DE102013216195A1 - Verfahren zur Nachdotierung einer Halbleiterscheibe - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe die eine Grunddotierung aufweist. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Dotierungskonzentration der Grunddotierung und das Anpassen der Grunddotierung der Halbleiterscheibe durch ein Nachdotieren. Das Nachdotieren umfasst wenigstens eines der folgenden Verfahren: – eine Protonenimplantation und einen nachfolgenden Temperaturprozess zur Erzeugung wasserstoffinduzierter Donatoren, – eine Neutronenbestrahlung. Dabei ist wenigstens einer der folgenden Parameter von der ermittelten Dotierungskonzentration der Grunddotierung abhängig: – eine Implantationsdosis der Protonenimplantation, – eine Temperatur des Temperaturprozesses, – eine Bestrahlungsdosis der Neutronenbestrahlung.

Description

  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe (Halbleiterwafer), insbesondere zur Dotierung einer Halbleiterscheibe.
  • Hochspannungsfeste Halbleiterbauelemente, d.h. Halbleiterbauelemente mit Spannungsfestigkeiten von einigen 10 Volt bis hin zu einigen Kilovolt (V) sind in vielen Bereichen, wie beispielsweise der Industrieelektronik, der Automobilelektronik oder der Unterhaltungselektronik, weit verbreitet. Hochspannungsfeste Halbleiterbauelemente, die in der Lage sind, in leitendem Zustand hohe Ströme, wie beispielsweise Ströme von einigen Ampere und mehr, zu führen, werden auch als Leistungsbauelemente bezeichnet. Hochspannungsfeste Halbleiterbauelemente sind beispielsweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), Bipolartransistoren, Bipolardioden, Thyristoren oder Schottkydioden.
  • Diese Bauelemente besitzen ein relativ niedrig dotiertes Halbleitergebiet, das üblicherweise als Driftgebiet (bei MOSFETs) oder als Basisgebiet (bei Dioden oder Thyristoren) bezeichnet wird. Dieses Driftgebiet/Basisgebiet bildet einen pn-Übergang oder einen Schottkyübergang mit einer anderen Bauelementzone, wie beispielsweise einem Bodygebiet bei einem MOSFET oder einem IGBT, und ist in der Lage, bei in Sperrrichtung gepoltem pn-Übergang/Schottkyübergang eine Raumladungszone aufzunehmen. Die Sperrspannungsfestigkeit, also die Spannung, die maximal in Sperrrichtung angelegt werden kann, bevor eine kritische Feldstärke erreicht wird und einen Lawinendurchbruch einsetzt, ist unter anderem von einer Dotierungskonzentration des Driftgebiets/Basisgebiets und dessen Abmessung in einer Richtung senkrecht zu dem pn-Übergang/Schottkyübergang abhängig.
  • In einem hochspannungsfesten Halbleiterbauelement nimmt das Driftgebiet/Basisgebiet einen wesentlichen Teil des Volumens eines Halbleiterkörpers ein, in dem das Halbleiterbauelement implementiert ist. Dies gilt insbesondere für ein vertikales Halbleiterbauelement, also ein Bauelement, bei dem das Driftgebiet/Basisgebiet zwischen weiteren Bauelementzonen (beispielsweise der Bodyzone und der Drainzone bei einem MOSFET) angeordnet ist, die sich im Bereich gegenüberliegender Seiten des Halbleiterkörpers befinden. Für die Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements ist es daher wünschenswert, ein Halbleitersubstrat zur Verfügung zu haben, das eine Grunddotierung besitzt, die bereits der gewünschten Dotierung des Driftgebiets/Basisgebiets entspricht. Weitere dotierte Bauelementgebiete können dann durch herkömmliche Dotierverfahren in dem Halbleitersubstrat hergestellt werden, wobei solche Bereiche, in denen die Grunddotierung erhalten bleibt, das Driftgebiet/Basisgebiet bilden.
  • Aufgrund der oben erwähnten Abhängigkeit der Spannungsfestigkeit des Bauelements von der Dotierung das Basisgebiets/Driftgebiets ist die Bereitstellung eines Halbleitersubstrats mit einer exakt definierten Grunddotierung von großer Bedeutung.
  • Zur Kostenreduzierung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden üblicherweise eine Vielzahl identischer Bauelemente gleichzeitig basierend auf einer Halbleiterscheibe (Halbleiterwafer) hergestellt. Diese Halbleiterscheibe bildet ein Halbleitersubstrat für eine Vielzahl von Bauelementen und wird nach der Prozessierung in einzelne Halbleiterchips (engl.: dies) zerteilt.
  • Solche Halbleiterscheiben für die Herstellung von Halbleiterbauelementen werden durch Zersägen eines zylinderförmigen (stabförmigen) Einkristalls erhalten. Bekannte Verfahren zur Herstellung eines solchen Einkristalls sind des Czrochalsky-(CZ)-Verfahren, das Magnetic-Czrochalsky-(MCZ)-Verfahren oder das Float-Zone-(FZ)-Verfahren. Der Einkristall kann während des Herstellungsverfahrens dotiert werden. Dabei lässt sich mittels des FZ-Verfahrens ein Einkristall mit einer sehr homogenen und definierten Dotierung herstellen, der in Halbleiterscheiben unterteilt werden kann, die sich als Substrate für die Herstellung von Hochspannungsbauelementen eignen. Allerdings sind nach dem FZ-Verfahren hergestellte Einkristalle bislang nur mit einem Durchmesser von 8" (Zoll) verfügbar. Zur Effizienzsteigerung wäre es allerdings wünschenswert Halbleiterscheiben mit einem höheren Durchmesser, wie beispielsweise 12", zu prozessieren, um gleichzeitig eine höhere Anzahl Bauelemente herstellen zu können.
  • Einkristalle mit solch höheren Durchmessern können bislang allerdings nicht nach dem FZ-Verfahren hergestellt werden. Mit dem MCZ-Verfahren können solche Einkristalle zwar hergestellt werden, wird der Einkristall allerdings bereits während des Herstellungsverfahrens dotiert, so resultiert hieraus eine sehr inhomogene Dotierung, die von einem ersten longitudinalen Ende zu einem zweiten longitudinalen Ende des Halbleiterstabs stark abnimmt. Darüber hinaus kann auch die maximale Dotierung, die am ersten longitudinalen Ende vorliegt, bei gleichen Herstellungsbedingungen von Einkristall zu Einkristall schwanken.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiterscheibe mit einem großen Durchmesser, wie beispielsweise 12" oder mehr, für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von hochspannungsfesten Bauelementen, zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe, die eine Grunddotierung aufweist. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Dotierungskonzentration der Grunddotierung und das Anpassen der Grunddotierung der Halbleiterscheibe durch ein Nachdotieren. Dieses Nachdotieren umfasst wenigstens eines der folgenden Verfahren: eine Protonenimplantation und einen nachfolgenden Temperaturprozess zur Erzeugung wasserstoffinduzierter Donatoren; eine Neutronenbestrahlung. Bei dem Nachdotieren ist wenigstens einer der folgenden Parameter von der ermittelten Dotierungskonzentration der Grunddotierung abhängig: Eine Implantationsdosis der Protonenimplantation, eine Temperatur des Temperaturprozesses, eine Dosis der Neutronenbestrahlung.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Diese Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Prinzips, so dass in den Zeichnungen nur solche Merkmale dargestellt sind, die zum Verständnis des Prinzips notwendig sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist, gleiche Bezugszeihen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt schematisch einen zylinderförmigen (stabförmigen) Einkristall.
