahl der
Startpunkte zur Ausbildung von Aluminiumspitzen geringer. Daher
kann die Ausbildung von Aluminiumspitzen auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats
verringert werden.
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Bei
der obigen Halbleitervorrichtung ist es vorteilhaft, wenn das Siliziumsubstrat
einen Kollektorbereich aufweist, der innerhalb der Oberfläche des Siliziumsubstrats
ausgebildet ist, wobei der Kollektorbereich eine Verunreinigung
vom p-Typ aufweist.
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Die
obige Halbleitervorrichtung ist als ein IGBT gekennzeichnet. In
einem IGBT wird sich, wenn sich eine Aluminiumspitze in dem Kollektorbereich ausbildet,
die Qualität
des IGBT beachtlich verschlechtern. Daher ist die in der vorliegenden
Beschreibung beschriebene Technik insbesondere für einen IGBT nützlich,
um dessen Eigenschaften zu stabilisieren.
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Es
ist vorteilhaft, wenn irgendeine der obigen Halbleitervorrichtungen
für ein
Modul angewendet wird. Das Modul weist eine der obigen Halbleitervorrichtungen
und ein Keramiksubstrat auf. In diesem Fall ist es vorteilhaft,
wenn die Halbleitervorrichtung an das Keramiksubstrat gelötet ist.
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In
der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Technik kann
ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt
werden. Das Verfahren wird für
eine Halbleitervorrichtung angewendet, die ein Siliziumsubstrat,
eine erste Leiterschicht, eine zweite Leiterschicht und eine dritte
Leiterschicht aufweist. Das Verfahren weist einen Schritt auf, bei
dem eine Oberfläche
des Siliziumsubstrats mittels einer inversen Sputter-Technik unter Verwendung
einer Sputter-Vorrichtung geätzt
wird. Das Verfahren weist außerdem
einen Schritt auf, bei dem die erste Leiterschicht auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats
mittels einer Sputter-Technik unter Verwendung der Sputter-Vorrichtung
ausgebildet wird, wobei der Siliziumsubstrat-Ätzschritt und der Schritt des
Ausbildens der ersten Leiterschicht aufeinanderfolgend unter Vakuum
durchgeführt
werden. Das Verfahren weist außerdem
einen Schritt auf, bei dem die zweite Leiterschicht auf der ersten
Leiterschicht mittels der Sputter-Technik ausgebildet wird, und
einen Schritt, bei dem die dritte Leiterschicht auf der zweiten
Leiterschicht mittels der Sputter-Technik ausgebildet wird. Bei
diesem Verfahren enthält
die erste Leiterschicht Aluminium und Silizium, die zweite Leiterschicht
enthält
Titan und die dritte Leiterschicht enthält Nickel.
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In
dem obigen Verfahren wird der Siliziumsubstrat-Ätzschritt durchgeführt, bevor
die erste Leiterschicht ausgebildet wird. Wenn die Oberfläche des Siliziumsubstrats
geätzt
ist, wird das natürliche
Oxid von der Oberfläche
des Siliziumsubstrats entfernt, und die Oberfläche des Siliziumsubstrats wird
geglättet.
Da der Siliziumsubstrat-Ätzschritt
und der Schritt des Ausbildens der ersten Leiterschicht aufeinanderfolgend
durchgeführt
werden, ist das Siliziumsubstrat keiner Luft ausgesetzt. Daher kann
in dem Schritt des Ausbildens der ersten Leiterschicht die erste
Leiterschicht auf der Oberfläche
des Siliziumsubstrats ohne Anwesenheit von natürlichem Oxid ausgebildet werden.
Bei der Halbleitervorrichtung, die unter Verwendung des obigen Herstellungsverfahrens
hergestellt wird, wird die Anzahl der Startpunkte für die Ausbildung
von Aluminiumspitzen verringert, und als Ergebnis kann die Ausbildung
der Aluminiumspitzen an der Oberfläche des Siliziumsubstrats verringert bzw.
gehemmt werden.
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In
der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Technik kann
ein Verfahren zum Herstellen des obigen Moduls bereitgestellt werden.
