DE10205323A1

DE10205323A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE10205323A1
Application number: DE10205323A
Authority: DE
Inventors: Masahito Otsuki; Seiji Momota; Mitsuaki Kirisawa; Takashi Yoshimura
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2022-02-09
Also published as: DE10205323B4; US6559023B2; US20020127783A1

Abstract

Nach der Bildung einer Emitterelektrode (5) an der ersten Hauptfläche eines Halbleitersubstrats, wird dessen zweite Hauptfläche auf eine spezifizierte Decke poliert. Der arithmetische Mittenrauhwert Ra der polierten Oberfläche wird so eingestellt, daß er nicht mehr als 1 mum beträgt, und die gefilterte Mittenlinienwelligkeit Wca wird innerhalb von 10 mum gehalten. Die polierte Oberfläche wird mit in Wasser gelösten Chemikalien selektiv gereinigt, um Partikel zu entfernen. In die gereinigte Oberfläche werden Phosphorionen implantiert, um eine Feldstoppschicht (24) zu bilden, und es werden Borionen zur Bildung einer Kollektorschicht (9) implantiert. Dann wird der Wafer in einen Diffusionsofen gebracht und bei einer Temperatur zwischen 300 DEG C und 550 DEG C angelassen, um die Feldstoppschicht (24) und die Kollektorschicht (9) zu vollenden. Schließlich wird eine Kollektorelektrode (10) gebildet. Der Abschnitt der Kollektorelektrode (10), der in Kontakt mit dem Halbleitermaterial steht, wird aus Aluminium oder Platin mit einer Dicke von nicht weniger als 0,3 mum hergestellt. Mit diesem Verfahren kann ein IGBT unter Verwendung eines kostengünstigen Wafers mit hohen Ausbeuten hergestellt werden, bei dem die Verluste gering sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT).

Als IGBTs sind Bauelemente mit planaren Gate-Strukturen wie die beispielsweise in Fig. 30 und 31 gezeigten und Bauelemente mit Trench-Gate-Strukturen wie die beispielsweise in Fig. 32 und 33 gezeigten bekannt. Ein in Fig. 30 oder Fig. 32 gezeigter Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT umfaßt: eine Basisschicht 2, die sich aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat zusammensetzt, das beispielsweise aus einem FZ-Wafer hergestellt ist; eine p-leitende Kanaldiffusionszone 3, eine n-leitende Emitterdiffusionszone 4, eine Emitterelektrode 5, einen Gate-Isolierfilm 6, eine Gate- Elektrode 7 und einen Isolierfilm 8, die an einer Hauptfläche des Substrats gebildet sind; und eine p-leitende Kollektorschicht 9 sowie eine Kollektorelektrode 10, die an der zweiten Hauptfläche des Substrats gebildet sind.

Ein in Fig. 31 und Fig. 33 gezeigter Durchgreifspannungs-IGBT verwendet einen Wafer, der ein Epitaxialwafer ist, und umfaßt einen p-leitenden Wafer 11, eine n-leitende Halbleiterschicht 12 sowie eine weitere n-leitende Halbleiterschicht 13, deren Dotierstoffkonzentration geringer als diejenige der Halbleiterschicht 12 ist, wobei die zwei n-leitenden Halbleiterschichten auf dem p- leitenden Wafer 11 epitaktisch aufgewachsen werden. Der p-leitende Wafer 11 bildet eine Kollektorschicht 9; die Halbleiterschicht 12 auf der Kollektorschicht bildet eine Pufferschicht 14, und die Halbleiterschicht 13 auf der Pufferschicht bildet eine Basisschicht 2. Im Oberflächenbe reich auf der Seite der Basisschicht 2 des Epitaxialwafers sind eine p-leitende Kanaldiffusionszone 3, eine n-leitende Emitterdiffusionszone 4, eine Emitterelektrode 5, ein Gate-Isolierfilm 6, eine Gate-Elektrode 7 und ein Isolierfilm 8 gebildet. Eine Kollektorelektrode 10 ist auf der Oberfläche auf der Seite der Kollektorschicht 9 gebildet, welche die Rückseite des Epitaxialwafers darstellt.

Der vorgenannte Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT weist jedoch den Nachteil großer Verluste aufgrund der dicken Basisschicht 2 auf, die aber erforderlich ist, damit sich die Verarmungs schicht beim Ausschaltvorgang nicht über die Dicke der Basisschicht 2 hinaus ausdehnt. Beim ebenfalls vorgenannten Durchgreifspannungs-IGBT beträgt die Dicke der Basisschicht 2 etwa 120 µm für ein Beispiel mit einer Sperrspannungsklasse von 1200 V. Dieser Wert der Dicke ist kleiner als die Dicke von etwa 180 µm der Basisschicht eines Nicht-Durchgreifspannungs-IGBTs, was zu niedrigeren Verlusten beim Durchgreifspannungs-IGBT führt. Der Durchgreifspannungs-IGBT weist jedoch den Nachteil höherer Kosten des Chips auf, die durch die niedrigere Ausbeute des Chips und die höheren Kosten (mehr als doppelt so hoch) des Epitaxialwafers im Vergleich zum FZ-Wafer bestehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines IGBTs, zu schaffen, mit dem dieses bzw. dieser unter Verwendung eines kostengünstigen Wafers mit hoher Ausbeute so erzeugt werden kann, daß geringe Verluste auftreten.

Um diese Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, bei dem ein Wafer, beispielsweise ein FZ-Wafer, der von einem Block abgeschnitten wird und poliert sowie an seiner Oberfläche gereinigt wird, verwendet wird, wobei der Großteil des Wafers eine Basisschicht bildet. Das Verfahren umfaßt Schritte der Bildung einer p-leitenden Kanaldiffusionsschicht, einer n-leitenden Emitterdiffusionsschicht, einer Emitterelek trode, eines Gate-Isolierfilms und einer Gate-Elektrode im Oberflächenbereich einer Hauptfläche des Wafers. Das Verfahren umfaßt Schritte des anschließenden Implantierens von Phosphorionen in einen flachen Abschnitt an der Rückseite des Wafers und des darauffolgenden Implantierens von Borionen in einen Abschnitt des Wafers, der nicht so tief reicht wie der vorgenannte flache Abschnitt. Dann wird der Wafer geglüht, um eine n-leitende Dotierstoffdiffusionsschicht (nachstehend als Feldstoppschicht bezeichnet) zum Stoppen des elektrischen Felds und eine Kollektorschicht zu bilden, auf der eine Kollektorelektrode gebildet wird.

Die durch Xfs-Xj definierte Dicke dieser Feldstoppschicht beträgt 0,5 µm bis 3 µm, wobei Xfs die Tiefe ist, in der die Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht doppelt so hoch wird wie die Dotierstoffkonzentration der Basisschicht, und Xj ist die Tiefe des Zonenübergangs zwischen der Feldstoppschicht und der Kollektorschicht.