  • 2 veranschaulicht schematisch den spezifischen Widerstand und die Dotierungskonzentration eines nach dem MCZ-Verfahren hergestellten Einkristalls über der Länge des Einkristalls.
  • 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Messung des spezifischen Widerstands einer aus einem zylinderförmigen Einkristall erhaltenen Halbleiterscheibe.
  • 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Messung des spezifischen Widerstands eines zylinderförmigen Einkristalls.
  • 5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Nachdotieren einer Halbleiterscheibe.
  • 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Halbleiterscheibe und veranschaulicht ein Raster für ein späteres Zerschneiden der Halbleiterscheibe.
  • 7 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleiterscheibe, in der bereits Bauelementzonen eines MOS-Transistors hergestellt wurden, während der Nachdotierung.
  • 8 (die 8A und 8B umfasst) zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleiterscheibe, in der bereits Bauelementzonen eines MOS-Transistors hergestellt wurden, während einer Nachdotierung gemäß einem weiteren Beispiel.
  • 9 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleiterscheibe, in der bereits Bauelementzonen eines Thyristors hergestellt wurden, während der Nachdotierung.
  • 10 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleiterscheibe, in der bereits Bauelementzonen eines Bipolartransistors hergestellt wurden, während der Nachdotierung.
  • 11 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleiterscheibe, in der bereits Bauelementzonen einer Schottkydiode hergestellt wurden, während der Nachdotierung.
  • 12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Verfahrens zur Nachdotierung einer Halbleiterscheibe.
  • 13 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel noch eines weiteren Verfahrens zur Nachdotierung einer Halbleiterscheibe.
  • 1 zeigt schematisch einen zylindrischen monokristallinen Halbleiterkörper 1, der nachfolgend auch als Halbleiterstab bezeichnet wird. Dieser Halbleiterstab ist beispielsweise ein nach dem MCZ-(Magnetic Czrochalsky)-Verfahren hergestellter Halbleiterstab und besitzt einen Durchmesser d und eine Länge l. Der Durchmesser d beträgt beispielsweise mehr als 8 Zoll, wie beispielsweise 12 Zoll (ca. 30,48 cm) oder mehr. Ein solcher Halbleiterstab 1 kann bereits während des Herstellungsverfahrens, d.h. beim Ziehen des Halbleiterstabs aus einer Schmelze, dotiert werden. Allerdings besitzen solche noch während des Herstellungsverfahrens dotierte Halbleiterstäbe die Eigenschaft, dass deren Dotierungskonzentration in einer radialen Richtung, d.h. quer zu einer Längsrichtung x, zwar annähernd homogen ist, dass die Dotierungskonzentration in der Längsrichtung x des Halbleiterstabs jedoch stark variiert.
  • 2 veranschaulicht schematisch den spezifischen Widerstand und die Dotierungskonzentration abhängig von einer Position x des Stabes in Längsrichtung. Eine Länge l des Stabes 1 beträgt beispielsweise 1200 Millimeter (mm), der spezifische Widerstand an einem Ende beträgt beispielsweise etwa 1470 Ohm-cm, der spezifische Widerstand am entgegengesetzten Ende beträgt beispielsweise etwa 220 Ohm-cm, ist also um mehr als einen Faktor 6 kleiner.
  • Der spezifische Widerstand ist unmittelbar abhängig von der Dotierungskonzentration, wobei der spezifische Widerstand abnimmt, wenn die Dotierungskonzentration zunimmt. In dem dargestellten Beispiel sei angenommen, dass der Halbleiterstab aus Silizium besteht und dass er eine Grunddotierung vom n-Typ aufweist, die durch n-dotierende Phosphoratome als Dotierstoffatome hergestellt ist. Für die oben angegebenen Werte des spezifischen Widerstands an den beiden Enden beträgt die Dotierstoffkonzentration an dem einem Ende beispielweise etwa 3E12 cm–3 und am entgegengesetzten beispielsweise etwa 2E13 cm–3. Entsprechend des spezifischen elektrischen Widerstandes variiert damit auch die Dotierungskonzentration über die Gesamtlänge des Halbleiterstabes um mehr als einen Faktor 6. Darüber hinaus variiert von Halbleiterstab zu Halbleiterstab auch die maximale Dotierungskonzentration (der minimale spezifische Widerstand) und entsprechend die minimale Dotierungskonzentration (der maximale spezifische Widerstand) aufgrund von herkömmlichen Prozessschwankungen bei der Herstellung von dotierten Halbleiterstäben.
  • Aus dem in 1 schematisch dargestellten Halbleiterstab können in herkömmlicher Weise Halbleiterscheiben (Wafer) abgeschnitten bzw. abgesägt werden. Aufgrund der zuvor erläuterten Schwankungen der Dotierungskonzentration über die Länge des Halbleiterstabs 1 schwanken die Dotierungskonzentrationen der aus einem solchen Halbleiterstab hergestellten Halbleiterscheiben in erheblichem Maß, so dass sich Halbleiterscheiben, die aus einem Halbleiterstab 1 hergestellt wurden, der während des Herstellungsverfahrens dotiert wurde, aus den eingangs erläuterten Gründen, primär nicht für die Herstellung von hochspannungsfesten Halbleiterbauelementen eignen.
  • Da nach dem MCZ-Verfahren hergestellte Halbleiterstäbe, und damit die daraus hergestellten Halbleiterscheiben, einen Durchmesser von 12 Zoll und mehr besitzen können, ist bei Verwendung solcher Halbleiterscheiben die gleichzeitige Herstellung einer höheren Anzahl von Halbleiterbauelementen möglich als dies beispielsweise der Fall wäre, wenn kleinere, nach dem FZ-(Float Zone)-Verfahren hergestellten Halbleiterstäbe verwendet würden. Es ist daher wünschenswert, für die Herstellung von hochspannungsfesten Halbleiterbauelementen nach dem MCZ-Verfahren hergestellte Halbleiterstäbe (oder allgemein Halbleiterstäbe, deren Dotierung in Längsrichtung stark schwankt) verwenden zu können.
  • Nachfolgend werden verschiedene Verfahren beschrieben, die die Verwendung solcher Halbleiterscheiben für die Herstellung von hochspannungsfesten Halbleiterbauelementen letztendlich ermöglichen. Diese Verfahren erfordern zunächst das Ermitteln einer Dotierungskonzentration der Grunddotierung der einzelnen Halbleiterscheiben. Dieses Ermitteln der Dotierungskonzentration der Grunddotierung kann beispielsweise durch Messen des spezifischen Widerstandes der einzelnen Halbleiterscheiben erfolgen. Möglich sind auch optische Verfahren zur Ermittlung der Dotierungskonzentration, wie beispielsweise das Oberflächenphotospannungsverfahren oder das μ-PCD-(Microwave Photoconductive Decay)-Verfahren.