Das Verfahren weist einen Schritt auf, bei dem die Halbleitervorrichtung
an das Keramiksubstrat derart gelötet wird, dass die Temperatur
auf einem Pegel von weniger als oder gleich 400°C aufrechterhalten wird. Falls
notwendig, ist es außerdem
vorteilhaft, wenn die erste Leiterschicht in der Halbleitervorrichtung derart
ausgebildet wird, dass die Dicke der ersten Leiterschicht größer als
oder gleich 600 nm ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Querschnittsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform.
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2 zeigt
ein Querschnittsdiagramm eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm für
die Anbringung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
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4 zeigt
ein Profil der Konzentration von Silizium in einer ersten Leiterschicht über der
Tiefe der ersten Leiterschicht.
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5 zeigt
den Zustand einer Bodenfläche eines
Siliziumsubstrats anschließend
an eine Wärmeaussetzung
unter den folgenden Bedingungen: zwei mal 10-minütige Aussetzung bei 375°C.
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6 zeigt
den Zustand einer Bodenfläche eines
Siliziumsubstrats anschließend
an eine Wärmeaussetzung
unter den folgenden Bedingungen: zwei mal 10-minütige Aussetzung bei 400°C.
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7 zeigt
den Zustand einer Bodenfläche eines
Siliziumsubstrats anschließend
an eine Wärmeaussetzung
unter den folgenden Bedingungen: zwei mal 10-minütige Aussetzung bei 425°C.
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8 zeigt
den Prozess der Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
in der Stufe (1).
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9 zeigt
den Prozess der Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform
in der Stufe (2).
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt
ein Querschnittsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 10.
Die Halbleitervorrichtung 10 ist als ein IGBT vom PT-Typ
(Punch Through) gekennzeichnet. In 1 sind die
Bezugszeichen der sich wiederholenden Merkmale weggelassen, um die Figur
zu vereinfachen.
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Die
Halbleitervorrichtung 10 weist ein Siliziumsubstrat 30 und
eine Kollektorelektrode 20 auf, die eine Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 kontaktiert. Die Kollektorelektrode 20 weist
eine erste Leiterschicht 28, eine zweite Leiterschicht 26 und
eine dritte Leiterschicht 24 auf. Die erste Leiterschicht 28,
die zweite Leiterschicht 26 und die dritte Leiterschicht 24 sind
auf der Bodenfläche
des Siliziumsubstrats 30 gestapelt. Die erste Leiterschicht 28 kontaktiert
die Bodenfläche
des Siliziumsubstrats 30. Die zweite Leiterschicht 26 kontaktiert
die erste Leiterschicht 28 und die dritte Leiterschicht 24.
Die dritte Leiterschicht 24 ist von der ersten Leiterschicht 28 durch
die zweite Leiterschicht 26 getrennt. Die dritte Leiterschicht 24 ist
mit einer Deckschicht 22 aus Gold (Au) bedeckt.
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Die
erste Leiterschicht 28 enthält Aluminium und Silizium.
Die Dicke 28a der ersten Leiterschicht 28 über ihre
Tiefe wird derart eingestellt, dass sie größer als oder gleich 600 nm
ist. Die zweite Leiterschicht 26 enthält Titan. Die Dicke der zweiten
Leiterschicht 26 über
ihre Tiefe ist derart eingestellt, dass sie näherungsweise 200 nm beträgt. Die
dritte Leiterschicht 24 enthält Nickel. Die Dicke der dritten
Leiterschicht 24 entlang der Tiefenrichtung wird derart
eingestellt, dass sie näherungsweise
700 nm beträgt. Die
Dicke der Deckschicht 22 ist derart eingestellt, dass sie
100 nm beträgt.
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Die
erste Leiterschicht 28 kann die elektrischen Kontakteigenschaften
zwischen der Kollektorelektrode 20 und einem Kollektorbereich 32,
der innerhalb des Siliziumsubstrats 30 an der Bodenfläche ausgebildet
ist, verbessern. Die zweite Leiterschicht 26 kann die Hafteigenschaften
zwischen der ersten Leiterschicht 28 und der dritten Leiterschicht 24 verbessern
und ebenfalls verhindern, dass Nickel in der dritten Leiterschicht 24 in
die erste Leiterschicht 28 diffundiert. Die dritte Leiterschicht 24 kann
die Hafteigenschaften zwischen der Kollektorelektrode 20 und dem
Lötmittel
verbessern. Die Deckschicht 22 kann die Lötbarkeit
verbessern.