Ein Grund, warum die Dicke der Feldstoppschicht, Xfs-Xj, im vorgenannten Bereich liegt, besteht darin, daß bei der Bildung der Feldstoppschicht mittels Ionenimplantation die maximale Tiefe aufgrund der zum gegenwärtigen Zeitpunkt zur Verfügung stehenden Energiegrenze der Ionenim plantation bei 3 µm liegt. Andererseits liegt der Grund für die untere Grenze darin, daß eine Diffusionsschicht, die dünner als die oben angegebene untere Grenze ist, durch Ionenimplantation mit präziser Steuerung nur schwierig zu bilden ist.

Es ist vorteilhaft, die Borionen zu implantieren, während das Halbleitersubstrat bei einer Tempera tur gehalten wird, die niedriger als Raumtemperatur ist, beispielsweise bei 80 K. Wenn die Borionen bei solch tiefen Temperaturen implantiert werden, ist die Aktivierungsrate beim Glühvorgang höher als bei der Implantation bei einer Temperatur, die nicht niedriger als die Raumtemperatur ist, und eine Aktivierungsrate von 15 bis 60% kann für eine Glühtemperatur zwischen 400°C und 550°C erzielt werden. Dies ist effektiv, um die Borkonzentration in der Kollektorschicht ohne Erhöhung der Menge der in die Kollektorschicht implantierten Ionen und ohne Erhöhung der Glühtemperatur zu erhöhen.

Ein Grund für die obere Grenze der Glühtemperatur gemäß den Ansprüchen 4 und 5 besteht darin, die Emitterelektrode vor dem Schmelzen und den Kontaktwiderstand vor einer Erhöhung zu bewahren. Ein weiterer Grund besteht darin, die Aktivierungsrate von Phosphor auf unter 15% zu drücken, so daß die Borkonzentration höher gehalten wird als die Phosphorkonzentration. Die untere Grenze ist dagegen die niedrigste Temperatur zum Aktivieren der implantierten Phosphor ionen.

Der Grund für die Obergrenze der Bestrahlungsenergiedichte gemäß Anspruch 6 besteht darin, die Oberflächenrauhigkeit, den arithmetischen Mittenrauhwert, auf nicht mehr als 1 µm zu drücken, um den Leckstrom auf ein Minimum zu begrenzen. Die untere Grenze der Strahlungs energiedichte liegt bei 0,5 J/cm², weil darunter die implantierten Ionen kaum aktiviert werden.

Wenn das Glühen mit kombinierten Verfahren gemäß Anspruch 7 ausgeführt wird, kann eine höhere Aktivierungsrate der Borionen erzielt werden.

Wenn der arithmetische Mittenrauhwert Ra gemäß Anspruch 8 unterhalb von 1 µm liegt, kann der Leckstrom Ir weniger als 1 mA betragen, was die zulässige Grenze ist. Wenn jedoch Ra 1 µm übersteigt, steigt der Leckstrom auf 1 mA und mehr an, und es ist wahrscheinlich, daß eine thermische Zerstörung auftritt. Der arithmetische Mittenrauhwert ist im Abschnitt B0601 der japanischen Industriestandards spezifiziert.

Die gefilterte Mittenlinienwelligkeit Wca der mit den implantierten Dotierstoffionen versehenen Oberfläche ist gemäß Anspruch 9 nicht größer als 10 µm. Wenn die gefilterte Mittenlinienwellig keit Wca unterhalb dieser Grenze liegt, ist der Abfall der Sperrspannung nicht signifikant. Wenn jedoch Wca 10 µm übersteigt, fällt die Sperrspannung stark ab. Die gefilterte Mittenlinienwellig keit ist im Abschnitt B0610 der japanischen Industriestandards spezifiziert.

Wenn die Oberfläche, an der die Ionenimplantation ausgeführt werden soll, gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 gereinigt wird, werden sehr effektiv Partikel entfernt, die eine Absenkung der Rate nicht-defekter Einheiten verursachen können.

Vorzugsweise wird die Kollektorelektrode durch Niederschlagen einer Mehrzahl von Metallen gebildet, wobei Aluminium oder Platin zuerst niedergeschlagen werden. Aluminium und Platin weisen eine Höhe des Potentialwalls gegenüber dem die Kollektorschicht und die Kontaktschicht bildenden p-leitenden Halbleitermaterial auf, die niedriger als die Höhe des Potentialwalls von Titan ist und zu einer niedrigen Durchlaßspannung führt. Das Aluminium und das Platin in jenem Teil weisen vorzugsweise eine Dicke von nicht weniger als 0,3 µm auf, um eine niedrige Durchlaßspannung beizubehalten.

Bei einem erfindungsgemäßen IGBT ist die Feldstoppschicht eine Dotierstoffdiffusionsschicht, die bei einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats mit einer Tiefe von nicht mehr als 3 µm gebildet ist, was die maximale Tiefe darstellt, die mit der Energiegrenze der Ionenimplantation praktisch herstellbar ist. D. h., diese Dotierstoffdiffusionsschicht kann mittels Ionenimplantation hergestellt werden. Daher kann der IGBT der Erfindung unter Verwendung eines kostengünstigen Wafers wie beispielsweise eines FZ-Wafers wie ein Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT mit hohen Ausbeu ten hergestellt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellten Halbleiterbauelements;

Fig. 2 ein Diagramm, das ein Dotierstoffprofil nahe einer Kollektorschicht eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau zeigt;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsverfahrens für den IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsverfahrens für den IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsverfahrens für den IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsverfahrens für den IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsverfahrens für den IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsverfahrens für den IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau;

Fig. 9 ein Diagramm, das Ergebnisse von Experimenten zur Beziehung zwischen dem Leckstrom und dem arithmetischen Mittenrauhwert auf der Kollektorschichtoberfläche eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau zeigt;

Fig. 10 ein Diagramm, das Ergebnisse von Experimenten zur Beziehung zwischen der normier ten Sperrspannung und der gefilterten Mittenlinienwelligkeit der Basisschicht eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau zeigt;

Fig. 11 ein Diagramm, welches das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Anteil nicht-defekter Einheiten und der Anzahl an Partikeln mit einem Durchmesser von mehr als 0,3 µm zeigt, die an der Ionenimplantationsoberfläche eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau anhaften;

Fig. 12 ein Diagramm, welches das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen einem Reinigungsverfahren und dem Partikelentfernungseffekt bei einem IGBT mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau zeigt;

Fig. 13 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Beschleunigungsenergie und der Reichweite der Implantierung von Phosphorionen, Borionen und BF₂ ⁺-Ionen zeigt;

Fig. 14 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Auftreffwinkel und der Reichweite beim Implantieren von Borionen zeigt;

Fig. 15 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Aktivierungsrate, der Glühtemperatur und der Wafertemperatur beim Implantieren von Borionen zeigt;

