DE19857243A1

DE19857243A1 - Verfahren zur Herstellung von Dioden

Info

Publication number: DE19857243A1
Application number: DE19857243A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Goebel; Vesna Goebel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 1999-07-22
Also published as: KR100578268B1; KR20010034251A; DE59907444D1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solches Verfahren ist bereits aus der DE 43 20 780 bekannt, in dem Dotierfolien eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß flachere Dotierprofile hergestellt werden können, bei denen die Oberflächenkonzentration niedriger liegen kann. Dadurch, daß es möglich wird, ein flaches Auslaufen der Dotierkonzen tration in die Tiefe des Wafers herzustellen, wird die Fluß spannung der Diode niedriger. Ebenso wird die Durchbruch spannung bei hohen Strömen, z. B. 100 A, deutlich verklei nert, also der Bahnwiderstand in der Diode verringert. Fer ner ist die Diode einfacher herstellbar, da die Zenerspan nung der Diode weniger empfindlich gegen gewisse Schwankun gen bei einer zweiten Diffusion in einer Serienfertigung ist, durch die der eigentliche PN-Übergang hergestellt wird.

Dadurch, daß es möglich wird, bei gleichzeitig tiefem Aus läufer der Dotierkonzentration eine geringe Oberflächenkon zentration zu erzeugen, kann eine zweite Diffusion, durch die der PN-Übergang hergestellt wird, mit einer niedriger dotierten Dotierfolie durchgeführt werden. Damit kann die Zenerspannung in einer Serienfertigung besser getroffen bzw. eingehalten werden, ohne besondere Vorkehrungen zu treffen. Durch die möglich werdende schwächere zweite Dotie rung wird auch die Oberfläche des Siliziumwafers nicht so stark mit Fremdatomen angereichert, so daß das Siliziumkri stallgitter nicht gestört und damit eine Verbiegung der Wa fer vermieden wird. Vorteilhaft ist außerdem, daß die ver wendete Neutralfolie gleichzeitig als Schutz beim weiteren Eintreiben dient. Sie wird auf eine bereits dotierte Silizi umoberfläche aufgelegt und verhindert beim weiteren Eintrei ben der Dotieratome ohne zusätzliche Oberflächenbelegung si cher eine Oberflächenverunreinigung.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnah men sind vorteilhafte Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist eine Belegung der Oberseite des Wafers mit einer Neutralfo lie in einem zweiten Teilschritt, wobei die Unterseite des Wafers mit einer Dotierfolie für sehr starke Dotierung be legt wird. Dadurch wird es möglich, zum einen ein tiefes Do tierprofil zu erhalten, zum anderen, die Unterseite des Wa fers gleichzeitig verstärkt zu dotieren, um eine gute Rück seitenanbindung der Diode zu ermöglichen.

Die weitere Applikation einer Dotierfolie entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ermöglicht ein einfaches und zudem feh lertolerantes Herstellen des PN-Übergangs der Diode.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen Fig. 1 einen Zenerdiodenchip, Fig. 2 Verfahrens schritte zur Herstellung und Fig. 3 Dotierkonzentrations verläufe. Fig. 4 zeigt weitere Dotierkonzentrationsverläu fe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zenerdioden-Anordnung in einem Chip 1. Der Chip weist eine n-dotierte Schicht 3, eine darunterliegende schwach n-dotierte Schicht 4 und eine unter der Schicht 4 liegende stark n-dotierte Schicht 5 auf. Die Oberseite des Chips 1 ist von einer p-dotierten Schicht 2 bedeckt, wobei der Chip im Randbereich der Oberseite Stufen 7 aufweist, so daß die p-Schicht 2 im Mittelbereich der Oberseite die n-Schicht 3 bedeckt, während sie im Randbereich der Oberseite die schwach n-dotierte Schicht 4 bedeckt. Sowohl die P-Schicht 2 als auch die stark n-dotierte Schicht 5 sind mit einer Metallisierung 6 bedeckt. Mit d ist die Eindringtiefe von n-Dotieratomen von der Oberseite des Wafers in das Wafer innere bezeichnet.