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Die
Halbleitervorrichtung 10 ist mit mehreren Halbleiterbereichen,
die innerhalb des Siliziumsubstrats 30 ausgebildet sind,
versehen. Ein Kollektorbereich 32 ist innerhalb des Siliziumsubstrats 30 an
der Bodenfläche
ausgebildet. Der Kollektorbereich 32 enthält eine
hohe Konzentration von Verunreinigungen vom p-Typ (typischerweise
Bor). Der Kollektorbereich 32 wird mittels einer Ionenimplantationstechnik
derart ausgebildet, dass Ionen in Richtung der Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 implantiert werden. Es ist vorteilhaft,
wenn die Konzentration der Verunreinigungen vom p-Typ des Kollektorbereichs 32 und
die Dicke des Kollektorbereichs 32 über dessen Tiefe derart eingestellt
werden, dass die Zufuhr einer positiven Ladung von dem Kollektorbereich 32 in
dem Durchlasszustand niedrig ist.
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Ein
Pufferbereich 34 ist auf dem Kollektorbereich 32 ausgebildet.
Der Pufferbereich 34 enthält eine hohe Konzentration
von Verunreinigungen vom n-Typ (typischerweise Phosphor). Der Pufferbereich 34 wird
mittels einer Ionenimplantationstechnik derart ausgebildet, dass
Ionen in Richtung der Bodenfläche
des Siliziumsubstrats 30 implantiert werden. Der Pufferbereich 34 verhindert,
dass die Verarmungsschicht, die sich von der Grenze zwischen dem
Körperbereich
(body region) 38 und dem Driftbereich (drift region) 36 erstreckt,
den Kollektorbereich 32 erreicht.
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Der
Driftbereich 36 ist auf dem Pufferbereich 34 ausgebildet.
Der Driftbereich 36 enthält eine niedrige Konzentration
von Verunreinigungen vom n-Typ (typischerweise Phosphat). Die Dicke
des Driftbereichs 36 über
dessen Tiefe wird entsprechend der Durchbruchspannung, die für die Halbleitervorrichtung 10 gefordert
ist, eingestellt.
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Der
Körperbereich 38 ist
auf dem Driftbereich 36 ausgebildet. Der Körperbereich 38 enthält Verunreinigungen
vom p-Typ (typischerweise Phosphor). Der Körperbereich 38 wird
mittels einer Ionenimplantationstechnik derart ausgebildet, dass
Ionen in Richtung der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 30 implantiert
werden.
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Mehrere
Emitterbereiche 42 sind wahlweise in dem Körperbereich 38 an
der oberen Oberfläche des
Siliziumsubstrats 30 ausgebildet. Die Emitterbereiche 42 enthalten
eine hohe Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ (typischerweise
Phosphor). Die Emitterbereiche 42 werden mittels einer
Ionenimplantationstechnik derart ausgebildet, dass Ionen in Richtung
der oberen Oberfläche
des Siliziumsubstrats 30 implantiert werden. Die Emitterbereiche 42 sind
von dem Driftbereich 36 durch den Körperbereich 38 getrennt.
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Die
Halbleitervorrichtung 10 weist außerdem mehrere Grabengateelektroden 46 auf.
Jede Grabengateelektrode 46 erstreckt sich von der oberen Oberfläche des
Siliziumsubstrats 30 in den Driftbereich 36. Die
Grabengateelektrode 46 ist von dem Körperbereich 38 und
dem Driftbereich 36 durch einen Gateisolator 44 isoliert.
Die Grabengateelektrode 46 ist von dem Gateisolator 44 bedeckt.
Die Grabengateelektrode 46 ist benachbart zu demjenigen Teil
des Körperbereichs 38,
der den Emitterbereich 42 und den Driftbereich 36 voneinander
trennt, wobei der Gateisolator 44 zwischen der Grabengateelektrode 46 und
dem Körperbereich 38 positioniert
ist. Die Grabengateelektrode 46 besteht aus einem leitenden Material
(beispielsweise polykristallinem Silizium oder Metall). Der Gateisolator 44 besteht
aus Siliziumoxid.
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Eine
Emitterelektrode 52 ist auf dem Siliziumsubstrat 30 ausgebildet.