  • Die Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes kann beispielsweise durch eine 4-Spitzenmessung an der Halbleiterscheibe erfolgen. 3 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer solchen von dem Halbleiterstab 1 abgeschnittenen Halbleiterscheibe 100. Bei einer 4-Spitzenmessung werden vier Elektroden, die üblicherweise eine Kontaktspitze aufweisen, in Kontakt mit der Oberfläche der Halbleiterscheibe 100 gebracht. Dieses In-Kontakt-Bringen erfolgt an einer von zwei Hauptflächen 101, 102 der Halbleiterscheibe 100, die auch als Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe 100 bezeichnet werden können. In 3 ist schematisch eine Messanordnung 200 mit vier Kontaktspitzen 201, 202, 203, 204 dargestellt. Bei der Messung wird über zwei der Kontaktspitzen, beispielsweise die Kontaktspitzen 201 und 204, ein Strom über die Oberfläche in die Halbleiterscheibe 100 eingeprägt, und zwischen den beiden anderen Kontaktspitzen, wie beispielsweise den Kontaktspitzen 202, 203, wird eine Spannung ermittelt. Anhand dieser Messung kann der spezifische elektrische Widerstand, insbesondere der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand der Halbleiterscheibe 100, ermittelt werden. Anhand der Dicke der Halbleiterscheibe 100, also der Abmessung der Halbleiterscheibe 100 in einer Richtung senkrecht zu der Vorder- und Rückseite 101, 102, kann dann der spezifische elektrische Widerstand der Halbleiterscheibe 100 ermittelt werden.
  • Wie bereits erwähnt, steht der spezifische elektrische Widerstand unmittelbar in Beziehung zur Dotierungskonzentration der Grunddotierung, so dass auf Basis des spezifischen elektrischen Widerstandes die Dotierungskonzentration der Grunddotierung ermittelt werden kann. Für Silizium mit einer n-Grunddotierung auf Basis von Phosphoratomen kann die Dotierungskonzentration der Grunddotierung abhängig von dem spezifischen elektrischen Widerstand beispielsweise anhand der Grafik in Sze: "Semiconductor Devices, Physics and Technology", 2. Auflage, 2002, Wiley-Verlag, ISBN 0-471-33372-7, Seite 55, Figur 7 ermittelt werden.
  • Wie bereits oben erwähnt wurde, ist die Dotierung in dem Halbleiterstab 1 in radialer Richtung annähernd homogen, sodass die Dotierungskonzentration der Grunddotierung in der Halbleiterscheibe 100 annähernd homogen ist, vorausgesetzt, dass die Dicke der Halbleiterscheibe 100 klein ist im Vergleich zur Länge l des Halbleiterstabs 1. Bei einer Länge l des Halbleiterstabs 1 von mehreren 100 Millimetern, wie beispielsweise 1000 Millimetern und mehr, und einer üblichen Dicke der Halbleiterscheibe 100 von weniger als 1 mm, ist diese Voraussetzung gegeben. Die zuvor erläuterte Messung des spezifischen Oberflächenwiderstandes, mit dem Ziel, die Dotierungskonzentration der Grunddotierung zu ermitteln, kann an mehreren Stellen der Vorder- und/oder Rückseite 101, 102 der Halbleiterscheibe 100 erfolgen, wobei die hierdurch erhaltenen Ergebnisse für den spezifischen Oberflächenwiderstand bzw. der daraus hergeleiteten Dotierungskonzentration der Grunddotierung gemittelt werden können. Das durch diese Mittelung erhaltene Ergebnis ist dann die ermittelte Dotierungskonzentration der Grunddotierung der Halbleiterscheibe 100.
  • Anstatt den spezifischen Widerstand der Halbleiterscheibe 100 zu messen, nachdem diese von dem Halbleiterstab 1 abgeschnitten wurde, besteht auch die Möglichkeit, den spezifischen Widerstand einer Halbleiterscheibe oder von mehreren Halbleiterscheiben bereits dann zu messen, bevor diese von dem Halbleiterstab 1 abgeschnitten werden. Ein solches Vorgehen ist schematisch in den 4A und 4B dargestellt. 4A zeigt eine Seitenansicht des Halbleiterstabs 1 während der Messung, und 4B zeigt eine Draufsicht auf den Halbleiterstab 1 während der Messung. Bei diesem Messverfahren ist vorgesehen, den Halbleiterstab 1 in Längsrichtung x in eine Vielzahl von Halbleiterabschnitten zu unterteilen (die noch fest verbunden sind und Teil des monokristallinen Stabs 1 sind) und innerhalb jedes dieser Abschnitte wenigstens einmal den spezifischen elektrischen Widerstand, und damit die Dotierungskonzentration der Grunddotierung zu ermitteln. Anschließend wird der Halbleiterstab 1 so zerschnitten, dass jeder dieser einzelnen Abschnitte eine Halbleiterscheibe 100 1, 100 2, 100 2, 100 n bildet, wobei der zuvor für einen Halbleiterabschnitt ermittelte spezifische Widerstand bzw. die zuvor für diesen Halbleiterabschnitt ermittelte Dotierungskonzentration der ermittelte spezifische Widerstand bzw. die ermittelte Dotierungskonzentration der Grunddotierung der aus diesem Halbleiterabschnitt erhaltenen Halbleiterscheibe ist.
  • Bei dem Messverfahren ist vorgesehen, den spezifischen Widerstand des Halbleiterstabs 1 an wenigstens einer Position des Halbleiterstabs 1 in Längsrichtung x zu ermitteln, wobei der an dieser Position ermittelte spezifische elektrische Widerstand der spezifische elektrische Widerstand der Halbleiterscheibe ist, die später von dieser Position des Halbleiterstabs 1 abgeschnitten wird.
  • Die Messung des spezifischen elektrischen Widerstands des Halbleiterstabs 1 an einer Position oder an mehreren Positionen des Halbleiterstabs 1 in dessen Längsrichtung x kann beispielsweise mittels einer 4-Spitzenmessung erfolgen. Bezug nehmend auf 4B erfolgt die Messung in diesem Fall beispielsweise derart, dass die vier Kontaktspitzen der Messeinrichtung 200 in einer Umfangsrichtung des Halbleiterstabs 1 beabstandet zueinander an der Umfangsfläche des Halbleiterstabs 1 angreifen. Gemessen wird bei diesem Verfahren der spezifische Oberflächenwiderstand, aus dem unter Berücksichtigung der Geometrie des Halbleiterstabs der spezifische elektrische (Volumen-)Widerstand ermittelt werden kann.
  • Das Verfahren sieht außerdem vor, die Halbleiterscheibe unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Dotierungskonzentration der Grunddotierung so nachzudotieren, dass die Halbleiterscheibe 100 eine definierte Grunddotierung, d.h. eine definierte Dotierungskonzentration der Grunddotierung, besitzt. Das Verfahren sieht insbesondere vor, eine zusätzliche n-Dotierung der Halbleiterscheibe 100 vorzunehmen. Bei einer vorhandenen n-Grunddotierung der Halbleiterscheibe 100 kann diese zusätzliche n-Dotierung dazu dienen, eine höhere n-Dotierung der Halbleiterscheibe zu erhalten. Bei einer vorhandenen p-Grunddotierung der Halbleiterscheibe 100 kann diese zusätzliche n-Dotierung dazu dienen, eine p-Nettodotierung der Halbleiterscheibe zu verringern.