Die Metallisierungen 6 dienen als Anoden- bzw. Kathodenkon taktierung der Zenerdiode, wobei eine gute Rückseitenanbin dung über die stark n-dotierte Schicht 5 gewährleistet ist. Der pn-Übergang der Zenerdiode wird durch den Übergang zwi schen der Schicht 2 und der Schicht 3 gebildet.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2a zeigt einen Wafer 20, der auf der Ober seite mit einer ersten Dotierfolie 23 und auf der Unterseite mit einer zweiten Dotierfolie 24 belegt ist. Dabei dient die erste Dotierfolie zur Herstellung stark n-dotierter Schich ten, die zweite Dotierfolie hingegen zur Herstellung sehr stark n-dotierter Schichten. Der Wafer 20 ist vom n-Typ und weist die Dotierkonzentration der späteren n-Schicht 4 auf. Der Wafer 20 wird zusammen mit anderen Wafern gestapelt. Da bei liegen zwischen den Wafern 20 alternierend erste bzw. zweite Dotierfolien. Der Waferstapel wird ungefähr 30 Minu ten bis ca. 3 Stunden lang bei ca. 1200° bis 1300°C in ei nem Diffusionsofen in oxidierender Atmosphäre erhitzt. Durch diese Behandlung bildet sich an der Oberseite eine stark n-dotierte Belegungsschicht 18 und an der Unterseite eine sehr stark n-dotierte Belegungsschicht 19 aus. Anschließend wer den die Wafer getrennt und entstandene Oxidschichten ent fernt. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Eintreiben des Dotierstoffes, der in den Belegungsschichten 18 und 19 abge legt ist. Dies geschieht ebenfalls durch Stapeln der Wafer, jedoch sind jetzt (Fig. 2b) im Vergleich zum vorangegange nen Schritt (Fig. 2a) die Vorderseite der Wafer jeweils mit einer Neutralfolie 25 und die Rückseiten mit einer sehr stark n-dotierten Dotierfolie 24 belegt, das heißt, diesmal alternieren Neutralfolien und Dotierfolien 24 zwischen den Wafern des Waferstapels. Dieser Waferstapel wird ca. 30 bis 120 Stunden lang bei 1200°C bis 1300°C im gleichen Diffu sionsofen wie vorhin in oxidierender Atmosphäre erhitzt. An schließend erfolgt wieder ein Trennen der Wafer und das Ent fernen entstandener Oxidschichten. Durch diese zweite Erhit zung im Waferstapel bildet sich die n-dotierte Schicht 3 und die stark n-dotierte Schicht 5 aus. In einem weiteren Schritt (Fig. 2c) werden Gräben 22 in die Oberseite der Wa fer eingebracht. Dies kann durch Sägen oder in einem Ätzpro zeß erfolgen. Die Gräben 22 durchdringen dabei vollständig die Teilschicht 3 und ragen in die Schicht 4 hinein. Durch die Gräben 22 werden Zerteilungslinien 21 definiert (siehe Fig. 2f), entlang denen später der Wafer in einzelne Zener diodenchips zerteilt wird. Die Oberseite des Wafers 20 wird also durch das Einsägen der als Randstruktur der späteren Dioden dienenden Gräben 22 in quadratische oder rechteckige Segmente aufgeteilt (nicht abgebildet), die den späteren Oberseiten der einzelnen Chips entsprechen. Anschließend er folgt ein Spülen der angeritzten Wafer in deionisiertem Was ser. In einem weiteren Schritt (Fig. 2d) erfolgt die Her stellung des PN-Übergangs der Dioden. Dabei wird ebenfalls eine Foliendiffusion ausgeführt, indem die Teilschicht 3 mit einer dritten Dotierfolie 26 vom p-Typ belegt wird. Bei ei ner Diffusionszeit von 15-30 Stunden und einer Ofentempe ratur von 1200°-1300°C bildet sich an der Oberseite des Wafers eine p-Schicht 2 aus, die die Teilschicht 3 und (in den Gräben 22) die Schicht 4 bedeckt. Selbst wenn die Do tierfolie 26 die Gräben 22 nicht vollständig auskleidet, sondern wie in Fig. 2d gezeigt, lediglich überdeckt, bildet sich in den Gräben eine durchgehende p-Schicht 2 aus, da bei den hohen Temperaturen der Dotierstoff in flüssiger Form auf der Waferoberfläche vorliegt und somit auch in die Gräben gelangt. Bei diesem Diffusionsschritt kann wahlweise die Rückseite des Wafers 20 weiterhin mit der zweiten Dotierfo lie 24 belegt sein, so daß auch dieser Diffusionsschritt im Waferstapel erfolgen kann. In einem weiteren Schritt (Fig. 2e) werden Ober- und Unterseite des Wafers 20 mit einer Me tallisierung 6 versehen. Anschließend (Fig. 2f) wird die Unterseite des Wafers auf eine Sägefolie 27 geklebt und der Wafer entlang der Zerteilungslinien 21 durchsägt, wodurch eine Vereinzelung der parallel im Waferverbund hergestellten Dioden erfolgt.

