DE102018111213A1

DE102018111213A1 - Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102018111213A1
Application number: DE102018111213.0A
Authority: DE
Inventors: Ingo Muri; Iris Moder; Oliver Hellmund; Thomas Christian Neidhart; Hans-Joachim Schulze; Gerhard Schmidt; Jacob Tillmann Ludwig; Johannes Baumgartl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14
Also published as: US11038028B2; US20210265468A1; US20190348506A1

Abstract

Eine Ausführungsform bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Vorsehen eines Halbleitersubstrats (102) mit einer ersten Hauptoberfläche (104) und einer der ersten Hauptoberfläche (104) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (106), wobei das Halbleitersubstrat (102) einen ersten Dotierstoff und einen zweiten Dotierstoff aufweist und ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats (102) i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist. Eine vertikale Ausdehnung des ersten Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (102) von der ersten Hauptoberfläche (104) aus endet bei einem Boden (109) eines ersten Halbleitersubstratbereichs (108) in einer ersten vertikalen Distanz (t1) zur ersten Hauptoberfläche (104). Danach umfasst das Verfahren ferner ein Ausbilden einer Halbleiterschicht (110) auf der ersten Hauptoberfläche (104) und ein Ausbilden von Halbleitervorrichtungselementen (1121, 1122) in der Halbleiterschicht (110). Weiter umfasst das Verfahren ein Reduzieren einer Dicke (t) des Halbleitersubstrats (102) durch Entfernen eines Materials des Halbleitersubstrats (102) von der zweiten Hauptoberfläche (106) aus zumindest bis zum ersten Halbleitersubstratbereich (108).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit einem dotierten Halbleitersubstrat.
HINTERGRUND
Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen werden Halbleitersubstrate, beispielsweise Halbleiterwafer, als Ausgangspunkt des Herstellungsprozesses verwendet. Je nach Größe des Halbleitersubstrats und Größe des Chips kann eine Vielzahl von Halbleiterchips aus einem Halbleitersubstrat beispielsweise durch Zerteilen von Wafern gebildet werden. Alternativ dazu kann ein einzelner Halbleiterchip aus einem einzelnen Halbleitersubstrat gebildet werden, zum Beispiel ein Halbleiter-Leistungsthyristor oder eine Halbleiter-Leistungsdiode. Da die Charakteristiken des Halbleitersubstrats einen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses sowie auf die Vorrichtungsparameter der im Halbleitersubstrat ausgebildeten Halbleiterchips haben können, ist es wünschenswert, die Charakteristiken von Halbleitersubstraten zur Herstellung von Vorrichtungen zu verbessern und Halbleitervorrichtungen basierend auf verbesserten Halbleitersubstraten vorzusehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Vorsehen eines Halbleitersubstrats mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Dotierstoff und einen zweiten Dotierstoff aufweist und ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist. Eine vertikale Ausdehnung des ersten Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat von der ersten Hauptoberfläche aus endet bei einem Boden eines ersten Halbleitersubstratbereichs in einer ersten vertikalen Distanz zur ersten Hauptoberfläche. Danach umfasst das Verfahren ferner ein Ausbilden einer Halbleiterschicht auf der ersten Hauptoberfläche und ein Ausbilden von Halbleitervorrichtungselementen in der Halbleiterschicht. Das Verfahren umfasst weiter ein Reduzieren einer Dicke des Halbleitersubstrats durch Entfernen eines Materials des Halbleitersubstrats von der zweiten Hauptoberfläche aus zumindest bis zum ersten Halbleitersubstratbereich.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat. Das Halbleitersubstrat umfasst einen ersten Dotierstoff und einen zweiten Dotierstoff, wobei ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist. Weiter umfasst die Halbleitervorrichtung eine Halbleiterschicht auf dem Halbleitersubstrat und Halbleitervorrichtungselemente in der Halbleiterschicht. Ein vertikales Konzentrationsprofil N1 (y) des ersten Dotierstoffes nimmt entlang zumindest 80 % einer Distanz zwischen einer Grenzfläche des Halbleitersubstrats und der Halbleiterschicht zu einer der Grenzfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats ab.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu liefern, und sie sind in diese Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Ausführungsformen. Weitere Ausführungsformen werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen beschrieben.