  • Ein mögliches Verfahren zur Nachdotierung der Halbleiterscheibe 100 ist schematisch in 5 dargestellt. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, Protonen (Wasserstoffionen, H+) über eine der Vorder- und Rückseiten 101, 102 in die Halbleiterscheibe 100 zu implantieren und anschließend die Halbleiterscheibe aufzuheizen, so dass die eingebrachten Protonen im Halbleitergitter des Halbleiterkristalls der Halbleiterscheibe 100 n-dotierende Komplexe, sogenannte wasserstoffinduzierte Donatoren, bilden. Die Temperatur dieses Temperaturprozesses liegt beispielsweise zwischen 400 °C und 570 °C, insbesondere zwischen 450 °C und 550 °C. Die Dauer des Temperaturprozesses liegt beispielsweise zwischen 1 Stunde und 10 Stunden, insbesondere zwischen 3 Stunden und 6 Stunden. Die durch dieses Nachdotierverfahren hergestellte zusätzliche Dotierung der Halbleiterscheibe 100 ist eine n-Dotierung, sodass sich dieses Verfahren zur Erhöhung der n-Dotierung einer Halbleiterscheibe 100 mit einer n-Grunddotierung eignet, oder zur Reduzierung der p-Dotierung einer Halbleiterscheibe 100 mit einer p-Grunddotierung eignet. Bei einer Halbleiterscheibe 100 mit einer n-Grunddotierung addiert sich die durch die Protonenbestrahlung und den Temperaturprozess hergestellte zusätzliche n-Dotierung zu der bereits vorhandenen Grunddotierung, sodass nach Abschluss des anhand von 5 erläuterten Verfahrens gilt: NGES = NG + NH (1), wobei NGES die Gesamtdotierungskonzentration, NG die Dotierungskonzentration der Grunddotierung und NH die durch die Nachdotierung hinzugefügte Dotierungskonzentration bezeichnet.
  • Da die Grunddotierung NG in erläuterter Weise für einzelne Halbleiterscheiben 100 sehr unterschiedlich sein kann, ist es erforderlich, die durch die Nachdotierung hinzugefügte Dotierungskonzentration NH an die bereits vorhandene Grunddotierung NG anzupassen, um eine definierte Gesamtdotierung der Halbleiterscheibe 100 zu erreichen.
  • Bei dem zuvor anhand von 5 erläuterten Verfahren lässt sich die Dotierungskonzentration NH der hinzugefügten Dotierung über zwei Parameter einstellen, nämlich die Implantationsdosis der Protonen, also die Protonenmenge, die pro Flächeneinheit über die Vorder- und/oder Rückseite 101, 102 implantiert wird, und die Temperatur des Ausheilprozesses. Hierbei gilt, dass bei einer bestimmten Implantationsdosis die resultierende Dotierungskonzentration umso geringer ist, je höher die Temperatur des Ausheilprozesses innerhalb des oben angegebenen Temperaturbereiches gewählt ist. Bei einem Beispiel des Verfahrens ist vorgesehen, die Implantationsdosis unabhängig von der vorhandenen Grunddotierung NG der Halbleiterscheibe 100 zu wählen, d.h., für jede Halbleiterscheibe die gleiche Implantationsdosis zu verwenden, und abhängig von der zuvor ermittelten Grunddotierung NG die Temperatur des Ausheilprozesses anzupassen, um hierdurch die hinzugefügte Dotierungskonzentration NH einzustellen.
  • Das Implantationsverfahren kann derart durchgeführt werden, dass nur mit einer Implantationsenergie Protonen in die Halbleiterscheibe 100 über eine der Vorder- und Rückseiten 101, 102 implantiert werden (diese Seite wird nachfolgend als Implantationsseite bezeichnet). Ein Maximum der Protonenkonzentration liegt dann zunächst an einer Position in einer vertikalen Richtung der Halbleiterscheibe 100, die durch die Implantationsenergie bestimmt ist. Diese Position wird üblicherweise als End-of-Range oder End-of-Range-Bereich der Implantation bezeichnet. Die "vertikale Richtung" der Halbleiterscheibe 100 ist eine Richtung senkrecht zu der Vorder- und Rückseite 101, 102. Während des anschließenden Temperaturprozesses diffundieren die Protonen dann in Richtung der Seite, über die die Protonen implantiert wurden und aus durch die Protonenbestrahlung erzeugten Kristalldefekten im Kristallgitter der Halbleiterscheibe 100 und den Protonen entstehen wasserstoffinduzierte Donatoren. In welchem Umfang die Protonen in Richtung der Implantationsseite diffundieren und wie homogen eine Dotierung zwischen dem End-of-Range und der Implantationsseite ist, ist unter anderem von der Dauer des Temperaturprozesses und der Position des End-of-Range ausgehend von der Implantationsseite abhängig. Grundsätzlich gilt, dass die Dotierung mit zunehmender Dauer des Temperaturprozesses, d.h. mit einer zunehmenden Dauer der Umverteilung der Protonen, homogener wird.
  • Bei einem Beispiel ist vorgesehen, den Temperaturprozess so lange durchzuführen, bis das Volumen zwischen der Implantationsseite und dem End-of-Range eine wenigstens annähernd homogene Dotierung aufweist. Hierunter ist zu verstehen, dass mindestens 60% oder sogar mindestens 80% eines Volumens der Halbleiterscheibe 100 zwischen der Implantationsseite und dem Endof-Range der Implantation eine wenigstens annähernd homogene Dotierung aufweist. Eine "wenigstens annähernd homogene Dotierung" ist in diesem Zusammenhang eine Dotierung bei der ein Verhältnis zwischen einer maximalen Dotierungskonzentration und einer minimalen Dotierungskonzentration in einem betrachteten Volumenbereich kleiner als 3, kleiner als 2, kleiner als 1,5 oder sogar kleiner als 1,2 ist.
  • Bei einem weiteren Verfahren ist vorgesehen, mehrere Implantationen über wenigstens eine der Vorder- und Rückseiten 101, 102 durchzuführen und die Implantationsenergie dabei zu variieren.
  • In einem Bereich zwischen dem End-of-Range der Implantation und der der Implantationsseite gegenüberliegenden Seite der Halbleiterscheibe 100 werden durch die Protonenimplantation keine Kristalldefekte erzeugt, so dass sich dort (trotz einer möglichen Diffusion der Protonen in diesen Bereich) keine wasserstoffinduzierten Donatoren bilden. Bei einem Beispiel des Verfahrens ist vorgesehen, Protonen sowohl über die Vorderseite 101 als auch über die Rückseite 102 in die Halbleiterscheibe 100 zu implantieren, wobei die Implantationsenergien insbesondere so gewählt sein können, dass der End-of-Range der Implantation über die eine der Vorder- und Rückseiten näher an der anderen der Vorder- und Rückseiten liegt, als der End-of-Range der Implantation über diese andere der Vorder- und Rückseiten. In diesem Fall sind Kristalldefekte in allen Bereichen der Halbleiterscheibe vorhanden, so dass über die ganze Scheibe 100 eine annähernd homogene Dotierung erreicht werden kann.
  • Bei einem anderen Beispiel ist vorgesehen, nur über eine Seite zu implantieren und die Halbleiterscheibe 100 ausgehend von der Seite, über die nicht implantiert wurde, bis zum End-of-Range oder sogar einschließlich des End-of-Range abzutragen (zu dünnen). Nach dem Abtragen verbleibt der annähernd homogen dotierte Bereich zwischen dem früheren End-of-Range und der Implantationsseite. Das Abtragen umfasst beispielsweise wenigstens eines von einem Ätzverfahren, einem Schleifverfahren und einem Polierverfahren.