Die Emitterelektrode 52 besteht aus Aluminium. Die Emitterelektrode 52 ist elektrisch
mit dem Körperbereich 38 und
dem Emitterbereich 42 verbunden. Die Emitterelektrode 52 ist elektrisch
gegenüber
der Grabengateelektrode 46 durch eine Isolierschicht 48 isoliert.
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2 zeigt
ein Querschnittsdiagramm eines Moduls 100, das die Halbleitervorrichtung 10 und
ein Keramiksubstrat 72 aufweist. Die Halbleitervorrichtung 10 ist
auf dem Keramiksubstrat 72 montiert. Die Halbleitervorrichtung 10 ist
mit dem Keramiksubstrat 72 mittels eines Lötmittels 74 verbunden.
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Das
Modul 100 wird gemäß dem Flussdiagramm
der 3 ausgebildet.
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Zunächst wird
ein Schritt durchgeführt,
bei dem verschiedene Typen von Halbleiterbereichen in dem Siliziumsubstrat 30 ausgebildet
werden. Wenn der nächste
Schritt durchgeführt
wird, wird eine Oberflächenstruktur
auf der oberen Oberfläche
des Siliziumsubstrats 30 ausgebildet, wobei die Oberflächenstruktur
die Emitterelektrode 52, die Isolierschicht 48 und
eine Polyimidpassivierungsmaske enthält. Anschließend wird
ein Schritt durchgeführt,
bei dem die Kollektorelektrode 20 auf der Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 ausgebildet wird. Danach wird ein Schritt
durchgeführt,
bei dem das Siliziumsubstrat 30 unterteilt wird (Dicing).
Als Ergebnis wird das Siliziumsubstrat 30 in mehrere Halbleitervorrichtungen 10 unterteilt.
Anschließend
wird ein Chip-Test durchgeführt,
um zu bestimmen, ob die Halbleitervorrichtung 10 für die Verwendung
geeignet ist. Anschließend werden
die Halbleitervorrichtungen 10, die den Chip-Test bestehen,
an Keramiksubstrate 72 gelötet (während des Schrittes des Aufschmelzlötens). Die Temperatur,
die zum Schmelzen des Lötmittels 74 verwendet
wird, wird zwischen 200 und 450°C
eingestellt, um die Freigabe von Wärme auf die Halbleitervorrichtung
zu steuern. Unter derartigen Bedingungen beeinflusst die Wärmefreigabe
die Oberflächenstrukturen
wie beispielsweise die Aluminiumemitterelektrode 5 und
die Polyimidpassivierungsmaske nicht. Anschließend wird ein Zusammenbau-
und Beurteilungsschritt durchgeführt,
um die Halbleitervorrichtung 10 zu testen, um zu gewährleisten,
dass diese den Herstellungsspezifikationen genügt.
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Wie
es oben beschrieben ist, tritt während des
Aufschmelzlötschrittes
eine Wärmefreigabe
auf, da das Lötmittel 74 geschmolzen
wird. An diesem Punkt wirkt die Wärme auf die Kollektorelektrode 20.
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4 zeigt
ein Profil der Siliziumkonzentration über der Tiefe der ersten Leiterschicht 28 vor
und nach der Wärmefreigabe.
Die gestrichelte Linie zeigt das Profil der Siliziumkonzentration
vor der Wärmefreigabe,
und die durchgezogene Linie zeigt das Profil der Siliziumkonzentration
nach der Wärmefreigabe.
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Als
ein Vergleichsbeispiel zeigt die Doppelpunkt-Strich-Linie die Profile
der Siliziumkonzentration der dünneren
ersten Leiterschicht 28 nach der Wärmefreigabe. In dem Vergleichsbeispiel
zeigt die gestrichelte Linie 121 die Grenze zwischen der
ersten Leiterschicht 28 und der zweiten Leiterschicht 26. Das
Vergleichsbeispiel stellt dar, dass Silizium in der ersten Leiterschicht 28 in
Richtung der Grenze 121 diffundiert und sich demzufolge
an der Grenze 121 konzentriert. Da das Silizium in die
erste Leiterschicht 28 diffundiert, ändert sich daher die Siliziumkonzentration
in der ersten Leiterschicht 28 ebenfalls und als Ergebnis
verringert sich die Siliziumkonzentration über der Tiefe der ersten Leiterschicht 28,
wenn sie das Siliziumsubstrat 30 erreicht. Wenn sich die
Konzentration des Siliziums in der ersten Leiterschicht 28 in
der Nähe
des Siliziumsubstrats 30 verringert, wird ein Teil des
Siliziums in dem Siliziumsubstrat 30 in die erste Leiterschicht 28 diffundieren,
um die lokalisierte Verringerung der Siliziumkonzentration zu kompensieren.