Fig. 16 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Aktivierungsrate und der Temperatur beim Diffusionsofenglühen von Phosphor und Bor zeigt;

Fig. 17 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Aktivierungsrate und der Temperatur beim schnellen thermischen Glühen von Phosphor und Bor zeigt;

Fig. 18 ein Diagramm, welches das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen dem arithmetischen Mittenrauhwert und der Strahlungsenergiedichte beim Laserglühen zeigt;

Fig. 19 ein Diagramm, welches das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Aktivierungsrate von Dotierstoffbor und der Strahlungsenergiedichte beim Laserglühen zeigt;

Fig. 20 ein Diagramm, welches das Ergebnis des Vergleichs zwischen der Aktivierungsrate von Bor, die nur durch Laserglühen erzielt wurde, und der Aktivierungsrate, die durch die Kombination aus Laserglühen und Diffusionsofenglühen erzielt wurde, zeigt;

Fig. 21 ein Diagramm, welches das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Durchlaßspannung und der Höhe ϕ_Bn des Potentialwalls der Kollektorelektrodenmateria lien zeigt;

Fig. 22 ein Diagramm, welches das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Durchlaßspannung und der Filmdicke von Aluminium als Kollektorelektrodenmaterial zeigt;

Fig. 23 eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines mittels eines erfindungsge mäßen Verfahrens hergestellten Halbleiterbauelements;

Fig. 24 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsprozesses für einen IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau;

Fig. 25 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsprozesses für einen IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau;

Fig. 26 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsprozesses für einen IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau;

Fig. 27 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsprozesses für einen IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau;

Fig. 28 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsprozesses für einen IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau;

Fig. 29 eine Querschnittsansicht eines IGBTs in einem Stadium des Herstellungsprozesses für einen IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau;

Fig. 30 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines herkömmlichen IGBTs;

Fig. 31 eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines herkömmlichen IGBTs;

Fig. 32 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines herkömmlichen IGBTs; und

Fig. 33 eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines herkömmlichen IGBTs.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Halbleiterbauelements. Dieses Halbleiterbauelement ist ein IGBT mit einer planaren Gate-Struktur und einer Basisschicht 2, die aus einem n-leitenden Halbleitersubstrat 1 gebildet ist, das beispielsweise aus einem Silicium-FZ-Wafer hergestellt ist. An der Oberfläche der Basisschicht 2 ist eine p-leitende Kanaldiffusionszone 3 gebildet. In dieser Kanaldiffusionszone 3 ist eine n-leitende Emitterdiffusionszone 4 gebildet.

Auf einem Teil dieser Emitterdiffusionszone 4 ist eine Gate-Elektrode 7 unter Zwischenlage eines Gate-Isolierfilms 6 gebildet. Eine Emitterelektrode 5 ist mit der Kanaldiffusionszone 3 und der Emitterdiffusionszone 4 elektrisch verbunden und durch einen Isolierfilm 8 gegenüber der Gate- Elektrode 7 isoliert. In einem flachen Abschnitt der Rückseite der Basisschicht 2 ist eine aus einer n-leitenden Dotierstoffdiffusionsschicht gebildete Feldstoppschicht 24 gebildet. Eine p-leitende Kollektorschicht 9 ist in einem flachen Abschnitt der Basisschicht 2 an deren Rückseite gebildet. Eine Kollektorelektrode 10 ist auf der Kollektorschicht 9 gebildet.

Fig. 2 zeigt ein Dotierstoffprofil nahe der Kollektorschicht 9 des IGBTs mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau. In Fig. 2 bezeichnen Cb, Ccp und Cfp die Dotierstoffkonzentration in der Basisschicht 2, die Spitzendotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 bzw. die Spitzendo tierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 24. Xcp und Xfp sind jeweils die Tiefe, bei der die Dotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 bzw. der Feldstoppschicht 24 ihren maximalen Wert annimmt. Xfs gibt die Tiefe an, bei der die Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 24 doppelt so groß wie die Dotierstoffkonzentration Cb der Basisschicht 2 ist. Diese Tiefen sind die Abstände von der Grenzfläche zwischen der Kollektorschicht 9 und der Kollektorelektrode 10. Obwohl dies nicht in Fig. 1 gezeigt ist, kann eine Kontaktschicht zwischen der Kollektorschicht 9 und der Kollektorelektrode 10 gebildet sein. Die Kontaktschicht weist eine Dotierstoffkonzentra tion auf, die höher als in der Kollektorschicht ist, und sie bildet mit geringem Widerstand einen Kontakt mit der Kollektorelektrode.

Xfs-Xj kann als Dicke der Feldstoppschicht 24 in dem in Fig. 1 gezeigten IGBT verwendet werden. Der Wert dieser Dicke liegt im Bereich von 0,5 µm bis 3 µm. Da bei dieser Ausführungs form die Feldstoppschicht 24 mittels Ionenimplantation gebildet ist, beträgt die maximale Tiefe der Ionenimplantation aufgrund der Beschränkung der in der Praxis zur Verfügung stehenden Ionenimplantationsenergie 3 µm. Somit können Ionen nicht in einen Bereich implantiert werden, der tiefer als die vorstehend angegebene obere Grenze reicht.

Andererseits basiert die untere Grenze auf der Tatsache, daß eine Diffusionsschicht, die dünner als die oben angegebene untere Grenze ist, in der Praxis durch Ionenimplantation mit präziser Steuerung nicht hergestellt werden kann. Wenn jedoch die Ionenimplantationsanlagen so verbessert würden, daß die Ionen tiefer als die vorgenannte obere Grenze implantiert werden, oder die Diffusionsschicht flacher als die vorgenannte untere Grenze mit präziser Steuerung gebildet werden könnte, könnte der Bereich der Dicke der Feldstoppschicht nach Maßgabe der technologischen Entwicklung über die vorstehend angegebenen Beschränkungen hinaus verändert werden.

Der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrats oder der spezifische Widerstand des FZ- Wafers ist in der Dickenrichtung gleichförmig bzw. homogen und weist beispielsweise einen Wert von 60 Ωcm auf. Hier bedeutet "gleichförmig" bzw. "homogen" in der Dickenrichtung, daß die Variation des spezifischen Widerstands innerhalb von ±20% in der Dickenrichtung des Wafers liegt. Der bei der Erfindung verwendete Wafer muß nicht unbedingt ein FZ-Wafer sein, vorausge setzt die Variation des spezifischen Widerstands in der Dickenrichtung liegt innerhalb von ±20%. Wenn der spezifische Widerstand des Wafers 60 Ωcm beträgt, beträgt der spezifische Wider stand der Basisschicht 2 60 Ωcm. Die Dicke der Basisschicht 2 beträgt etwa 120 µm für einen IGBT der Sperrspannung von 1200 V. Da die Feldstoppschicht 24 die Verarmungsschicht, die in der Basisschicht 2 während des Ausschaltens auftritt, genauso wie eine Pufferschicht eines herkömmlichen Durchgreifspannungs-IGBTs stoppt, braucht die Dicke der Basisschicht nur etwa gleich der Dicke der Basisschicht des herkömmlichen Durchgreifspannungs-IGBTs zu sein.