  • Zwei Beispiele für eine Nachdotierung der Halbleiterscheibe 100 unter Verwendung einer Protonenimplantation und eines nachfolgenden Temperaturprozesses sind nachfolgend erläutert. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass eine Gesamt-Grunddotierung (Ziel-Dotierungskonzentration) der Halbleiterscheibe von 3,6E13 cm–3 über eine Tiefe von mindestens 120 μm erreicht werden soll. Diese Grunddotierung entspricht einem spezifischen Widerstand von 120 Ohm-cm. In den nachfolgend erläuterten Beispielen sind jeweils die ermittelte Grunddotierung einer Halbleiterscheibe 100 und die Prozessparameter für die Nachdotierung (Protonendosis, Implantationsenergie und Dauer und Temperatur des Temperaturprozesses), angegeben, die durchgeführt wurde, um in der Halbleiterscheibe 100 zwischen dem End-of-Range der Implantation und der Implantationsseite eine wenigstens annähernd homogene Dotierung mit der Ziel-Dotierungskonzentration zu erreichen.
  • 1. Beispiel
    • Ermittelte Grunddotierung: 3,08E13 cm–3 (140 Ohm-cm)
    • Implantationsenergie: 4 MeV
    • Implantationsdosis: 1E14 cm–2
    • Dauer des Temperaturprozesses: 10 Stunden
    • Temperatur des Temperaturprozesses: 505 °C
  • 2. Beispiel
    • Ermittelte Grunddotierung: 2,16E13 cm–3 (200 Ohm-cm)
    • Implantationsenergie: 4 MeV
    • Implantationsdosis: 1,5E14 cm–2
    • Dauer des Temperaturprozesses: 8 Stunden
    • Temperatur des Temperaturprozesses: 500 °C
  • Die zuvor erläuterte Nachdotierung der Halbleiterscheibe 100 kann an der unprozessierten Halbleiterscheibe 100 vorgenommen werden, also dann, wenn die Halbleiterscheibe 100 nur die Grunddotierung aufweist, mit der der Halbleiterstab 1 hergestellt wurde. In diesem Fall besteht allerdings die Gefahr, dass weitere Prozessschritte, die zur Herstellung von hochspannungsfesten Bauelementen durchgeführt werden, die Dotierungskonzentration der wasserstoffinduzierten Donatoren in unerwünschter Weise verringert. Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist daher vorgesehen, die Nachdotierung der Halbleiterscheibe 100 erst dann vorzunehmen, wenn bereits einige Prozessschritte zur Herstellung eines hochspannungsfesten Halbleiterbauelements durchgeführt wurden. Dies wird nachfolgend beispielhaft anhand der 6 bis 10 erläutert.
  • 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Halbleiterscheibe 100, auf Basis derer eine Vielzahl von hochspannungsfesten Halbleiterbauelementen hergestellt wird. In gepunkteten Linien ist ein Raster dargestellt, das eine spätere Unterteilung der Halbleiterscheibe 100 in einzelne Halbleiterchips definiert. Jeder dieser Halbleiterchips ist Grundlage eines hochspannungsfesten Halbleiterbauelements, wie beispielsweise eines MOSFETs, eines IGBTs, einer Diode oder eines Thyristors. Die Bauelementstrukturen der einzelnen Halbleiterchips werden gleichzeitig hergestellt, wobei bei einer gegebenen Chipgröße die Ausbeute an Halbleiterchips pro Halbleiterscheibe 100, und damit die Effizienz des Herstellungsverfahrens, mit zunehmendem Durchmesser d der Halbleiterscheibe 100 zunimmt.
  • In den 7 bis 10 ist ausschnittsweise ein vertikaler Querschnitt eines der Halbleiterchips in einer in 6 schematisch dargestellten vertikalen Schnittebene A-A dargestellt. Dargestellt ist in diesen Figuren ein Ausschnitt eines sogenannten Innenbereichs der einzelnen Halbleiterchips, also ein Bereich, in dem aktive Bauelementgebiete des in dem Halbleiterchip implementierten hochspannungsfesten Halbleiterbauelements angeordnet sind. Sogenannte Randbereiche, die den Innenbereich ringförmig umgeben und die einen Randabschluss des Bauelements aufweisen, sind in diesen Figuren nicht dargestellt.
  • 7 zeigt schematisch eine vertikale Querschnittsansicht eines späteren MOS-Transistors während der Nachdotierung. Vor der Nachdotierung, d.h. vor der Protonenimplantation und dem Temperaturprozess, wurde hierbei bereits ein Draingebiet 14 im Bereich einer Seite 102 (die nachfolgend als Rückseite bezeichnet wird) der Scheibe 100 hergestellt, und im Bereich einer weiteren Seite 101 (die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird) wurden Bodygebiete 12, Sourcegebiete 13 und Gateelektroden 21 hergestellt. Die Gateelektroden 21 sind benachbart zu dem Bodygebiet 12 angeordnet und sind durch ein Gatedielektrikum 22 dielektrisch gegenüber Halbleitergebieten bei der Scheibe 100 isoliert. Ein Sourcegebiet 13, ein Bodygebiet 12 und eine Gateelektrode 21 sind jeweils Teil einer sogenannten Transistorzelle, wobei die einzelnen Transistorzellen ein Driftgebiet 11, das an die Bodyzonen 12 der einzelnen Transistorzellen angrenzt, und das Draingebiet 14 gemeinsam haben. In dem späteren Bauelement sind die einzelnen Transistorzellen parallel geschaltet, indem die Gateelektroden 21 gemeinsam an einen Gateanschluss angeschlossen sind und indem die einzelnen Sourcegebiete gemeinsam an einen Sourceanschluss angeschlossen sind. Die Bodygebiete 12 können Kontaktgebiete 14 aufweisen, die sich bis an die Vorderseite 101 erstrecken und über welchen die Bodygebiete 12 ebenfalls an den Sourceanschluss angeschlossen werden können.
  • Das Draingebiet 14 und die Source- und Bodygebiete 13, 12 können in herkömmlicher Weise durch Implantations- und/oder Diffusionsprozesse hergestellt werden. Das Driftgebiet 11 ist ein Gebiet, das die Grunddotierung der Halbleiterscheibe 100 besitzt, die vor der Nachdotierung nur durch die Dotierung des Halbleiterstabs 1 gegeben ist. Die Gateelektroden 21 sind in dem dargestellten Beispiel Trenchelektroden (Grabenelektroden), also Elektroden, die in Gräben der Halbleiterscheibe 100 angeordnet sind. Solche Gateelektroden 21 lassen sich in herkömmlicher Weise durch Herstellen von Gräben, Herstellen eines Gatedielektrikums 22 an Seitenwänden und am Boden der Gräben und durch Herstellen von Gateelektroden 21 auf der Gatedielektrikumsschicht 22 herstellen. Selbstverständlich können auch andere Gate-Topologien, wie beispielsweise eine planare Gateelektrode, vorgesehen werden.