1A bis 1D sind schematische Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats, um eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung zu veranschaulichen.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats, um einen Prozess zum Einführen eines ersten Dotierstoffs durch eine erste Hauptoberfläche in das Halbleitersubstrat zu veranschaulichen.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats, um einen Prozess zum Ausbilden einer Diffusionsbarriere auf der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats nach Einführung des ersten Dotierstoffs zu veranschaulichen.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats, um eine Koordinierung vertikaler Dotierstoffkonzentrationsprofile erster und zweiter Dotierstoffe zu veranschaulichen.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats, um vertikale Dotierstoffkonzentrationsprofile des ersten Dotierstoffes zu veranschaulichen, die zwischen gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrats abnehmen.
6A und 6B sind schematische Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats, um Prozesse zum Einführen des ersten Dotierstoffes durch gegenüberliegende Oberflächen des Halbleitersubstrats in das Halbleitersubstrat, gefolgt von einer Ausbildung einer Versiegelungsschicht auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen, zu veranschaulichen.
7A und 7B sind schematische Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats, um Prozesse zum Einführen von Arsen und Phosphor in das Halbleitersubstrat in Verbindung mit unterschiedlichen Wärmebilanzen zum Eintreiben (engl. drive-in) zu veranschaulichen, um eine optimale Überlappung von Konzentrationsprofilen von Arsen und Phosphor zu koordinieren.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen eine SiC-Vorrichtung in die Praxis umgesetzt werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für eine Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um zu noch einer weiteren Ausführungsform zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Entsprechende Elemente sind durch die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnet, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und die Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen, oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff „elektrisch gekoppelt“ umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signal-/Leistungsübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die gesteuert werden können, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
Für einen Parameter angegebene Bereiche schließen die Randwerte ein. Beispielsweise liest sich ein Bereich für einen Parameter y von a bis b als a ≤ y ≤ b. Ein Parameter y mit einem Wert von zumindest c liest sich als c ≤ y, und ein Parameter y mit einem Wert von höchstens d liest sich als y ≤ d.
IGFETs (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) sind spannungsgesteuerte Vorrichtungen, die MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-FETs) und andere FETs mit Gateelektroden, die auf dotiertem Halbleitermaterial basieren, und/oder Gatedielektrika, die nicht ausschließlich auf einem Oxid basieren, einschließen.
1A bis 1D sind schematische Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats 102, um eine Ausführungsform zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung zu veranschaulichen.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 1A ist ein Halbleitersubstrat 102 vorgesehen, wobei das Halbleitersubstrat 102 eine erste Hauptoberfläche 104 und eine zweite Hauptoberfläche 106 aufweist, die der ersten Hauptoberfläche 104 entlang einer vertikalen Richtung y gegenüberliegt. Das Halbleitersubstrat 102 umfasst einen ersten Dotierstoff und einen zweiten Dotierstoff. Zu Veranschaulichungszwecken ist der erste Dotierstoff in 1A durch ein Symbol „o“ beispielhaft dargestellt. Desgleichen ist in 1A der zweite Dotierstoff durch ein Symbol „x“ beispielhaft dargestellt. Der Begriff Dotierstoff bezieht sich hierin auf eine Dotierstoffart, zum Beispiel ein Element wie etwa Phosphor, das ein Dotierstoff vom n-Typ in Silizium ist, oder Arsen, das ein weiterer Dotierstoff vom n-Typ in Silizium ist. Der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff sind verschieden. Das Halbleitersubstrat 102 kann ein Halbleiterwafer aus einem kristallinen Material wie etwa Silizium (Si), Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe), Siliziumcarbid (SiC) oder einem A_IIIB_V-Halbleiter sein. Das Halbleitersubstrat 102 kann beispielsweise einen Durchmesser von 200 mm, 300 mm oder 450 mm aufweisen.
Ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats 102 ist i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes. Stellt man den Fall i) beispielhaft dar, kann, wenn Silizium (Si) als das Material des Halbleitersubstrats 102 genutzt wird, der erste Dotierstoff Phosphor (P) sein. Silizium hat einen kovalenten Atomradius von 111 pm, der größer als der kovalente Atomradius von Phosphor ist, welcher 107 pm beträgt. Der zweite Dotierstoff kann Arsen mit einem kovalenten Atomradius von 119 pm sein. Der kovalente Atomradius von Silizium ist kleiner als der kovalente Atomradius von Arsen. Stellt man den Fall ii) beispielhaft dar, kann, wenn Silizium (Si) als das Material des Halbleitersubstrats 102 verwendet wird, der erste Dotierstoff Arsen sein, und der zweite Dotierstoff kann Phosphor sein. Gemäß dem in 1A veranschaulichten Beispiel endet eine vertikale Ausdehnung des ersten Dotierstoffs in das Halbleitersubstrat 102 von der ersten Hauptoberfläche 104 aus bei einem Boden 109 eines ersten Halbleitersubstratbereichs 108 in einer ersten vertikalen Distanz t1 zur ersten Hauptoberfläche 104. In einem zweiten Substratbereich, der an der Bodenseite 109 direkt an den ersten Halbleitersubstratbereich 108 angrenzt, fehlt der erste Dotierstoff oder macht zumindest weniger als 10¹⁴ Dotieratome pro cm³ aus. Der zweite Substratbereich kann sich bis zur zweiten Hauptoberfläche 106 erstrecken oder kann zwischen dem ersten Halbleitersubstratbereich 108 und einem dritten Substratbereich angeordnet sein. Im letztgenannten Fall kann der erste Dotierstoff wieder im dritten Substratbereich, welcher sich zum Beispiel bis zur zweiten Hauptoberfläche 106 erstrecken kann, vorhanden sein.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 1B umfasst das Verfahren ferner ein Ausbilden einer Halbleiterschicht 110 auf der ersten Hauptoberfläche 104. Die Halbleiterschicht kann durch einen Schichtbildungsprozess, zum Beispiel CVD (chemische Gasphasenabscheidung) wie etwa LPCVD (CVD unter niedrigem Druck) oder APCVD (CVD unter atmosphärischem Druck), VPE (Gasphasenepitaxie), LPE (Flüssigphasenepitaxie) oder MBE (Molekularstrahlepitaxie), gebildet werden. Ein Material der Halbleiterschicht 110 kann dem Material des Halbleitersubstrats 102 entsprechen oder kann vom Material des Halbleitersubstrats 102 verschieden sein. Im letztgenannten Fall kann dies ermöglichen, elektrische Charakteristiken in der Halbleiterschicht 110 zum Beispiel durch eine spannungsinduzierte Steigerung der Beweglichkeit einzustellen.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 1C umfasst das Verfahren weiter ein Ausbilden von Halbleitervorrichtungselementen 1121, 1122 in der Halbleiterschicht 110. Die Halbleitervorrichtungselemente 1121, 1122 können dotierte Halbleitergebiete, zum Beispiel n-dotierte und/oder p-dotierte Halbleitergebiete, zu funktionalen Zwecken, beispielsweise Source- oder Draingebiete von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs) wie etwa MetallOxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Kathoden- oder Anodengebiete von Dioden oder Thyristoren/siliziumgesteuerten Gleichrichtern, Emitter- oder Basis- oder Kollektorgebiete bipolarer Junction- bzw. Flächentransistoren (BJTs), Junction- bzw. Übergangsabschlussstrukturen wie etwa eine Variation einer lateralen Dotierung (VLD) oder eine Übergangs-Abschlussausdehnung (JTE), eine Übergangsisolierung, Widerstände, Elektroden wie etwa Gate- oder Feldelektroden, Isoliermaterialien, zum Beispiel Oxide und/oder Nitride, zu funktionalen Zwecken wie etwa ein Gatedielektrikum, ein Felddielektrikum, eine Vorrichtungsisolierung wie etwa eine flache oder tiefe Grabenisolierung (STI, DTI), enthalten.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 1D umfasst das Verfahren weiter ein Reduzieren einer Dicke des Halbleitersubstrats 102 durch Entfernen eines Materials des Halbleitersubstrats 102 von der zweiten Hauptoberfläche 106 aus zumindest bis zum ersten Halbleitersubstratbereich 108. Das Halbleitersubstrat 102 und die Halbleiterschicht 110 können beispielweise durch einen an einer Halbleiterschicht 110 angebrachten Träger mechanisch abgestützt bzw. getragen werden. Material des Halbleitersubstrats 102 kann durch chemische Prozesse, zum Beispiel durch Ätzen wie etwa Trockenätzen oder Nassätzen, durch mechanische Prozesse, zum Beispiel durch abrasive mechanische Bearbeitung wie etwa Schleifen oder Polieren, oder durch chemisch-mechanische Prozesse, wie etwa chemisch-mechanisches Polieren (CMP), entfernt werden. In einer oder mehreren Ausführungsform kann eine Kombination von mehr als einem Prozess zum Entfernen von Material des Halbleitersubstrats 102 genutzt werden, zum Beispiel ein erster Prozess mit einer größeren Materialabtragrate als ein zweiter Prozess, der dem ersten Prozess folgt. Dies kann beispielsweise eine Feinjustierung einer Ziel-Waferdicke ermöglichen. Der Prozess zum Entfernen von Material des Halbleitersubstrats 102 von der zweiten Oberfläche 106 kann auch einen sogenannten TAIKO-Prozess einschließen. Der TAIKO-Prozess ist ein Wafer-Abdünnprozess, in welchem während des Abdünnprozesses ein äußerer Tragring entlang dem Rand des Wafers nicht abgedünnt wird. Der äußere Tragring kann eine verbesserte Handhabung dünner Wafer während einer nachfolgenden Prozessierung liefern. Beispielsweise können Wafer, die unter Verwendung des TAIKO-Prozesses abgedünnt werden, typischerweise ihre Steifigkeit beibehalten, ohne dass sie an einen zusätzlichen Träger angebracht sind.