Nun wird ein Herstellungsprozeß eines speziellen Beispiels eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau unter Bezug auf die Fig. 3 bis 8 beschrieben. Zuerst wird ein Gate-Isolier film 6 auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 1 gebildet, das sich aus einem FZ-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 60 Ωcm zusammensetzt. Auf dem Gate- Isolierfilm 6 wird polykristallines Silicium für die Bildung einer Gate-Elektrode niedergeschlagen. Ein Fenster wird in dem einer Kanaldiffusionszone 3 entsprechenden Bereich in den Gate- Isolierfilm 6 und der Gate-Elektrode 7 durch Fotolithografie und Ätzen freigelegt, und es werden Borionen hier implantiert. Der Querschnittsaufbau bei dieser Stufe des Verfahrens ist in Fig. 3 gezeigt.

Danach wird durch Mustern eines Fotoresists ein Abschnitt des Fotoresists 31 im mittleren Teil des der Kanaldiffusionszone 3 entsprechenden Fensters stehengelassen. Unter Verwendung des Fotoresists 31 als Maske werden Arsenionen in die Kanaldiffusionszone 3 implantiert. Der Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 4 gezeigt. Nach der Entfernung des Fotoresists 31 wird eine Wärmebehandlung ausgeführt, um die durch die Ionenimplantation verursachten Schäden zu beheben und die implantierten Ionen zu aktivieren, was zur Bildung der Kanaldiffu sionszone 3 und einer Emitterdiffusionszone 4 führt. Dann wird ein Isolierfilm 8 aufgeschichtet. Durch Ätzen des Isolierfilms 8 werden ein Teil der Kanaldiffusionszone 3 und ein Teil der Emitterdiffusionszone 4 freigelegt. Dann wird eine Emitterelektrode 5 aus beispielsweise Aluminium niedergeschlagen. Der Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 5 gezeigt.

Der resultierende Wafer wird von der anderen Hauptfläche des Substrats 1 aus bis auf eine Dicke von 120 µm abgeschliffen und poliert. Der arithmetische Mittenrauhwert Ra der polierten Oberfläche wird so eingestellt, daß er nicht größer als 1 µm ist, und die gefilterte Mittenlinien welligkeit Wca der polierten Oberfläche wird so eingestellt, daß sie nicht mehr als 10 µm beträgt. Der Wafer wird dann auf eine Rotationsreinigungsvorrichtung zur Bearbeitung eines einzelnen Wafers mit der polierten Oberfläche als der zu reinigenden Oberfläche nach oben montiert und unter Verwendung eines Reinigungsmittels aus einer Mischung aus Ammoniak und Wasserstoff peroxid auf der polierten Oberfläche des Wafers selektiv gereinigt, um an der Waferoberfläche anhaftende Partikel zu entfernen.

Es wird nur die polierte Oberfläche selektiv gereinigt, da die entgegengesetzte Oberfläche bereits mit einer Emitterelektrode 5 und anderen Teilen versehen ist. Danach werden in die gereinigte Oberfläche Phosphorionen mit einer Beschleunigungsenergie von 100 keV oder mehr implantiert, um eine Feldstoppschicht 24 zu bilden. Der Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 6 gezeigt.

Danach werden Borionen implantiert, um eine Kollektorschicht 9 zu bilden. Die Beschleunigungs energie und der Auftreffwinkel bei der Ionenimplantation werden bei diesem Schritt so eingestellt, daß die Reichweite der Borionen kürzer als diejenige der zuvor implantierten Phosphorionen ist. Die Dosis wird so gesteuert, daß die Dotierstoffkonzentration in der Kollektorschicht 9 größer ist als die Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 24, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Temperatur des Wafers beim Implantieren der Borionen ist vorzugsweise niedriger als Raumtemperatur. Borionen können des weiteren in den Oberflächenbereich der Kollektorschicht 9 implantiert werden, um eine Kontaktschicht mit höherer Konzentration als diejenige der Kollektorschicht 9 zu bilden. Die Kontaktschicht kann durch Implantieren von BF₂ ⁺-Ionen anstatt der Borionen gebildet werden. Die Beschleunigungsenergie und der Auftreffwinkel werden so eingestellt, daß die Reichweite der Ionen für die Kontaktschicht kürzer als diejenige der zuvor implantierten Borionen für die Kollektorschicht ist. Fig. 7 zeigt den Querschnitt in diesem Stadium.

Danach wird der Wafer beispielsweise in einen Diffusionsofen gebracht und einer Wärmebe handlung unterzogen, um durch die Ionenimplantation verursachte Schäden zu beheben und die implantierten Ionen zu aktivieren. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur ausgeführt, die kein Schmelzen der Emitterelektrode oder eine Erhöhung des Kontaktwiderstands verursacht, beispielsweise bei einer Temperatur von 300°C bis 550°C, wenn die Emitterelektrode aus Aluminium hergestellt ist. Somit sind eine Feldstoppschicht 24, eine Kollektorschicht 9 und eine nicht gezeigte Kontaktschicht gebildet, wie in Fig. 8 gezeigt. Schließlich wird eine Kollektorelek trode 10 auf der Kontaktschicht niedergeschlagen. Wenn die Kollektorelektrode 10 durch Aufschichten einer Mehrzahl von Schichten aus verschiedenen Metallen gebildet wird, wird vorzugsweise Aluminium oder Platin zuerst mit einer Dicke von beispielsweise 0,3 µm bis 1 µm aufgeschichtet. Auf diese Weise wird ein IGBT mit einem Aufbau gemäß Darstellung in Fig. 1 fertiggestellt.

Bei dem oben beschriebenen Herstellungsprozeß wird der arithmetische Mittenrauhwert Ra so gesteuert, daß er auf der Oberfläche zur Bildung der Kollektorschicht 9 und anderer Teile nicht größer als 1 µm ist, wofür der Grund nachstehend erläutert wird. Fig. 9 ist ein Diagramm, das experimentelle Daten der Beziehung zwischen dem Leckstrom Ir und dem arithmetischen Mittenrauhwert der Oberfläche des Kollektors eines IGBTs mit einem Aufbau gemäß Darstellung in Fig. 1 zeigt. Fig. 9 gibt an, daß, wenn der arithmetische Mittenrauhwert Ra nicht größer als 1 µm ist, der Leckstrom Ir nicht größer als 1 mA ist, was im zulässigen Bereich liegt. Da der Leckstrom exponentiell zunimmt, wenn der arithmetische Mittenrauhwert Ra 1 µm übersteigt, steigt der Leckstrom Ir steil auf über 1 mA an, und es ist wahrscheinlich, daß eine thermische Zerstörung auftritt.