  • Während der Nachdotierung werden in erläuterter Weise Protonen über wenigstens eine der Vorder- und Rückseiten 101, 102 in die Halbleiterscheibe 100 implantiert, und anschließend wird der Temperaturprozess zur Herstellung der wasserstoffinduzierten Donatoren durchgeführt. Bei einem Beispiel erfolgt die Protonenimplantation über die Vorderseite 101 derart, dass das Maximum der Protonenkonzentration unmittelbar nach der Implantation, d.h. der End-of-Range, nahe der Drainzone 14 oder in der Drainzone liegt. In diesem Fall diffundieren die Protonen während des Temperaturprozesses in Richtung der Vorderseite 101 und bewirken eine annähernd homogene Nachdotierung der Driftzone 11. Während dieses Prozesses können auch die Bodyzone 12, die Sourcezone 13 und die Drainzone 14 nachdotiert werden. Die Dotierungskonzentrationen dieser Halbleiterzonen sind allerdings üblicherweise um ein Vielfaches größer als die gewünschte Dotierungskonzentration der Nachdotierung, sodass die Nachdotierung die Dotierungskonzentrationen dieser Halbleiterzonen 12, 13, 14 nicht wesentlich beeinflusst. So liegt die Dotierungskonzentration der Drainzone 14 und der Sourcezone 13 beispielsweise über 1019 cm–3 und die Dotierungskonzentration der Bodyzone 12 beispielsweise über 1016 cm–3, während die gewünschte Dotierungskonzentration der Nachdotierung beispielsweise im Bereich zwischen 1013 cm–3 und 1014 cm–3 liegt.
  • Das auf Basis der Halbleiterscheibe 100 gemäß 7 hergestellte MOS-Transistorbauelement kann ein MOSFET sein. In diesem Fall sind die Sourcezone 13 und die Drainzone 14 n-dotiert, während die Bodyzone 12 p-dotiert ist. Das Bauelement kann auch als IGBT ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Drainzone 14 p-dotiert ist. Bei einem IGBT wird die Drainzone 14 auch als Emitterzone bezeichnet. Außerdem können bei einem IGBT Emitterkurzschlüsse vorhanden sein, die von der Rückseite 102 durch die Emitterzone 14 bis in die Driftzone 11 reichen und die vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 11 sind (die Driftzone 11 wird bei einem IGBT auch als Basiszone bezeichnet). Solche Emitterkurzschlüsse können – wie auch die Emitterzone 14 – noch vor der Nachdotierung hergestellt werden, sind in 7 jedoch nicht dargestellt.
  • In 7 ist außerdem eine Drainmetallisierung (Emittermetallisierung) 31 dargestellt, die auf die Rückseite 102 des Halbleiterkörpers aufgebracht ist und die das Draingebiet/Emittergebiet 14 kontaktiert. Diese Metallisierung 31 kann auch vor Durchführen der Nachdotierung hergestellt werden, und zwar insbesondere dann, wenn die Protonenimplantation über die Vorderseite 101 erfolgt und wenn nach der Nachdotierung kein Dünnen der Halbleiterscheibe 100 mehr erfolgt, wie es im Zusammenhang mit den 8A–8B unten erläutert ist.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, Protonen über die Rückseite 102 oder Protonen über die Vorder- und Rückseite 101, 102 zu implantieren. In diesem Fall wird die Metallisierung 31 nach Durchführen der Nachdotierung hergestellt. Entsprechendes gilt für Metallisierungen im Bereich der Vorderseite 101, die den späteren Gateanschluss und den späteren Sourceanschluss des Bauelements bilden.
  • Die 8A und 8B veranschaulichen ein weiteres Verfahren für eine Nachdotierung einer Halbleiterscheibe 100 bei einer Herstellung eines MOS-Transistors. Diese Figuren zeigen jeweils einen vertikalen Querschnitt eines Ausschnitts der Halbleiterscheibe 100 während des Verfahrens.
  • Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, die Halbleiterscheibe nach der Nachdotierung ausgehend von der Rückseite 102 zu dünnen. 8A zeigt die Halbleiterscheibe 100 während der Protonenimplantation der Nachdotierung, wobei zuvor beispielsweise bereits die Source- und Bodygebiete 13, 12 und die Gateelektrode 21 und das Gatedielektrikum 22 im Bereich der Vorderseite 101 hergestellt wurden. Die Protonenimplantation erfolgt bei dem dargestellten Beispiel über die Vorderseite 101, der End-of-Range-Bereich der Implantation ist in 8A mit 110 bezeichnet. Zwischen diesem End-of-Range-Bereich 110 der Implantation und der Rückseite 102 werden während des Temperaturprozesses kaum wasserstoffinduzierte Donatoren gebildet, d.h. eine Anpassung der Dotierung erfolgt in diesem Bereich nicht.
  • Dieser Bereich zwischen der Rückseite 102 und dem End-of-Range-Bereich 110 oder zwischen der Rückseite 102 und einschließlich des End-of-Range-Bereichs wird anschließend durch Abtragen der Halbleiterscheibe 100 ausgehend von der Rückseite 102 entfernt. Das Bezugszeichen 102' in 8B bezeichnet die nach diesem Abtragen erhaltene Rückseite. Über diese Rückseite 102' werden anschließend Dotierstoffatome für die Herstellung der Drain- oder Emitterzone 14 eingebracht. Diese Dotierstoffe werden beispielsweise implantiert. Eine Aktivierung dieser Dotierstoffe kann durch einen Laserstrahl oder durch einen RTA-(Rapid Thermal Annealing)-Prozess erfolgen. Hierbei wird nur ein oberflächennaher Bereich der Halbleiterscheibe 100 an der Rückseite 102' kurzzeitig aufgeheizt, so dass diese Aktivierung keinen nennenswerten Einfluss auf die Nachdotierung mit wasserstoffinduzierten Donatoren besitzt. "Oberflächennah sind beispielsweise Bereiche, die näher als 1 Mikrometer oder näher als 0,5 Mikrometer an der Oberfläche liegen. Der Temperaturprozess zur Herstellung der wasserstoffinduzierten Donatoren kann vor oder nach der Aktivierung erfolgen.
  • Alternativ zu dem anhand der 7 und 8A–8B erläuterten Verfahren kann die Protonenimplantation für die Nachdotierung auch über die Rückseite 102 erfolgen, beispielsweise bevor die rückseitige Metallisierung 31 aufgebracht wird. Der End-of-Range Bereich der Implantation liegt in diesem Fall beispielsweise in den Bodygebieten 12. Das Drain- oder Emittergebiet 14 kann vor oder nach der Protonenimplantation hergestellt werden, wobei im zuletzt genannten Fall die Halbleiterscheibe 100 vor der Herstellung des Drain- oder Emittergebiets 14 ausgehend von der Rückseite 102 noch gedünnt werden kann.
  • 9 zeigt schematisch eine vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts der Halbleiterscheibe 100, in dem vor der Nachdotierung aktive Bauelementgebiete eines Thyristors hergestellt wurden. Die aktiven Bauelementgebiete sind ein p-Emitter 42 im Bereich der Rückseite 102 der Halbleiterscheibe 100, eine p-Basis 41 im Bereich der Vorderseite 101, und in der p-Basis 41 angeordnete n-Emitter 43. Der p-Emitter 42, die p-Basis 41 und die n-Emitter 43 können in herkömmlicher Weise durch Implantations- und/oder Diffusionsprozesse hergestellt werden. Zwischen dem p-Emitter 42 und der p-Basis 41 ist eine n-Basis 11 angeordnet, die eine Dotierung aufweist, die der Grunddotierung der Halblei-terscheibe 100 entspricht und deren Dotierung durch die Nachdotierung angepasst wird. Durch die Nachdotierung können auch die Dotierungskonzentrationen der p-Basis 42, der n-Emitter 43 und des p-Emitters 42 verändert werden, allerdings sind die Dotierungskonzentrationen dieser Bauelementgebiete wesentlich höher als die durch die Nachdotierung bereitgestellte Dotierungskonzentration, so dass keine wesentliche Änderung der Dotierungskonzentrationen dieser Halbleitergebiete 41–43 auftritt.