Wahlweise kann der in Fig. 2b dargestellte Verfahrens schritt nach dem Einbringen der Gräben 22 (Fig. 2c) durch geführt werden, dadurch erzielt man in vorteilhafter Weise eine Ausheilung von durch das Einbringen der Gräben 22 ent standenen Kristallschäden. Als p-Dotierstoff wird beispiels weise Bor, als n-Dotierstoff Phosphor verwendet.

Wahlweise kann die Belegung der Ober- bzw. Unterseite des Wafers 20 mit einer starken bzw. sehr starken Konzentration an n-Dotieratomen statt durch Belegung mit Folien (wie in Fig. 2a dargestellt) auch durch eine Gasphasenbelegung, ein Spin-on-Verfahren unter Verwendung von Dotierflüssigkeiten und/oder mittels Ionenimplantation bzw. sonst bekannter Do tierverfahren erfolgen.

Das in Fig. 2a beschriebene Vorgehen der Bedeckung mit Do tierfolien (insbesondere in Kombination mit einer Stapel technik) hat gegenüber den alternativ genannten Vorgehens weisen den Vorteil, einfach und daher gut für die Großseri enfertigung geeignet zu sein.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den Verlauf von Dotierstoff konzentrationen N über der Eindringtiefe d darstellt. Dabei ist ein bekanntes Dotierprofil 30 einem neuen Dotierprofil 31 gegenübergestellt, wie es mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren hergestellt werden kann. Hierbei ist die Konzentrati on der n-Dotieratome dargestellt, wie sie sich in ihrem Tie fenverlauf durch die zwei Diffusionsteilschritte ergeben, wie in Fig. 2a und 2b dargestellt sind. Durch das flache neue Dotierprofil 31, das tief in den Wafer hineinreicht (40-110 µm), erhält man Zenerdioden, deren Flußspannung im Vergleich zu Zenerdioden mit bekanntem Dotierprofil 30 deut lich reduziert ist. Außerdem reduziert sich die Durchbruchs spannung bei hohen Strömen, (z. B. 100 A) um über 20% durch das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zum bekannten Verfahren der DE 43 20 780. Mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren können Dioden hergestellt werden, die impulsfest sind, eine niedrige Flußspannung und eine geringe Streuung der Zenerspannung aufweisen. Dabei ist durch die homogene Belegung mit Dotierfolien und das tiefe Eintreiben unter Verwendung von Neutralfolien eine hohe Ausbeute erzielbar.

Fig. 4 zeigt drei Dotierkonzentrationsverläufe 100, 200 und 300 in einem Diagramm der Dotierstoffkonzentration c in Ab hängigkeit vom Ort d (zur Definition des Orts d, vergleiche Fig. 1). Diese Profile beziehen sich auf den Zustand eines 200 Mikrometer dicken Wafers unmittelbar nach dem in Fig. 2b dargestellten Verfahrensschritt. Der Verlauf 100 ist bei spielsweise für die Herstellung von Zenerdioden mit einer Zenerspannung zwischen 19 und 25 Volt vorgesehen, der Verlauf 200 bzw. 300 für Zenerspannungen zwischen 34 und 40 Volt be ziehungsweise zwischen 50 und 56 Volt vorgesehen. Dabei ent spricht der Bereich 4 der Fig. 1 der in Fig. 4 mit der Breitenangabe von 40 Mikrometer markierten Zone. Diese Brei te ist jedoch für die Einstellung einer bestimmten Zener spannung unerheblich, sie kann auch andere Werte (typisch 20 µm-120 µm) einnehmen. Die gestrichelte Linie 400 markiert die Lage des in dem Verfahrensschritt der Fig. 2d herge stellten pn-Übergangs außerhalb des vertieften Bereiches 22.

Die dargestellten unterschiedlichen Dotierkonzentrationsver läufe können durch Wahl einer Dotierfolie 23 mit geeigneter Konzentration an Dotieratomen je nach gewünschter Zenerspa nung ausgewählt werden. Alternativ oder in Kombination kann die Zeit der Belegung des Wafers mit der Dotierfolie 23 va riiert werden zur Variation einer später resultierenden Ze nerspannung. Die Durchbruchspannung im Randbereich der ferti gen Einzeldioden bleibt dann infolge der Grabenstruktur un berührt und hat beispielsweise stets den Wert 140 Volt. Al ternativ oder in Kombination mit der Wahl einer niedriger dotierten Dotierfolie 23 zur Erhöhung der Zenerspannung kann eine höher dotierte Dotierfolie 26 im Herstellungsverfahren eingesetzt werden.