Das obige Verfahren ermöglicht eine Verbesserung der Charakteristiken hochdotierter, d.h. niederohmiger oder hochleitfähiger Halbleitersubstrate zur Herstellung von Vorrichtungen, indem eine Gesamtspannung oder eine Gitterfehlanpassung im Halbleitersubstrat 102 reduziert wird. Während der erste Dotierstoff eine Zunahme (Abnahme) einer Gitterkonstante bezüglich des Halbleitersubstrats 102 herbeiführen kann, kann der zweite Dotierstoff dieser Zunahme (Abnahme) entgegenwirken. Dies ermöglicht niederohmige Halbleitersubstrate in Bezug auf eine bestimmte Waferwölbung.
Bezug nehmend auf die in 2 veranschaulichte schematische Querschnittsansicht umfassen in einer oder mehreren Ausführungsformen die Schritte zum Vorsehen des Halbleitersubstrats 102 ein Einführen des ersten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche 104 in das Halbleitersubstrat 102 durch zumindest einen eines Diffusionsprozesses, eines Ionenimplantationsprozesses und eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses. Eine Einführung des ersten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche 104 ist mittels durch Bezugszeichen 112 bezeichneter Pfeile schematisch veranschaulicht. Eine plasmabasierte Ionenimplantation ist in einer Vielzahl von Bezeichnungen und Akronymen bekannt, einschließlich, nicht aber auf das Folgende beschränkt: Plasmaquellen-Ionenimplantation (PSII), Plasmaimmersions-Ionenimplantation (PIII oder PI3), Plasma-Ionenimplantation (PII oder PI2), Plasma-Ionenplattierung (PIP), Plasmaimmersions-Ionenimplantation und -abscheidung (PIIID), Metall-Plasmaimmersions-Ionenimplantation und -abscheidung (MePIIID), Ionenplattierung (engl. IonClad), Plasmadotierung (PLAD), Plasma-Ionen-Immersionsprozessierung (PIIP). Einige dieser Namen sind synonym - andere betonen einen bestimmten Aspekt wie etwa das Vorhandensein von Metallionen. Die Schritte zum Vorsehen des Halbleitersubstrats 102 umfassen ferner ein Einführen des zweiten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche 104 in das Halbleitersubstrat 102 durch zumindest einen eines Diffusionsprozesses, eines Ionenimplantationsprozesses und eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses. Die Prozesse zum Einführen des ersten Dotierstoffes und des zweiten Dotierstoffes können voneinander verschieden sein, können teilweise voneinander verschieden sein oder können einander entsprechen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen liegt die erste vertikale Distanz t1 in einem Bereich von 2 µm bis 50 µm oder von 5 µm bis 30 µm. Die erste vertikale Distanz t1 kann auf einen gewünschten Wert festgelegt werden, indem Prozessparameter wie etwa Ionenimplantationsparameter, zum Beispiel eine Ionenimplantationsenergie, eine Implantationsdosis und eine nachfolgende Wärmebilanz zum Aktivieren und Verbreitern eines Dotierstoffprofils mittels Diffusion, eingestellt werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird der erste Dotierstoff mittels eines Diffusionsprozesses, der gleichzeitig mit einem Oxidationsprozess des Halbleitersubstrats 102 ausgeführt wird, durch die erste Hauptoberfläche 104 in das Halbleitersubstrat 102 eingeführt. Der Oxidationsprozess, zum Beispiel bei Temperaturen, die von 800°C bis 1200°C reichen, kann zu einem durch Oxidation verstärkten Diffusionsprozess des ersten Dotierstoffs im Halbleitersubstrat 102 führen, zum Beispiel hervorgerufen durch einen Einfluss des Oxidationsprozesses auf Leerstellen- und Zwischengitter-Siliziumatome in einem aus Silizium bestehenden Halbleitersubstrat 102. Dies kann eine Vereinfachung einer Einstellung eines Zielprofils des ersten Dotierstoffs im Halbleitersubstrat 102 ermöglichen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird der erste Dotierstoff durch einen plasmabasierten Ionenimplantationsprozess bei einer Dosis in einem Bereich von 10¹⁶ cm^-2 bis 10¹⁸ cm^-2 durch die erste Hauptoberfläche 104 in das Halbleitersubstrat 102 eingeführt. Plasmabasierte Ionenimplantationsprozesse können hohe Konzentrationswerte des ersten (zweiten) Dotierstoffs im Halbleitersubstrat 102 und daher ein niederohmiges Halbleitersubstrat 102 ermöglichen.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 3 wird gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen eine Diffusionsbarriere 113, zum Beispiel ein CVD-Oxid, auf der ersten Hauptoberfläche 104 des Halbleitersubstrats 102 nach Einführung des ersten Dotierstoffs gebildet, und danach wird ein vertikales Konzentrationsprofil des ersten Dotierstoffs durch einen thermischen Diffusionsprozess verbreitert. Ein Verbreitern des vertikalen Konzentrationsprofils kann eine anfängliche vertikale Distanz ti zwischen einem Boden des vertikalen Konzentrationsprofils und der ersten Hauptoberfläche 104 um einen Wert Δt bis zur ersten vertikalen Distanz t1 beispielsweise vergrößern.