  • Wie auch bei dem zuvor anhand von 7 erläuterten Ausführungsbeispiel können die Protonen über die Vorderseite 101, die Rückseite 102 oder über die Vorder- und Rückseite 101, 102 in die Halbleiterscheibe 100 implantiert werden. Falls Protonen nur über eine der Vorder- und Rückseiten 101, 102 implantiert werden und falls kein Dünnen ausgehend von der Rückseite erfolgt, kann auf die andere dieser Vorder- und Rückseiten 101, 102 bereits eine Metallisierung vor Durchführen der Nachdotierung aufgebracht werden. Der p-Emitter 43 kann – entsprechend des Drain- oder Emittergebiets gemäß der 7 und 8A–8B – vor oder nach der Nachdotierung hergestellt werden.
  • Die Dotierungskonzentration des p-Emitters 42 und der n-Emitter 43 liegt beispielsweise im Bereich der Dotierungskonzentration der Source- und Draingebiete 13, 14 des Bauelements gemäß 7, und die Dotierungskonzentration der p-Basis 41 liegt beispielsweise im Bereich der Dotierungskonzentration der Bodyzone 12 gemäß 7.
  • 10 zeigt eine Bauelementstruktur einer Bipolardiode während der Nachdotierung. Diese Bipolardiode umfasst eine n-Basis 11, deren Dotierung der Grunddotierung der Halbleiterscheibe 100 entspricht, sowie einen ersten Emitter 51, beispielsweise einen n-Emitter 51, im Bereich der Vorderseite 101 der Halbleiterscheibe und einen zweiten Emitter 52, wie beispielsweise einen p-Emitter, im Bereich der Rückseite 102 der Halbleiterscheibe 100. Diese beiden Emitter 51, 52 können in herkömmlicher Weise durch Implantations- und/oder Diffusionsprozesse hergestellt werden. Durch die Nachdotierung mit der Protonenimplantation und dem Temperaturprozess erfolgt eine Nachdotierung der Dotierungskonzentration der n-Basis 11. Hierbei können auch die beiden Emitter 51, 52 nachdotiert werden. Deren Dotierungskonzentration liegt jedoch wesentlich höher als die durch die Nachdotierung hergestellte Dotierungskonzentration, sodass durch die Nachdotierung keine wesentliche Änderung der Dotierungskonzentrationen der beiden Emitter 51, 52 eintritt. So beträgt die Dotierungskonzentration der beiden Emitter 51, 52 beispielsweise mehr als 1019cm–3, während die Dotierungskonzentration der Nachdotierung beispielsweise lediglich zwischen 1013cm–3 und 1014cm–3 liegt. Die Protonenimplantation kann, wie auch bei den zuvor anhand der 7 und 8 erläuterten Verfahren, nur über eine der Vorder- und Rückseiten 101, 102 oder über beide dieser Vorder- und Rückseiten 101, 102 erfolgen. Sofern eine Protonenimplantation nur über eine dieser beiden Seiten erfolgt, kann auf der anderen dieser beiden Seiten, wie beispielsweise der Rückseite 102, bereits eine Metallisierung 31 vor Durchführen der Nachdotierung hergestellt werden, sofern kein Dünnen der Halbleiterscheibe 100 mehr erfolgt. Der rückseitige Emitter 52 kann – entsprechend des Drain- oder Emittergebiets gemäß der 7 und 8A–8B – vor oder nach der Nachdotierung hergestellt werden.
  • 11 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer späteren Schottkydiode während der Nachdotierung. In diesem Fall weist die Halbleiterscheibe 100 einen n-Emitter 61 im Bereich der Rückseite 102 auf, der an die n-Basis 11 angrenzt. Die n-Basis 11 besitzt eine Dotierung, die der Grunddotierung der Halbleiterscheibe 100 entspricht und deren Dotierung durch die Nachdotierung angepasst wird. In späteren Verfahrensschritten wird dann ein Schottkymetall auf der Vorderseite 101 der Halbleiterscheibe 100 aufgebracht. Der rückseitige Emitter 61 kann – entsprechend des Drain- oder Emittergebiets gemäß der 7 und 8A–8B – vor oder nach der Nachdotierung hergestellt werden.
  • Bei dem erläuterten Verfahren setzt sich die Gesamtdotierungskonzentration der Halbleiterscheibe aus der ursprünglichen, aus dem Herstellungsprozess der Halbleiterscheibe 100 bzw. des Halbleiterstabs 1 resultierenden Dotierungskonzentration und der durch die Nachdotierung hinzugefügten Dotierungskonzentration zusammen. Bei einem Beispiel des Verfahrens ist vorgesehen, dass die ursprüngliche Grunddotierungskonzentration bereits wenigstens 20%, wenigstens 40% oder wenigstens 60% der Gesamtdotierungskonzentration ausmacht. Entsprechend trägt die Nachdotierung maximal 80%, maximal 60% oder maximal 40% zu der Gesamtdotierungskonzentration nach Durchführung der Nachdotierung bei. Das Vorhandensein einer Grunddotierung in der oben genannten Größenordnung bewirkt, dass sich parasitäre Effekte, wie beispielsweise das Vorhandensein von Sauerstoff in der Halbleiterscheibe, weniger störend auswirken als in einem Vergleichsfall, bei dem ausgehend von einer intrinsischen Halbleiterscheibe die Dotierung nur durch wasserstoffinduzierte Donatoren bewirkt wird. Außerdem sind die Kosten der Nachdotierung geringer als bei einem Verfahren bei dem ausgehend von einer intrinsischen Halbleiterscheibe die Dotierung nur durch wasserstoffinduzierte Donatoren bewirkt wird, da die erforderliche Protonenimplantationsdosis deutlich geringer ist als für den Fall einer reinen Protonendotierung.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer Nachdotierung, die eine Protonenimplantation und einen Temperaturprozess umfasst, kann eine Nachdotierung der Halbleiterscheibe 100 auch durch eine Neutronenbestrahlung erfolgen. Bei der Bestrahlung einer aus Silizium bestehenden Halbleiterscheibe 100 mit Neutronen in entsteht radioaktives Silizium-31(31SI), das mit einer Halbwertszeit von ca. 2,6 Stunden und unter Emission von Betastrahlung in n-dotierendes Phosphor zerfällt. Bei diesem Verfahren kann die Dotierungskonzentration der Nachdotierung über die Bestrahlungsdosis der Neutronen eingestellt werden. Für die Gesamtdotierung nach Durchführung eines solchen Nachdotierungsverfahrens unter Verwendung einer eine Neutronenbestrahlung gilt: NGES = NG + NN(2), wobei NGES die Gesamtgrunddotierung nach Durchführung der Nachdotierung, NG die Grunddotierung vor der Nachdotierung und NN die durch die Neutronenimplantation bewirkte Nachdotierung ist.
  • Bezug nehmend auf 11, die schematisch einen vertikalen Querschnitt durch die Halbleiterscheibe 100 zeigt, können die Neutronen über die Vorderseite 101 und/oder die Rückseite 102 in die Halbleiterscheibe 100 implantiert werden. Die Neutronenbestrahlung erfolgt beispielsweise in einem Kernreaktor.