Wahlweise kann auch hier die Belegung der Ober- bzw. Unter seite des Wafers 20 mit einer starken bzw. sehr starken Kon zentration an n-Dotieratomen statt durch Belegung mit Folien (wie in Fig. 2a dargestellt) auch durch eine Gasphasenbele gung, ein Spin-on-Verfahren unter Verwendung von Dotierflüs sigkeiten und/oder mittels Ionenimplantation bzw. sonst be kannter Dotierverfahren erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit den Verfahrensschritten:

- Herstellen eines Wafers (20) mit einer oberen Teilschicht (3), einer darunter liegenden zweiten Teilschicht (4) und einer unten liegenden Teilschicht (5), wobei alle Teil schichten (3, 4, 5) den gleichen Leitungstyp aufweisen, die Dotierstoffkonzentration der ersten Teilschicht (3) größer ist als die Dotierstoffkonzentration der zweiten Teilschicht (4) und die Dotierstoffkonzentration der unten liegenden Teilschicht (5) größer ist als die Dotierstoffkonzentratio nen der oberen und der zweiten Teilschicht,
- Einbringen von Gräben (22) in die Oberseite des Wafers (29), die durch die erste Teilschicht (3) hindurch bis in die zweite Teilschicht (4) reichen,
- Einbringen von Dotierstoffen in die Oberseite des Wafers (20), die den Leitfähigkeitstyp einer ersten Schicht (2) der ersten Teilschicht (3) verändern,
- Aufbringen einer Metallisierung (6) auf der Ober- und der Unterseite des Wafers (20),
- Zerteilen des Wafers in einzelne Chips (1) entlang der eingebrachten Gräben (22),
dadurch gekennzeichnet, daß das Herstellen der Teilschichten (3, 4, 5) erfolgt, indem
- in einem ersten Teilschritt die Oberseite mit einer star ken Konzentration an Dotieratomen und die Unterseite mit ei ner sehr starken Konzentration an Dotieratomen belegt wird und
- in einem weiteren Teilschritt ein Eintreiben der Dotiera tome erfolgt, wobei die Oberseite mit einer Neutralfolie und die Unterseite mit einer Dotierfolie (24) für sehr starke Dotierung bedeckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Teilschritt die Oberseite mit einer Dotierfolie (23) für starke Dotierung und die Unterseite mit der Dotierfolie (24) für sehr starke Dotierung bedeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilschritt mittels einer Gasphasenbelegung, mit tels eines Spin-On-Verfahrens mit einer Dotierflüssigkeit und/oder mittels Ionenimplantation bzw. sonst bekannter Do tierverfahren erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Dotierstoffen in die Oberseite des Wafers (20) zur Veränderung des Leitfä higkeitstyps der ersten Schicht (2) die Belegung der Ober seite mit einer weiteren Dotierfolie (26) umfaßt, wobei die Dotieratome der weiteren Dotierfolie einen zu den Dotierato men der Dotierfolie (24) für sehr starke Dotierung entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zeitgleich mit dem Einbringen von Dotierstoffen in die Oberseite des Wafers (20) zur Verände rung des Leitfähigkeitstyps der ersten Schicht (2) die Do tierung und/oder die Dicke der unten liegenden Teilschicht (5) verstärkt bzw. vergrößert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Dotierung bzw. die Vergrößerung der Dicke der unten liegenden Teilschicht eine Belegung der Un terseite des Wafers mit der Dotierfolie (24) für sehr starke Dotierung umfaßt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Bedeckung der Vorder- und Rückseite mit Dotierfolien in Waferstapeln erfolgt, so daß Vorder- und Rückseite jeder Dotierfolie im Stapelinnern mit einer Ober- oder mit einer Unterseite eines Wafers des Wa ferstapels in Berührung kommt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Einstellung unterschiedlicher Zenerspannungen entweder die Dotierfolie (23) für die Bele gung im ersten Diffusionsschritt oder die Dotierfolie (26) im zweiten Diffusionsschritt bezüglich des Dotierstoffgehal tes verändert oder die Belegungszeit mit der Dotierfolie (23) angepaßt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Gräben (22) durch Sägen oder einen Ätzprozeß eingebracht werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sägen der Wafer auf eine Sägefolie aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der zweite Teilschritt wahlweise vor oder nach dem Einbringen der Gräben erfolgt.