Als nächstes wird nachstehend der Grund dafür erläutert, warum die gefilterte Mittenlinienwellig keit Wca auf der Oberfläche zur Bildung der Kollektorschicht 9 und anderer Teile nicht größer als 10 µm ist. Wenn die Basisschicht 2 nach der Bildung der Emitterelektrode 5 in dem oben beschriebenen Herstellungsprozeß auf eine spezifizierte Dicke poliert wird, werden Unebenheiten auf der polierten Seitenfläche des Wafers entsprechend den Unregelmäßigkeiten auf der Oberflä che der Seite der Emitterelektrode erzeugt. Fig. 10 zeigt ein experimentelles Ergebnis der Beziehung zwischen der normierten Sperrspannung und der gefilterten Mittenlinienwelligkeit in der Basisschicht 2 eines IGBTs mit einem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Die Fig. 10 gibt an, daß die Abnahme der Sperrspannung nicht signifikant ist, wenn die gefilterte Mittenlinienwelligkeit nicht größer als 10 µm ist. Wenn die Welligkeit jedoch 10 µm übersteigt, fällt die Sperrspannung abrupt ab. Demzufolge ist es bevorzugt, daß die gefilterte Mittenlinienwelligkeit Wca nicht größer als 10 µm ist, um einen Abfall der Sperrspannung zu unterdrücken.

Der Grund für die Reinigung mit in Wasser gelösten Chemikalien unter Verwendung einer Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid vor der Ionenimplantation wird im folgenden erläutert. Fig. 11 zeigt ein Ergebnis der Studie über die Beziehung zwischen dem Anteil nicht defekter IGBTs und der Anzahl an Partikeln mit einem Durchmesser von mehr als 0,3 µm, die an der Oberfläche für die Ionenimplantation in IGBTs mit einem in Fig. 1 gezeigten Aufbau anhaften. Fig. 11 gibt an, daß mit abnehmender Anzahl an Partikeln der Anteil der nicht-defekten IGBTs ansteigt und die Ausbeute verbessert wird.

Fig. 12 zeigt ein Ergebnis der Studie über die Beziehung zwischen Reinigungsverfahren und dem Partikelbeseitigungseffekt in einem IGBT mit einem Aufbau gemäß Fig. 1. Fig. 12 zeigt, daß, wenn eine Reinigungsflüssigkeit aus einer Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid, die in der Figur mit SC1 bezeichnet ist, verwendet wird, das Verhältnis der Anzahl an Partikeln nach dem Reinigen zur Anzahl an Partikeln vor dem Reinigen nahezu 0 ist, was bedeutet, daß nahezu alle Partikel eliminiert werden. Somit ist eine Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid eine effektive Reinigungsflüssigkeit, bei der das Verhältnis an nicht-defekten IGBTs 1 wird.

Aus Fig. 12 ist des weiteren ersichtlich, daß eine Ultraschallreinigung effektiver ist als einfaches Waschen mit Wasser und DHF-Behandlung (Behandlung mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure). Diese Ultraschallreinigung wäscht eine Waferoberfläche unter Verwendung von funktionellem Wasser, das aus hochreinem Wasser unter Zusatz von Wasserstoff und ozonisiertem hochreinem Wasser besteht, in Kombination mit sogenanntem "Megaschall" (Verfahren zur Ultraschallreini gung, bei dem zur Erzielung eines hohen Reinigungsgrads die Frequenz auf 0,8 bis 3 MHz eingestellt ist). Die Ultraschallreinigung reinigt des weiteren selektiv nur eine Fläche unter Verwendung einer Rotationsreinigungsvorrichtung. Zwei oder mehrere Reinigungsprozesse können ausgeführt werden, indem die Reinigung unter Verwendung der Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid und die oben beschriebene Ultraschallreinigung kombiniert werden. Es kann aber auch irgendeine andere Reinigungsflüssigkeit anstatt der Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid verwendet werden, welche den Partikelbeseitigungseffekt aufweist.

Wenn die Ionenimplantation zur Bildung der Feldstoppschicht 24, der Kollektorschicht 9 und der Kontaktschicht ausgeführt wird, werden die Beschleunigungsenergie und der Auftreffwinkel der Ionen so eingestellt, daß die gewünschte Reichweite erzielt wird. Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der Beschleunigungsenergie und der Reichweite bei der Implantation von Phosphorio nen, Borionen und BF₂ ⁺-Ionen. Da Bor mit der Massenzahl 11 leicht ist, ist die Reichweite Rp selbst bei geringer Beschleunigungsenergie groß. Im Gegensatz dazu beträgt die Reichweite von Phosphor mit der Massenzahl von 31 bei gleicher Beschleunigungsenergie etwa ein Drittel bis zur Hälfte der Reichweite von Bor. Die Reichweite von BF₂ ⁺ mit der Massenzahl 49 ist bei der gleichen Beschleunigungsenergie etwa ein Viertel der Reichweite von Bor.

Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen der Reichweite und dem Auftreffwinkel von Borionen, die mit einer Beschleunigungsenergie von 100 keV implantiert werden. Es ist aus Fig. 14 ersichtlich, daß die Reichweite Rp durch Variieren des Auftreffwinkels der zu implantierenden Ionen bezüglich der Kristallorientierung von Silicium gesteuert werden kann. Somit kann auf der Basis der Beziehung zwischen der Beschleunigungsenergie und der Reichweite und der Beziehung zwischen dem Auftreffwinkel und der Reichweite eine geeignete Bedingung für die Ionenimplan tation ermittelt werden, wenn der vorstehend beschriebene Herstellungsprozeß ausgeführt wird.

Als nächstes wird der Grund für die Implantierung der Borionen bei einer Temperatur, die niedriger als die Raumtemperatur ist, erläutert. Fig. 15 zeigt die Beziehung zwischen der Aktivierungsrate und der Temperatur des Glühens für 10 Minuten nach der Borionenimplantation bei verschiedenen Wafertemperaturen mit einer Beschleunigungsenergie von 50 keV und einer Dosis von 1 × 10¹⁵ cm^-2. Fig. 15 gibt an, daß die Aktivierungsrate mit Erhöhung der Glühtempera tur verbessert wird. Es ist des weiteren gezeigt, daß die Aktivierungsrate der Borionen um etwa eine Größenordnung oder mehr höher ist, wenn die Aktivierung durch das Glühen nach der Ionenimplantation bei einer Temperatur ausgeführt wird, die niedriger als die Raumtemperatur, beispielsweise 80 K niedrig, als im Fall der Aktivierung durch Glühen nach der Ionenimplantation bei Raumtemperatur oder einer höheren Temperatur ist.