In einer oder mehreren Ausführungsformen werden der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff nacheinander durch einen Ionenimplantationsprozess oder durch einen plasmabasierten Ionenimplantationsprozess bei verschiedenen Dosen und/oder Energien durch die erste Hauptoberfläche in das Halbleitersubstrat 102 eingeführt. Dadurch kann eine Dosis der ersten und zweiten Dotierstoffe präzise eingestellt werden. Ein vertikales Konzentrationsprofil des ersten Dotierstoffes und ein vertikales Konzentrationsprofil des zweiten Dotierstoffes können überlagert werden, indem i) eine Dosis, eine Energie und eine Wärmebilanz zum Verbreitern des vertikalen Konzentrationsprofils des ersten Dotierstoffes und ii) eine Dosis, eine Energie und eine Wärmebilanz zum Verbreitern des vertikalen Konzentrationsprofils des zweiten Dotierstoffes koordiniert werden. Dies kann beispielsweise ermöglichen, eine Reduzierung einer Waferwölbung und -spannung zu verbessern.
Bezug nehmend auf die schematische grafische Darstellung von 4 werden in einer oder mehreren Ausführungsformen die Dosis, die Energie und die Wärmebilanz zum Verbreitern eines vertikalen Konzentrationsprofils N1(y) des ersten Dotierstoffes und die Dosis, die Energie und die Wärmebilanz zum Verbreitern eines vertikalen Konzentrationsprofils N2(y) des zweiten Dotierstoffes koordiniert, um folgende Gleichung (1) $\frac{\int_{0}^{t} | N 1 (y) - N 2 (y) | d y}{\int_{0}^{t} N 1 (y) d y} < 100 % .$
zu erfüllen, wobei t eine Dicke des Halbleitersubstrats 102 nach einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats 102 ist, d.h. keine Dicke der Halbleiterschicht 110 einschließend. Dosis, Energie und Wärmebilanz können noch präziser eingestellt werden, um folgende Gleichung (2) $\frac{\int_{0}^{t} | N 1 (y) - N 2 (y) | d y}{\int_{0}^{t} N 1 (y) d y} < 50 %,$
oder gar folgende Gleichung (3) $\frac{\int_{0}^{t} | N 1 (y) N 2 (y) | d y}{\int_{0}^{t} N 1 (y) d y} < 10 % .$
zu erfüllen.