Diese Diffusion bewirkt die Ausbildung der Aluminiumspitze. Die
Höhe der
Aluminiumspitze kann zwischen 0,2 und 0,8 μm betragen. Wenn sich die Siliziumkonzentration
in dem Teil der ersten Leiterschicht 28 zwischen der Oberfläche, die
das Siliziumsubstrat 30 kontaktiert, und einer Tiefe von
25 nm von der Oberfläche,
die das Siliziumsubstrat 30 kontaktiert, verringert, tritt
eine Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat 30 in
die erste Leiterschicht 28 auf. Wenn sich die Konzentration
des Siliziums in dem obigen Bereich auf unterhalb 0,25 Gew.-% verringert,
wird die Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat 30 in
die erste Leiterschicht 28 aktiviert und außerdem wird
die Ausbildung einer Aluminiumspitze aktiviert.
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In
einem Dünnschicht-IGBT
stellt die Ausbildung von Aluminiumspitzen ein ernstes Problem dar. Um
den Schaltverlust zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn die Dicke 32a des
Kollektorbereichs 32 kleiner als 1 μm beträgt. In einem derartigen dünneren Kollektorbereich 32 kann
jedoch die Aluminiumspitze den Kollektorbereich 32 durchdringen
und den Pufferbereich 34 erreichen. Daher kann die Kollektorelektrode 20 elektrisch
mit dem Pufferbereich 34 verbunden werden. Wenn die Kollektorelektrode 20 elektrisch
mit dem Pufferbereich 34 verbunden ist, wird die Durchbruchspannung
der Halbleitervorrichtung signifikant verringert. Daher sind in
einem Dünnschicht-IGBT Maßnahmen
zur Verringerung der Ausbildung von Aluminiumspitzen besonders nützlich.
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In
der Halbleitervorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform
erhöht
sich die Dicke der ersten Leiterschicht 28. In diesem Fall
diffundiert, wenn eine Wärmefreigabe
auftritt, ein Teil des Siliziums in der ersten Leiterschicht 28 an
der Seite der zweiten Leiterschicht 26 in Richtung der
Grenze 21 zwischen der ersten Leiterschicht 28 und
der zweiten Leiterschicht 26. Daher wird sich die Konzentration
des Siliziums in der ersten Leiterschicht 28 verringern, wenn
sie die zweite Leiterschicht 26 erreicht. Die minimale
Konzentration des Siliziums in der ersten Leiterschicht 28 in
dem Bereich 28b kann weniger als 0,25 Gew.-% betragen.
In der Halbleitervorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform
hält die
Konzentration des Siliziums der ersten Leiterschicht 28 an
der Seite des Siliziumsubstrats 30 jedoch im Wesentlichen
denselben Wert vor und nach der Wärmefreigabe aufrecht. In der
Halbleitervorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform
hält die
Konzentration des Siliziums in der ersten Leiterschicht 28 zwischen
der Oberfläche,
die das Siliziumsubstrat 30 kontaktiert, und einer Tiefe
von 25 nm von der Oberfläche,
die das Siliziumsubstrat 30 kontaktiert, im wesentlichen
denselben Wert vor und nach der Wärmefreigabe aufrecht. In anderer
Hinsicht ist der Abstand zwischen der Oberfläche, die das Siliziumsubstrat 30 kontaktiert,
und der Tiefe des Bereichs 28b, d.h. des Bereichs, an dem
sich die Siliziumkonzentration in der ersten Leiterschicht 28 auf
einem Minimum befindet, größer als
oder gleich 50 nm. Daher verringert sich die Konzentration des Siliziums
in dem obigen Bereich nicht wesentlich und hält statt dessen eine Konzentration
aufrecht, die mit der Konzentration vor der Wärmefreigabe vergleichbar ist,
und die Diffusion von Silizium von dem Siliziumsubstrat 30 in
die erste Leiterschicht 28 wird verringert. In der Halbleitervorrichtung 10 der
vorliegenden Ausführungsform
kann die Ausbildung von Aluminiumspitzen in dem Siliziumsubstrat 30 verringert
werden.