Die Gesamtdosis an Phosphor in der Feldstoppschicht 24 wird für IGBTs mit höherer Sperrspan nung und einem Aufbau gemäß Fig. 1 erhöht. Da die Dotierstoffkonzentration in der Kollektor schicht höher sein muß als diejenige in der Feldstoppschicht, wie vorstehend beschrieben, muß auch die Gesamtdosis in der Kollektorschicht 9 entsprechend der Zunahme der Gesamtdosis an Phosphor in der Feldstoppschicht erhöht werden. Es gibt jedoch eine Höchstmenge an Borionen, die implantiert werden können, und auch die Glühtemperatur ist auf etwa 550°C begrenzt, um die Emitterelektrode vor dem Schmelzen zu bewahren und einen übermäßigen Kontaktwiderstand zu vermeiden. Unter Berücksichtigung der obigen Bedingungen ist eine Implantation von Borionen bei niedriger Temperatur effektiv, um eine hohe Borkonzentration in der Kollektorschicht 9 zu erzielen, ohne weder die Dosis in der Kollektorschicht zu erhöhen noch die Glühtemperatur zu erhöhen, da die Implantation bei einer niedrigen Temperatur von beispielsweise 80 K selbst bei einer Glühtemperatur von 400°C bis 550°C eine Aktivierungsrate von 15% bis 60% ergibt.

Im folgenden wird der Grund für den bevorzugten Glühtemperaturbereich von 300°C bis 550°C bei der Wärmebehandlung nach dem Implantieren der Phosphorionen zur Bildung der Feldstopp schicht 24 und der Borionen zur Bildung der Kollektorschicht 9 angegeben. Einer der Gründe besteht darin, die Emitterelektrode 5 vor dem Schmelzen zu bewahren und einen übermäßigen Kontaktwiderstand zu vermeiden. Einer der anderen Gründe für die obere Grenze, 550°C, besteht darin, die Aktivierungsrate von Phosphor auf innerhalb von 15% zu drücken, um die Borkonzen tration höher zu machen als die Phosphorkonzentration. Fig. 16 zeigt die Beziehung zwischen der Aktivierungsrate und der Temperatur beim Diffusionsofenglühen von Phosphor und Bor. Fig. 16 gibt an, daß die Aktivierungsrate von Phosphor bei einer Temperatur von nicht mehr als 550°C nicht mehr als 15% beträgt. Die vorgenannte untere Grenze, 300°C, beruht auf der Tatsache, daß Phosphor unterhalb von 300°C nicht aktiviert wird.

Das Glühen kann anstatt eines Verfahrens unter Verwendung eines Diffusionsofens durch ein Lampenglühverfahren ausgeführt werden, das ein schnelles thermisches Glühen ist. Die bevor zugte Glühtemperatur bei diesem Lampenglühverfahren ist der Bereich von 300°C bis 600°C. Der Grund für diesen Bereich ist ähnlich wie bei dem vorgenannten Glühen unter Verwenden eines Diffusionsofens. Der obere Grenzwert, 600°C, beruht insbesondere auf der Tatsache, daß die Aktivierungsrate von Phosphor durch schnelles thermisches Glühen selbst bei einer Tempera tur von 600°C nicht größer als 15% ist. Fig. 17 zeigt die Beziehung zwischen der Glühtempera tur und der Aktivierungsrate von Phosphor und Bor beim schnellen thermischen Glühen.

Das Glühen kann anstatt eines Verfahrens unter Verwendung eines Diffusionsofens auch durch ein Laserglühverfahren ausgeführt werden. Die Wellenlänge des bei diesem Verfahren verwende ten Laserlichts liegt im Bereich zwischen 150 nm und 1060 nm. Spezielle Beispiele des Lasers für diese Zwecke sind beispielsweise der KrF-Laser mit 248 nm, der XeCl-Laser mit 308 nm, der XeF-Laser mit 351 nm, die zweite Harmonische des YAG-Lasers mit 532 nm und der YAG-Laser mit 1060 nm. Die Strahlungsenergiedichte liegt im Bereich zwischen 0,5 und 3 J/cm². Eine Strahlungsenergiedichte oberhalb der oberen Grenze von 3 J/cm² erzeugt eine Rauheit, insbesondere des arithmetischen Mittenrauhwerts, von mehr als 1 µm auf der Oberfläche der durch das Laserlicht bestrahlten Kollektorschicht. Ein arithmetischer Mittenrauhwert von mehr als 1 µm verursacht einen abrupten Anstieg des Leckstroms Ir über 1 mA hinaus, was gemäß früherer Darstellung unter Bezug auf Fig. 9 unerwünscht ist.

Fig. 18 zeigt das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Strahlungsenergiedichte und dem arithmetischen Mittenrauhwert beim Laserglühen. Die untere Grenze 0,5 J/cm² beruht auf der Tatsache, daß die Strahlung mit einer unterhalb dieses Werts liegenden Energiedichte die implantierten Ionen nicht aktiviert. Fig. 19 zeigt das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Strahlungsenergiedichte und der Aktivierungsrate des Bordotierstoffs beim Laserglühen.

Außer der Anwendung eines einzigen Verfahrens kann das Glühen auch durch Kombinieren von zwei oder drei Verfahren ausgeführt werden, die aus den oben beschriebenen Verfahren ausgewählt werden: Glühen unter Verwendung eines Diffusionsofens, schnelles thermisches Glühen und Laserglühen. Fig. 20 zeigt einen Vergleich zwischen der durch nur Laserglühen erzielten Aktivierungsrate von Bor und der durch eine Kombination aus Laserglühen und Diffu sionsofenglühen erzielten Aktivierungsrate. Es wird gezeigt, daß die Aktivierungsrate bei der Kombination aus Laserglühen und Diffusionsofenglühen höher ist als bei einem einzigen Prozeß des Laserglühens für jedes Laserglühen mit einem KrF-Laser mit 248 nm, mit einem XeCl-Laser mit 308 nm, einem XeF-Laser mit 351 nm und einem YAG-Laser mit 1060 nm.

Da die Charakteristika eines IGBTs mit einem in Fig. 1 gezeigten Aufbau von der Injizierung von Löchern aus der Kollektorschicht 9 abhängen, muß die Menge an Bor in der Kollektorschicht gesteuert werden. Wenn die minimale Rauhigkeit auf der Oberfläche der Kollektorschicht 9 bei dem Aktivierungsprozeß des Bors angestrebt wird, ergibt die Kombination aus Laserglühen mit Diffusionsofenglühen eine verbesserte Aktivierungsrate und erleichtert somit die Steuerung der Sättigungsspannung V_CE(sat) zwischen dem Kollektor und dem Emitter. In Fig. 20 sind die Daten mit einer Strahlungsenergiedichte von 1,3 J/cm² und einer Temperatur des Diffusionsofenglühens von 400°C gewonnen worden.