Durch präzises Einstellen der Dosis, der Energie und der Wärmebilanz bezüglich der ersten und zweiten Dotierstoffe kann beispielsweise eine Reduzierung einer Waferwölbung und -spannung weiter verbessert werden.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 5 nimmt in einer oder mehreren Ausführungsformen nach einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats 102 auf einen Wert t ein vertikales Konzentrationsprofil N1(y) des ersten Dotierstoffes entlang zumindest 80 % einer Distanz zwischen einer Grenzfläche 114 des Halbleitersubstrats 102 und der Halbleiterschicht 110 zu einer der Grenzfläche 114 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 ab. Die Distanz entspricht der Dicke t. Das vertikale Konzentrationsprofil N1 kann stetig abnehmen, wie durch beispielhafte Profile N11, N12, N13, N14 in der grafischen Darstellung von 5 veranschaulicht ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist eine Konzentration N1b des ersten Dotierstoffes in einer vertikalen Distanz tb zur Grenzfläche 114 um einen Faktor 10 geringer oder um einen Faktor 5 geringer oder um einen Faktor 3 geringer als eine Konzentration N1a des ersten Dotierstoffes in einer vertikalen Distanz ta zur Grenzfläche 114, wobei die Differenz zwischen tb und ta, d.h. tb - ta größer als 80 % der Distanz t zwischen der Grenzfläche 114 des Halbleitersubstrats 102 und der Halbleiterschicht 110 zur der Grenzfläche 114 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein rückseitiger Dotierungsprozess von der der Grenzfläche 114 gegenüberliegenden Seite aus beispielsweise durch eine Ionenimplantation oder durch eine plasmabasierte Ionenimplantation in Kombination mit einem optionalen schmelzenden oder nicht schmelzenden Laserausheilschritt ausgeführt werden. Dadurch kann beispielsweise ein Kontaktwiderstand zwischen dem Halbleitersubstrat 102 und einer rückseitigen Metallisierungsschicht verbessert werden.
Das Verfahren kann ferner ein Ausbilden eines ersten Lastanschlusskontakts L1 auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht 110, zum Beispiel eines Sourcekontakts eines IGFET oder IGBT, eines Emitterkontakts eines BJT, eines Anodenkontakts einer Diode oder eines Thyristors, umfassen. Weiter kann das Verfahren ein Ausbilden eines zweiten Lastanschlusskontakts L2 auf einer der Grenzfläche 114 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats 102, zum Beispiel eines Drainkontakts eines IGFET, eines Kollektorkontakts eines IGBT oder BJT, eines Kathodenkontakts einer Diode oder eines Thyristors, umfassen. Je nach spezifischem Vorrichtungstyp der Halbleitervorrichtung kann ein Steueranschlusskontakt C auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 110, zum Beispiel ein Gatekontakt eines IGFET oder IGBT oder Thyristors oder ein Basiskontakt eines BJT, ausgebildet werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen liegt eine durchschnittliche Konzentration des vertikalen Konzentrationsprofils N1(y) des ersten Dotierstoffes zwischen der Grenzfläche 114 des Halbleitersubstrat 102 und der Halbleiterschicht 110 und einer der Grenzfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats in einem Bereich von 5×10¹⁸ cm^-3 bis 5×10²⁰ cm^-3.
In einer oder mehreren Ausführungsformen bildet der zweite Dotierstoff eine Hintergrunddotierung des Halbleitersubstrats in einem Bereich von 10¹⁸ cm^-3 bis 10²¹ cm^-3. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der zweite Dotierstoff Arsen, und der erste Dotierstoff ist Phosphor.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der erste Dotierstoff ein Element aus Arsen, Phosphor und Antimon, und der zweite Dotierstoff ist ein anderes Element aus Arsen, Phosphor und Antimon, vorausgesetzt, dass ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist. In einer oder mehreren anderen Ausführungsformen ist der erste Dotierstoff ein Element aus Bor, Aluminium und Gallium, und der zweite Dotierstoff ist ein anderes Element aus Bor, Aluminium und Gallium, vorausgesetzt, dass ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist.
Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 6A umfasst in einer oder mehreren Ausführungsformen ein Vorsehen des Halbleitersubstrats 102 ferner ein Einführen des ersten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche 104 und durch die zweite Hauptoberfläche 106 in das Halbleitersubstrat 102 mittels zumindest eines eines Diffusionsprozesses, eines Ionenimplantationsprozesses und eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses. Eine Ofendotierung kann beispielsweise ermöglichen, den ersten Dotierstoff durch die erste Hauptoberfläche 104 und durch die zweite Hauptoberfläche 106 gleichzeitig in das Halbleitersubstrat einzuführen. Bezug nehmend auf die schematische Querschnittsansicht von 6B wird vor einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats auf der zweiten Hauptoberfläche 106 des Halbleitersubstrats 102 eine Versiegelungsschicht 116 ausgebildet. Eine Ausbildung der Versiegelungsschicht 116 kann ermöglichen, eine Autodotierung während einer nachfolgenden Prozessierung des Halbleitersubstrats 102, zum Beispiel während der in Bezug auf 1B bis 1C veranschaulichten Prozesse, zu verhindern.