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Im
Folgenden werden die Ergebnisse des Studiums der Ausbildung von
Aluminiumspitzen genauer erläutert.
Die Parameter, die in der Studie der Wärmefreigabe berücksichtigt
wurden, sind die Dicke der ersten Leiterschicht 28 und
die Temperatur der Wärmefreigabe
bzw. Wärmeaussetzung.
Die 5, 6 und 7 zeigen
die Bodenfläche
der Siliziumsubstrate 30 anschließend an die Wärmefreigabe in
einem Bereich von Bedingungen. Außerdem wurden sämtliche
Bilder in den 5, 6 und 7 mit
derselben Verstärkung
aufgenommen und weisen identische Skalierungen auf.
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5 zeigt
den Zustand der Bodenfläche
eines Siliziumsubstrats 30 anschließend an eine Wärmefreigabe
bei 375°C
für zwei
mal 10 Minuten. Wenn die erste Leiterschicht 28 200 nm
oder 400 nm dick ist, bilden sich Aluminiumspitzen 29 aus.
Die Anzahl der Aluminiumspitzen in der Probe mit der 400 nm dicken
ersten Leiterschicht 28 ist jedoch kleiner als die Anzahl
der Aluminiumspitzen in der Probe mit der 200 nm dicken ersten Leiterschicht 28.
Wenn die Dicke der ersten Leiterschicht 28 größer als
oder gleich 600 nm ist, bilden sich keine Aluminiumspitzen aus.
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6 zeigt
den Zustand der Bodenfläche
eines Siliziumsubstrats 30 anschließend an die Wärmefreigabe
bei 400°C
für zwei
mal 10 Minuten. Wenn die erste Leiterschicht 200, 400, 600 oder
800 nm dick ist, bilden sich Aluminiumspitzen 29 aus. Wenn jedoch
die Dicke der ersten Leiterschicht 28 größer als
oder gleich 1000 nm ist, bilden sich keine Aluminiumspitzen aus.
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7 zeigt
den Zustand der Bodenfläche
eines Siliziumsubstrats 30 anschließend an die Wärmefreigabe
bei 425°C
für zwei
mal 10 Minuten. Unter diesen Bedingungen werden Aluminiumspitzen 29 auf
sämtlichen
ersten Leiterschichtdicken ausgebildet. Je größer die Dicke der ersten Leiterschicht 28 ist,
um so geringer ist jedoch die Anzahl der ausgebildeten Aluminiumspitzen.
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Die
obige Studie zeigt, dass, je größer die
Dicke der ersten Leiterschicht 28 ist, um so geringer die Anzahl
der ausgebildeten Aluminiumspitzen ist.
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(Zweite Ausführungsform)
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Die
Halbleitervorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
weist im Wesentlichen dieselbe Struktur wie die Halbleitervorrichtung 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
der 1 auf. Daher wird in der folgenden Beschreibung
der zweiten Ausführungsform
auf 1 Bezug genommen. In der zweiten Ausführungsform
ist es jedoch nicht notwendig, dass die Dicke der ersten Leiterschicht 28 wie
in der ersten Ausführungsform
begrenzt wird. Wenn jedoch die Dicke der ersten Leiterschicht 28 derart
eingestellt wird, dass sie größer als
600 nm wird, wird die Ausbildung von Alu miniumspitzen signifikant
durch Kombinieren der Techniken, die in der ersten Ausführungsform
beschrieben ist, und der Technik der zweiten Ausführungsform
verringert. Die Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform
ist durch ihr Herstellungsverfahren gekennzeichnet. Mit Bezug auf
die 8 und 9 wird im Folgenden das Herstellungsverfahren
der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform
beschrieben.
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Zunächst wird,
wie es in 8 gezeigt ist, das Siliziumsubstrat 30 mit
einer niedrigen Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ vorbereitet. Es
wird beispielsweise ein Roh-Wafer für das Siliziumsubstrat 30 verwendet.
Anschließend
wird die Oberflächenstruktur
in dem Siliziumsubstrat 30 ausgebildet.