Nachstehend wird der Grund für die Verwendung von Aluminium oder Platin in dem Abschnitt der Kollektorelektrode 10 angegeben, der in Kontakt mit dem Halbleitermaterial steht. Fig. 21 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Durchlaßspannung und der Höhe ϕ_Bn des Potential walls einiger Kollektorelektrodenmaterialien zeigt: Aluminium, Platin und Titan. Fig. 21 gibt an, daß Aluminium und Platin eine größere Höhe des Potentialwalls zu einem n-leitenden Halbleiter aufweisen als Titan. In anderen Worten weisen Aluminium und Platin eine niedrigere Höhe des Potentialwalls zu einem p-leitenden Halbleiter auf und ermöglichen eine geringe Durchlaßspan nung.

Da die Kollektorschicht 9 und die Kontaktschicht eines IGBTs mit einem in Fig. 1 gezeigten Aufbau eine geringe Dotierstoffkonzentration aufweisen und eine übermäßig große Höhe des Potentialwalls in Kontakt mit Titan besitzen, muß bei diesen Schichten Aluminium oder Platin eingesetzt werden. Der Grund dafür, daß die Dicke des Aluminiums oder Platins nicht kleiner als 0,3 µm ist, besteht darin, daß die Durchlaßspannung zu hoch ist, wenn die Dicke kleiner als 0,3 µm ist. Fig. 22 zeigt das Ergebnis der Untersuchung der Beziehung zwischen der Durchlaßspan nung und der Dicke von Aluminium als Kollektorelektrodenmaterial. Wenn die Dicke des Alumi niumfilms über 0,5 µm hinaus zunimmt, erreicht die Durchlaßspannung einen Wert zwischen 1,7 V und 1,8. Demzufolge braucht keine Grenze der Filmdicke von Aluminium oder Platin festgesetzt werden. Unter Berücksichtigung der Kosten und der Niederschlagszeit und der Tatsache, daß ein zu dicker Film ein Verziehen verursacht, beträgt die Dicke beispielsweise in geeigneter Weise nicht mehr als 1 µm.

Fig. 23 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterbauelements. Dieses Halbleiterbauelement ist ein IGBT mit einer Graben- bzw. Trench-Gate-Struktur. Die Basisschicht 2 ist aus einem n-leitenden Halbleitersub strat 1 gebildet, das aus einem Silicium-FZ-Wafer hergestellt ist. Auf einer Oberfläche der Basisschicht 2 ist eine p-leitende Kanaldiffusionszone 3 gebildet. In der Kanaldiffusionszone 3 ist eine n-leitende Emitterdiffusionszone 4 gebildet. Im mittleren Teil der Kanaldiffusionszone 3 ist ein die Emitterdiffusionszone 4 durchsetzender Graben bzw. Trench gebildet. Eine Gate-Elektrode 7 ist in diesem Trench gebildet, wobei ein Gate-Isolierfilm 6 die Innenfläche des Trenches bedeckt.

Eine Emitterelektrode 5 ist mit der Kanaldiffusionszone 3 und der Emitterdiffusionszone 4 elektrisch verbunden und bezüglich der Gate-Elektrode 7 durch einen Isolierfilm 8 isoliert. In einem flachen Abschnitt des rückseitigen Oberflächenbereichs der Basisschicht 2 ist eine Feldstoppschicht 24 gebildet. Eine p-leitende Kollektorschicht 9 ist in dem Abschnitt des rückseitigen Oberflächenbereichs gebildet, der nicht so tief reicht wie die Feldstoppschicht 24. Eine Kollektorelektrode 10 ist auf der Kollektorschicht 9 gebildet.

Der in Fig. 23 gezeigte IGBT unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten IGBT nur dadurch, daß der IGBT in Fig. 23 eine Trench-Gate-Struktur aufweist, während der IGBT in Fig. 1 eine planare Gate-Struktur aufweist. Somit liegt im IGBT von Fig. 23 die Dicke Xfs-Xj der Feldstopp schicht 24 zwischen 0,5 µm und 3 µm.

Nun wird ein Herstellungsprozeß eines IGBTs mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau unter Bezug auf die Fig. 24 bis 29 beschrieben. Zuerst werden Borionen zur Bildung einer Kanaldiffusionszone 3 in eine Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 1 implantiert, der aus einem FZ-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 60 Ωcm gebildet ist. Dann wird ein Trench durch Fotolithografie und Ätzen gebildet. Der Querschnittsaufbau in diesem Stadium ist in Fig. 24 gezeigt.

Dann wird ein Gate-Isolierfilm 6 niedergeschlagen. Auf diesem Isolierfilm wird polykristallines Silicium zur Bildung einer Gate-Elektrode 7 niedergeschlagen. Der Gate-Isolierfilm und das polykristalline Silicium außerhalb des Trenches werden entfernt, wobei der Gate-Isolierfilm 6 und die Gate-Elektrode 7 im Trench verbleiben. Dann wird Fotoresist aufgebracht, und durch Musterung werden in den Bereichen entsprechend der Emitterdiffusionszone 4 Fenster freigelegt. Arsenionen werden unter Verwendung des Resists 32 als Maske in die Kanaldiffusionszone 3 implantiert. Der Querschnitt in diesem Stadium ist in Fig. 25 gezeigt.

Nach dem Entfernen des Fotoresists 32 wird eine Wärmebehandlung ausgeführt, um die durch die Ionenimplantation verursachten Schäden zu beheben und die implantierten Ionen zu aktivie ren, wodurch die Kanaldiffusionszone 3 und die Emitterdiffusionszone 4 gebildet werden. Dann wird ein Isolierfilm 8 gebildet. Durch teilweises Ätzen des Isolierfilms 8 werden die Kanaldiffu sionszone 3 und ein Teil der Emitterdiffusionszone 4 freigelegt, während die Gate-Elektrode 7 bedeckt bleibt. Dann wird hierauf eine Emitterelektrode 5 niedergeschlagen. Der Querschnitt in diesem Stadium ist in Fig. 26 gezeigt.

Der Herstellungsprozeß nach diesem Stadium ist gleich wie bei einem IGBT mit der früher beschriebenen planaren Gate-Struktur. Nach dem Polieren des Wafers auf eine Dicke von 120 µm wird nämlich die polierte Oberfläche des Wafers unter Verwendung einer Mischung aus Ammo niak und Wasserstoffperoxid selektiv gereinigt. Dann werden Phosphorionen zur Bildung einer Feldstoppschicht 24 gemäß Darstellung in Fig. 27 implantiert. Das Polieren wird so ausgeführt, daß der arithmetische Mittenrauhwert Ra nicht größer als 1 µm ist und die gefilterte Mittenli nienwelligkeit Wca nicht mehr als 10 µm beträgt.