Bezug nehmend auf die schematischen grafischen Darstellungen von 7A und 7B wird Arsen als der erste Dotierstoff in das Halbleitersubstrat 102 eingeführt und wird Phosphor als der zweite Dotierstoff in das Halbleitersubstrat 102 eingeführt. Infolge der unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten von Arsen und Phosphor können unterschiedliche Wärmebilanzen genutzt werden, um Dotierstoffkonzentrationsprofile N_As, N_P von Arsen und Phosphor einzustellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen können einem ersten Ionenimplantations- und plasmabasierten Ionenimplantationsprozess von Arsen und einem ersten Prozess zum Eintreiben des implantierten Arsens ein zweiter Ionenimplantations- oder plasmabasierter Ionenimplantationsprozess von Phosphor und ein zweiter Prozess zum Eintreiben sowohl des implantierten Arsens als auch des implantierten Phosphors folgen. Dadurch können verschiedene Wärmebilanzen auf Arsen und Phosphor angewendet werden, um eine optimale Überlappung der Dotierstoffkonzentrationsprofile N_As, N_P von Arsen und Phosphor zu koordinieren, wie in 7B veranschaulicht ist, was sich aus einer TCAD-Simulation (Technology Computer-Aided Design) ergibt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Dicke des Halbleitersubstrats auf einen Wert in einem Bereich von 2 µm bis 50 µm oder von 5 µm bis 30 µm reduziert.
Obwohl spezifische Ausführungsformen hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, umfassend: Vorsehen eines Halbleitersubstrats (102) mit einer ersten Hauptoberfläche (104) und einer zweiten Hauptoberfläche (106), die der ersten Hauptoberfläche (104) gegenüberliegt, wobei das Halbleitersubstrat (102) einen ersten Dotierstoff und einen zweiten Dotierstoff aufweist und ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats (102) i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist und wobei eine vertikale Ausdehnung des ersten Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (102) von der ersten Hauptoberfläche (104) aus bei einem Boden eines ersten Halbleitersubstratbereichs (108) in einer ersten vertikalen Distanz (t1) zur ersten Hauptoberfläche (104) endet; danach Ausbilden einer Halbleiterschicht (110) auf der ersten Hauptoberfläche (104), Ausbilden von Halbleitervorrichtungselementen (1121, 1122) in der Halbleiterschicht (110); und Reduzieren einer Dicke des Halbleitersubstrats (102) durch Entfernen eines Materials des Halbleitersubstrats (102) von der zweiten Hauptoberfläche (106) aus zumindest bis zum ersten Halbleitersubstratbereich (108).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Vorsehen des Halbleitersubstrats umfasst: Einführen des ersten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche (104) in das Halbleitersubstrat (102) durch zumindest einen eines Diffusionsprozesses, eines Ionenimplantationsprozesses und eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses; und Einführen des zweiten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche (104) in das Halbleitersubstrat (102) durch zumindest einen eines Diffusionsprozesses, eines Ionenimplantationsprozesses und eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Dotierstoff durch die erste Hauptoberfläche (104) in das Halbleitersubstrat (102) durch einen Diffusionsprozess eingeführt wird, der gleichzeitig mit einem Oxidationsprozess des Halbleitersubstrats (102) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der erste Dotierstoff durch die erste Hauptoberfläche in das Halbleitersubstrat mittels eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses bei einer Dosis in einem Bereich von 10¹⁶ cm^-2 bis 10¹⁸ cm^-2 eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Diffusionsbarriere (113) auf der ersten Hauptoberfläche (104) des Halbleitersubstrats (102) nach Einführung des ersten Dotierstoffes ausgebildet wird und danach ein vertikales Konzentrationsprofil des ersten Dotierstoffes durch einen thermischen Diffusionsprozess verbreitert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff nacheinander durch einen Ionenimplantationsprozess oder durch einen plasmabasierten Ionenimplantationsprozess bei verschiedenen Dosen und/oder Energien durch die erste Hauptoberfläche (104) in das Halbleitersubstrat (102) eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein vertikales Konzentrationsprofil des ersten Dotierstoffes und ein vertikales Konzentrationsprofil des zweiten Dotierstoffes überlagert werden, indem i) eine Dosis, eine Energie und eine Wärmebilanz zum Verbreitern eines vertikalen Konzentrationsprofils des ersten Dotierstoffes und ii) eine Dosis, eine Energie und eine Wärmebilanz zum Verbreitern eines vertikalen Konzentrationsprofils des zweiten Dotierstoffes koordiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Dosis, die Energie und die Wärmebilanz zum Verbreitern eines vertikalen Konzentrationsprofils N1(y) des ersten Dotierstoffes und die Dosis, die Energie und die Wärmebilanz zum Verbreitern eines vertikalen Konzentrationsprofils N2(y) des zweiten Dotierstoffes koordiniert werden, um $\frac{\int_{0}^{t} | N 1 (y) - N 2 (y) | d y}{\int_{0}^{t} N 1 (y) d y} < 100 %,$