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Genauer
gesagt weist das Oberflächenstruktur-Herstellungsverfahren
die folgenden Schritte auf. Zuerst wird der Körperbereich 38 in
dem Oberflächenabschnitt
des Siliziumsubstrats 30 mittels einer Ionenimplantationstechnik
ausgebildet. Das Siliziumsubstrat 30 wird mit Ausnahme
des Körperbereichs 38 der
Driftbereich 36 werden. Anschließend werden mehrere Emitterbereiche 42 wahlweise
in dem Oberflächenabschnitt
des Körperbereichs 38 mittels
einer Ionenimplantationstechnik ausgebildet. Anschließend werden
mehrere Gräben,
von denen jeder Graben den Körperbereich 38 durchdringt
und den Driftbereich 36 erreicht, mittels einer Lithographietechnik und
einer Ätztechnik
ausgebildet. Anschließend
wird eine Siliziumoxidschicht auf dem Siliziumsubstrat 30 und
den inneren Wänden
der Gräben
mittels des CVD-Verfahrens
(Chemische Dampfabscheidung) ausgebildet. Anschließend an
die Ausbildung der Siliziumoxidschicht wird eine Metallschicht auf
der Siliziumoxidschicht mittels des CVD-Verfahrens ausgebildet.
Als Ergebnis werden die Gräben
mit der Metallschicht gefüllt.
Anschließend
werden die Siliziumoxidschicht und die Metallschicht auf dem Siliziumsubstrat 30 entfernt,
wobei die Siliziumoxidschicht und die Metallschicht in den Gräben belassen
werden. Als Ergebnis werden ein Gateisolator 44 und ein Grabengate 46 in
jedem der Gräben
ausgebildet. Anschließend
werden die Isolierschicht 48 und die Emitterelektrode 52 auf
dem Siliziumsubstrat 30 ausgebildet. Nach Beendigung der
oben genannten Schritte wird die Oberflächenstruktur erhalten.
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Anschließend wird
die Dicke des Siliziumsubstrats 30 durch Polieren der Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 eingestellt. Wenn eine Durchbruchspannung
von 1200 V für
die Halbleitervorrichtung benötigt
wird, wird die Dicke des Siliziumsubstrats 30 auf bis näherungsweise
150 μm eingestellt.
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Anschließend werden
der Pufferbereich 34 und der Kollektorbereich 32 in
dem rückwärtigen Abschnitt
des Siliziumsubstrats 30 mittels einer Ionenimplantationstechnik
ausgebildet. Die Dotierungstiefe von Bor und Phosphor wird entsprechend
der Ionenbeschleunigungsspannung gesteuert. Anschließend werden
das Bor und das Phosphor, die in das Siliziumsubstrat 30 dotiert
wurden, mittels thermischen Glühens
aktiviert. Die Dicke des Pufferbereichs 34 wird auf bis
näherungsweise
0,4 μm eingestellt.
Die Dicke des Kollektorbereichs 32 wird auf bis näherungsweise
0,3 μm eingestellt.
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Durch
Beenden der oben genannten Schritte wird die in 8 gezeigte
Struktur erzielt.
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Anschließend wird
die in 8 gezeigte Struktur in einer Sputter-Vorrichtung
platziert. Wenn die in 8 gezeigte Struktur zu der Sputter-Vorrichtung
befördert
wird, wird die Struktur der Luft ausgesetzt. Daher bildet sich ein
natürliches
Oxid 62 auf der Bodenfläche
des Siliziumsubstrats 30 aus. Die Dicke des natürlichen
Oxids 62 ist ungleichmäßig. Daher
werden mehrere grobe Abschnitte 62a auf der Oberfläche des
natürlichen
Oxids 62 ausgebildet.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, wird die Kollektorelektrode 20 auf
der Bodenfläche
des Siliziumsubstrats 30 mittels einer Sputter-Technik
ausgebildet. Wenn die Kollektorelektrode 20 auf der Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 ohne Entfernen der natürlichen
Oxide 62 ausgebildet wird, werden die natürlichen
Oxide 62 zwischen dem Siliziumsubstrat 30 und der
Kollektorelektrode 20 verbleiben. Wenn ein Aufschmelzlöten durchgeführt wird,
ohne das natürliche Oxid 62 zu
entfernen, können
die groben Abschnitte 62a einfach die Ausbildung einer
Aluminiumspitze in dem Siliziumsubstrat 30 auf der Bodenfläche bewirken.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird, wie es in 9 gezeigt ist, das natürliche Oxid 62 entfernt,
bevor die Kollektorelektrode 20 ausgebildet wird. Das natürliche Oxid 62 wird
mittels einer inversen Sputter-Technik unter Verwendung der Sputter-Vorrichtung entfernt.