Danach werden Borionen zur Bildung der Kollektorschicht 9 und der Kontaktschicht implantiert, was nicht mit kürzerer Reichweite dargestellt ist, wie in Fig. 28 gezeigt. Bei der Implantation der Borionen wird der Wafer bei einer Temperatur gehalten, die niedriger ist als die Raumtemperatur. Danach wird Diffusionsofenglühen bei einer Temperatur zwischen 300°C und 550°C ausgeführt, um eine Feldstoppschicht 24 und eine Kollektorschicht 9 zu bilden, wie in Fig. 29 gezeigt. Auf der Oberfläche der Kollektorschicht 9 wird eine Kollektorelektrode 10 beispielsweise durch ein Sputterverfahren niedergeschlagen. In diesem Schritt wird zuerst Aluminium oder Platin mit einer Dicke von beispielsweise 0,3 µm niedergeschlagen. Somit ist ein IGBT mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau fertiggestellt.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines IGBTs mit dem in Fig. 23 gezeigten Aufbau sind die Schritte zur Bildung des Aufbaus auf der Seite der Kollektorschicht gleich wie die Schritte zur Bildung des Aufbaus auf der Seite der Kollektorschicht eines IGBTs mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Somit gelten die unter Bezug auf die Fig. 9 bis 22 erfolgten Erläuterungen in gleicher Weise für den Herstellungsprozeß eines IGBTs mit dem Aufbau von Fig. 23.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden die Feldstoppschicht 24 und die Kollektorschicht mittels Ionenimplantation gebildet. Daher kann der IGBT der Erfindung unter Verwendung eines kostengünstigen Wafers wie beispielsweise eines FZ-Wafers wie bei einem Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT mit hoher Ausbeute hergestellt werden. Des weiteren erlaubt das Vorsehen der Feldstoppschicht 24 es, daß die Basisschicht 2 so dünn ist wie beim Durchgreifspannungs-IGBT, wodurch die Verluste reduziert werden. Kurz gesagt ist der IGBT der Erfindung so kostengünstig wie ein Nicht-Durchgreifspannungs-IGBT und weist so niedrige Verluste wie ein Durchgreifspannungs-IGBT auf.

Bei den Ausführungsformen der Erfindung sind Modifikationen möglich. Beispielsweise kann ein Glühschritt nach jedem der Schritte der Ionenimplantation zur Bildung der Feldstoppschicht 24, der Kollektorschicht 9 und der Kontaktschicht ausgeführt werden. Der Glühprozeß nach der Ionenimplantation zur Bildung der Feldstoppschicht 24, der Kollektorschicht 9 und der Kontakt schicht können mittels eines Elektronenstrahlglühverfahrens oder eines Mikrowellenglühverfah rens ausgeführt werden. Außerdem können das Elektronenstrahlglühen und das Mikrowellenglü hen in Kombination mit dem Diffusionsofenglühen, dem schnellen thermischen Glühen oder dem Laserglühen kombiniert werden. Das Herstellungsverfahren der Erfindung kann bei allen IGBTs der Sperrspannungsklassen 600 V, 900 V, 1200 V, 1400 V, 1800 V, 2000 V, 2500 V und anderer Spannungsklassen eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, umfassend folgende Schritte:
Bilden einer p-leitenden Kanaldiffusionszone (3), einer n-leitenden Emitterdiffusionszone (4), einer Emitterelektrode (5), eines Gate-Isolierfilms (6) und einer Gate-Elektrode (7) an einer ersten Hauptfläche eines n-leitenden Halbleitersubstrats (1), das in seiner Dickenrichtung einen homogenen spezifischen Widerstand aufweist und eine Basisschicht (2) bildet;
Implantieren von Phosphorionen in einen flachen Abschnitt an der zweiten Hauptfläche des Substrats und Implantieren von Borionen in einen Abschnitt an der zweiten Hauptfläche, der weniger tief reicht als der flache Abschnitt, und anschließendes Glühen des Substrats, um eine n- leitende Dotierstoffdiffusionsschicht (24) mit einer Dotierstoffkonzentration zu bilden, die höher ist als die Dotierstoffkonzentration der Basisschicht, und um eine p-leitende Kollektorschicht (9) zu bilden, die weniger tief reicht als die Dotierstoffdiffusionsschicht, wobei Xfs-Xj in einem Bereich zwischen 0,5 µm und 3 µm liegt, wobei Xfs die Tiefe ist, bei der die Dotierstoffkonzen tration in der Dotierstoffdiffusionsschicht (24) doppelt so hoch wird wie die Dotierstoffkonzentra tion der Basisschicht (2), und Xj die Tiefe des Zonenübergangs zwischen der Dotierstoffdiffu sionsschicht (24) und der Kollektorschicht (9) ist; und
Bilden einer Kollektorelektrode (10) auf der Kollektorschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Bildens einer einen Kontakt zu der Kollektorelektrode (10) mit geringem Widerstand herstellenden Kontaktschicht durch Implantieren von Borionen oder BF₂ ⁺-Ionen in einen Abschnitt, der weniger tief reicht als die Kollektorschicht (9), vor der Bildung der Kollektorelektrode (10).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Implantierens von Borio nen ausgeführt wird, während das Substrat bei einer Temperatur gehalten wird, die niedriger als Raumtemperatur ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Glü hens das bei einer Temperatur zwischen 300°C und 550°C ausgeführte Diffusionsofenglühen ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Glü hens ein bei einer Temperatur zwischen 300°C und 600°C ausgeführtes schnelles thermisches Glühen ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Glü hens ein Laserglühen ist, bei dem mit Laserlicht mit einer Wellenlänge zwischen 150 nm und 1060 nm mit einer Strahlungsenergiedichte im Bereich zwischen 0,5 J/cm² und 3 J/cm² bestrahlt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des Polierens der zweiten Hauptfläche des Substrats (1), wobei der arithmetische Mittenrauhwert Ra nicht größer als 1 µm gemacht wird, vor dem Schritt des Implantierens der Phosphorionen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des Polierens der zweiten Hauptfläche des Substrats (1), wobei die gefilterte Mittenlinienwellig keit Wca nicht größer als 10 µm gemacht wird, vor dem Schritt des Implantierens der Phosphor ionen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des selektiven Reinigens der zweiten Hauptfläche des Substrats (1) unter Verwendung von in Wasser gelösten Chemikalien, vor dem Schritt des Implantierens der Phosphorionen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die in Wasser gelösten Chemikalien eine Mischung aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des selektiven Reinigens der zweiten Hauptfläche des Substrats (1) unter Verwendung von funktionellem Wasser, das aus hydriertem hochreinem Wasser und ozonisiertem hochreinem Wasser besteht, und unter gleichzeitiger Verwendung von Megaschall, vor dem Schritt des Implantierens der Phosphorionen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Teil der Kollektorelek trode (10), der in Kontakt mit dem Halbleitermaterial steht, aus einer Aluminiumschicht gebildet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Aluminiumschicht eine Dicke von nicht weniger als 0,3 µm aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Teil der Kollektorelek trode (10), der sich in Kontakt mit dem Halbleitermaterial befindet, aus einer Platinschicht gebildet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Platinschicht eine Dicke von nicht weni ger als 0,3 µm aufweist.