zu erfüllen, wobei t eine Dicke des Halbleitersubstrats (102) nach einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats (102) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats (102) ein vertikales Konzentrationsprofil N1(y) des ersten Dotierstoffes entlang zumindest 80 % einer Distanz zwischen einer Grenzfläche des Halbleitersubstrats (102) und der Halbleiterschicht (110) zu einer der Grenzfläche (114) gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine durchschnittliche Konzentration eines vertikalen Konzentrationsprofils N1(y) des ersten Dotierstoffes zwischen einer Grenzfläche (114) des Halbleitersubstrats (102) und der Halbleiterschicht (110) zu einer der Grenzfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) in einem Bereich von 5×10¹⁸ cm^-3 bis 5×10²⁰ cm^-3 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Dotierstoff eine Hintergrunddotierung des Halbleitersubstrats (102) in einem Bereich von 10¹⁸ cm^-3 bis 10²¹ cm^-3 bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Dotierstoff ein Element aus Arsen, Phosphor und Antimon ist und der zweite Dotierstoff ein anderes Element aus Arsen, Phosphor und Antimon ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Dotierstoff ein Element aus Bor, Aluminium und Gallium ist und der zweite Dotierstoff ein anderes Element aus Bor, Aluminium und Gallium ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Vorsehen des Halbleitersubstrats (102) umfasst: Einführen des ersten Dotierstoffes durch die erste Hauptoberfläche (104) und durch die zweite Hauptoberfläche (106) in das Halbleitersubstrat (102) durch zumindest einen eines Diffusionsprozesses, eines Ionenimplantationsprozesses und eines plasmabasierten Ionenimplantationsprozesses; und danach, aber vor einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats (102): Ausbilden einer Versiegelungsschicht (116) auf der zweiten Hauptoberfläche (106) des Halbleitersubstrats (102).
Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Halbleitersubstrat (102) mit einem ersten Dotierstoff und einen zweiten Dotierstoff, wobei ein kovalenter Atomradius eines Materials des Halbleitersubstrats i) größer als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und kleiner als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes oder ii) kleiner als ein kovalenter Atomradius des ersten Dotierstoffes und größer als ein kovalenter Atomradius des zweiten Dotierstoffes ist; eine Halbleiterschicht (110) auf dem Halbleitersubstrat (102) ; Halbleitervorrichtungselemente (1121, 1122) in der Halbleiterschicht (110); und wobei ein vertikales Konzentrationsprofil N1(y) des ersten Dotierstoffes entlang zumindest 80 % einer Distanz zwischen einer Grenzfläche (114) des Halbleitersubstrats (102) und der Halbleiterschicht (110) zu einer der Grenzfläche (114) gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) abnimmt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, wobei ein vertikales Konzentrationsprofil N1(y) des ersten Dotierstoffes und ein vertikales Konzentrationsprofil N2(y) des zweiten Dotierstoffes $\frac{\int_{0}^{t} | N 1 (y) - N 2 (y) | d y}{\int_{0}^{t} N 1 (y) d y} < 100 % .$
erfüllen, wobei t eine Dicke des Halbleitersubstrats (102) nach einem Reduzieren der Dicke des Halbleitersubstrats (102) ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei ein vertikales Konzentrationsprofil N1(y) des ersten Dotierstoffes entlang zumindest 80 % einer Distanz zwischen einer Grenzfläche des Halbleitersubstrats (102) und der Halbleiterschicht (110) zu einer der Grenzfläche (114) gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) abnimmt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei eine durchschnittliche Konzentration eines vertikalen Konzentrationsprofils N1(y) des ersten Dotierstoffes zwischen einer Grenzfläche (114) des Halbleitersubstrats (102) und der Halbleiterschicht (110) zu einer der Grenzfläche (114) gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) in einem Bereich von 5×10¹⁸ cm^-3 bis 5×10²⁰ cm^-3 liegt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der erste Dotierstoff ein Element aus Arsen, Phosphor und Antimon ist und der zweite Dotierstoff ein anderes Element aus Arsen, Phosphor und Antimon ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der erste Dotierstoff ein Element aus Bor, Aluminium und Gallium ist und der zweite Dotierstoff ein anderes Element aus Bor, Aluminium und Gallium ist.