  • Da Neutronen selbst bei einer vergleichsweise geringen Implantationsenergie weit in die Halbleiterscheibe eindringen, besteht auch die Möglichkeit, die Nachdotierung für mehrere Halbleiterscheiben gleichzeitig durchzuführen, die gemeinsam einen monokristallinen Abschnitt des ursprünglichen Halbleiterstabs 1 bilden. 12 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt durch einen solchen Abschnitt des ursprünglichen Halbleiterstabs 1. Dieser Abschnitt des Halbleiterstabs 1 umfasst mehrere Unterabschnitte, die jeweils eine spätere Halbleiterscheibe 100 1, 100 2, 100 3 bilden. Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies drei Halbleiterscheiben. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel, es können auch mehr als drei Unterabschnitte vorgesehen sein, die jeweils später eine Halbleiterscheibe bilden. Die Neutronenbestrahlung kann über eine Vorderseite 101' und/oder eine Rückseite 102' des Stababschnitts 100' erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die Neutronenbestrahlung für den Fall der Dotierung eines Stababschnitts auch über die Seitenwand erfolgen.
  • Da aus der Neutronenimplantation eine temperaturstabile n-Dotierung resultiert, kann die Nachdotierung unter Verwendung der Neutronenimplantation bereits an der unprozessierten Halbleiterscheibe 100 erfolgen, d.h. noch bevor Implantations- und/oder Diffusionsprozesse zur Herstellung von aktiven Bauelementgebieten durchgeführt werden. Optional kann ein spezieller Temperschritt zur
  • Aktivierung der Phosphordotierung und zur Ausheilung der Strahlenschäden durchgeführt werden, wobei die Temperaturen zwischen 800 °C und 1000 °C betragen können und die Dauer beispielsweise eine oder mehrere Stunden beträgt. Es ist jedoch auch möglich, hierfür Temperaturschritte zu verwenden, die bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements zu anderen Zwecken, wie beispielsweise zur Aktivierung oder Eindiffusion von implantierten Dotierstoffen, durchgeführt werden.
  • Das zuvor erläuterte Verfahren ermöglicht eine individuelle Anpassung der Dotierungskonzentration einer Halbleiterscheibe, die bereits eine Grunddotierung aufweist.
  • Bei dem Verfahren besteht insbesondere die Möglichkeit, je nach Bedarf unterschiedliche Gesamtdotierungen für unterschiedliche Halbleiterscheiben aus einem Halbleiterstab einzustellen. So können beispielsweise Halbleiterscheiben, die eine geringe Grunddotierung besitzen so nachdotiert werden, dass sie eine erste Gesamtdotierungskonzentration besitzen, während Halbleiterscheiben, die bereits eine höhere Grunddotierung besitzen so nachdotiert werden können, dass sie eine zweite Gesamtdotierungskonzentration, höher als die erste Gesamtdotierungskonzentration besitzen. Die einzelnen Scheiben aus einem Stab können beispielsweise gruppiert werden, wobei die Dotierungen der Scheiben der unterschiedlichen Gruppen beispielsweise auf unterschiedliche Gesamtdotierungskonzentrationen angepasst werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (23)

  1. Verfahren zur Behandlung einer Halbleiterscheibe (100) die eine Grunddotierung aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Ermitteln einer Dotierungskonzentration der Grunddotierung; und Anpassen der Grunddotierung der Halbleiterscheibe (100) durch ein Nachdotieren, das wenigstens eines der folgenden Verfahren umfasst: eine Protonenimplantation und einen nachfolgenden Temperaturprozess zur Erzeugung wasserstoffinduzierter Donatoren, eine Neutronenbestrahlung; wobei wenigstens einer der folgenden Parameter von der ermittelten Dotierungskonzentration der Grunddotierung abhängig ist: eine Implantationsdosis der Protonenimplantation, eine Temperatur des Temperaturprozesses, eine Bestrahlungsdosis der Neutronenbestrahlung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur während des Ausheilschritts zwischen 400 °C und 570 °C oder zwischen 450 °C und 550 °C liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Dauer des Temperaturprozesses zwischen 1 Stunde und 10 Stunden oder zwischen 3 Stunden und 6 Stunden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach der Neutronenbestrahlung ein Temperaturprozess durchgeführt wird, bei dem die Halbleiterscheibe auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1000 °C aufgeheizt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Dauer des Temperaturprozesses zwischen einer Stunde und 10 Stunden beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem die Halbleiterscheibe (100) eine erste Seite (101) aufweist und bei dem die Protonenimplantation über die erste Seite (101) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Protonenimplantation wenigstens zwei Protonenimplantationsschritte umfasst, in denen Protonen mit unterschiedlicher Implantationsenergie implantiert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterscheibe (100) eine erste Seite (101) aufweist und bei dem die Neutronenbestrahlung über die erste Seite (101) erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterscheibe (100) Teil eines Einkristalls (10) ist, der wenigstens zwei Halbleiterscheiben aufweist und der eine erste Seite (101) aufweist, und bei dem die Neutronenbestrahlung über die erste Seite (101) des Einkristalls (10) erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ermitteln der Dotierungskonzentration der Grunddotierung der Halbleiterscheibe (100) eine Messung eines spezifischen Widerstands der Halbleiterscheibe umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Halbleiterscheibe (100) eine durch Zerteilen eines zylindrischen Einkristalls erhaltene Halbleiterscheibe (100) ist und bei dem das Messen des spezifischen Widerstands nach Zerteilen des Einkristalls erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Halbleiterscheibe (100) eine durch Zerteilen eines zylindrischen Einkristalls erhaltene Halbleiterscheibe (100) ist und bei dem das Messen des spezifischen Widerstands vor Zerteilen des Einkristalls erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Grunddotierung eine n-Grunddotierung ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Grunddotierung durch Phosphoratome gebildet ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Grunddotierung eine p-Grunddotierung ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Dotierungskonzentration der Grunddotierung höher als 1E13 cm–3 ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Dotierungskonzentration der Grunddotierung höher als 1E12 cm–3 ist.
  18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Dotierungskonzentration der Grunddotierung vor der Anpassung 20%, 40% oder 60% einer Dotierungskonzentration nach der Anpassung beträgt.
  19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Protonen während der Protonenimplantation über eine erste Seite der Halbleiterscheibe in einen End-of-Range-Bereich der Halbleiterscheibe implantiert werden und bei dem der Temperaturprozess so gewählt ist, dass eine durch das Anpassen hinzugefügte Dotierungskonzentration in wenigstens 60% oder wenigstens 80% eines Volumens der Halbleiterscheibe in einem Bereich zwischen dem End-of-Range-Bereich und der ersten Seite wenigstens annähernd homogen ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Verhältnis zwischen einer maximalen Dotierungskonzentration und einer minimalen Dotierungskonzentration in dem wenigstens annähernd homogen dotierten Volumen kleiner als 3, kleiner als 2, kleiner als 1,5 oder kleiner als 1,2 ist.
  21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Protonen während der Protonenimplantation über eine erste Seite der Halbleiterscheibe in einen End-of-Range-Bereich implantiert werden und bei dem die Halbleiterscheibe ausgehend von einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite wenigstens bis an den End-of-Range-Bereich abgetragen wird.
  22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterscheibe eine nach dem MCZ-Verfahren hergestellte Halbleiterscheibe ist.
  23. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterscheibe einen Durchmesser von 12 Zoll oder mehr aufweist.
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