Daher wird die Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 als eine flache Oberfläche ausgebildet.
Außerdem
werden der Ätzschritt
des Siliziumsubstrats 30 und der Schritt des Ausbildens
der ersten Leiterschicht 28 aufeinanderfolgend unter Vakuum
unter Verwendung einer Sputter-Vorrichtung durchgeführt. Daher
wird die Bodenfläche
des Siliziumsubstrats 30 nicht der Luft ausgesetzt. Als
Ergebnis ist die Grenze zwischen dem Siliziumsubstrat 30 und
der ersten Leiterschicht 28 frei von natürlichem Oxid 62.
In einer Halbleitervorrichtung, die unter Verwendung des obigen
Herstellungsverfahrens hergestellt wird, sind die Anzahl der Startpunkte
für eine Ausbildung
von Aluminiumspitzen verringert, und als Ergebnis kann die Ausbildung
von Aluminiumspitzen verringert werden.
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Im
Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen der Kollektorelektrode 20 genauer
erläutert.
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Zunächst wird
ein Targetmaterial, das ein 1:1-Atomverhältnis zwischen Silizium und
Aluminium aufweist, ausgewählt.
Außerdem
wird die erste Leiterschicht 28 auf der Bodenfläche des
Siliziumsubstrats 30 ausgebildet, während die Temperatur des Siliziumsubstrats 30 bei
einer Temperatur von unterhalb 400°C aufrechterhalten wird. Die
erste Leiterschicht 28 wird derart ausgebildet, dass die
Dicke der ersten Leiterschicht 28 größer als oder gleich 600 nm ist.
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Anschließend wird
Titan als das Targetmaterial ausgewählt. Außerdem wird die zweite Leiterschicht 26 auf
der ersten Leiterschicht 28 ausgebildet, während die
Temperatur des Siliziumsubstrats 30 bei einer Temperatur
von unterhalb 400°C
aufrechterhalten wird. Die zweite Leiterschicht 26 wird derart
ausgebildet, dass die Dicke der zweiten Leiterschicht 26 näherungsweise
200 nm beträgt.
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Anschließend wird
Nickel als das Targetmaterial ausgewählt. Außerdem wird die dritte Leiterschicht 24 auf
der zweiten Leiterschicht 26 ausgebildet, während die
Temperatur des Siliziumsubstrats 30 auf Umgebungstemperatur
gehalten wird. Die dritte Leiterschicht 24 wird derart
ausgebildet, dass die Dicke der dritten Leiterschicht 24 näherungsweise 100
nm beträgt.
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Durch
Beenden der oben genannten Schritte wird die Halbleitervorrichtung
der zweiten Ausführungsform
erzielt. In der Halbleitervorrichtung, die unter Verwendung des
obigen Herstellungsverfahrens hergestellt wird, ist die Anzahl der
Startpunkte für
die Ausbildung von Aluminiumspitzen verringert, und als Ergebnis
kann die Ausbildung von Aluminiumspitzen in dem Siliziumsubstrat 30 verringert
werden.
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Oben
wurden spezielle Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben,
aber diese Beispiele begrenzen nicht den Bereich der Ansprüche der
vorliegenden Erfindung. Es sind innerhalb des Bereichs der Ansprüche verschiedene
Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung möglich.
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Beispielsweise
ist die Technik zum Entfernen des natürlichen Oxids unter Verwendung
der inversen Sputter-Technik ebenfalls nützlich für die Herstellung einer Kollektorelektrode,
die nicht als Stapelelektrode konfiguriert ist.
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Außerdem sind
die technologischen Komponenten, die in der vorliegenden Beschreibung
und den Diagrammen beschrieben sind, nicht auf die oben genannten
Kombinationen beschränkt,
da die technologischen Komponenten ihre technische Nützlichkeit
entweder einzeln oder in verschiedenen Kombinationen darstellen.
Außerdem
lösen die
in der vorliegenden Beschreibung und den Diagrammen beschriebene
Techniken mehrere Aufgaben gleichzeitig, und die vorliegende Erfindung
weist einen technischen Nutzen auf, wenn sie mindestens eine dieser
Aufgaben löst.