DE102014112386B4 - Verfahren zur herstellung eines halbleiters - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters, das Folgendes aufweist:Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (10) mit einer ersten Seite (11) und einer zweiten Seite (12);Bilden einer n-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper (10) durch eine erste Implantierung von Protonen (14) in den Halbleiterkörper (10) über die erste Seite (11) bis auf eine erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10);Ausführen eines ersten Dünnens des Halbleiterkörpers (10) von der zweiten Seite (12) aus; Bilden einer p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper (10) nach dem ersten Dünnen durch eine zweite Implantierung von Protonen (14) oder Helium in den Halbleiterkörper (10) über die zweite Seite (12) bis auf eine zweite Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10), wodurch ein pn-Übergang (13) zwischen der n-dotierten Zone und der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper (10) entsteht; undnach dem Bilden der p-dotierten Zone, Ausführen eines zweiten Dünnens des Halbleiterkörpers (10) von der gedünnten zweiten Seite (12') aus bis auf eine bestimmte Tiefe, die durch eine Raumladungsregion (15) des pn-Übergangs (13) definiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Für eine Vielzahl von Anwendungen von elektronischen Halbleiterkomponenten und integrierten Schaltkreisen (Integrated Circuits, ICs) ist es vorteilhaft, die Gesamtdicke der Halbleiterkomponenten und der integrierten Schaltkreise zu beschränken. Darum sind beispielsweise im Fall von wegwerfbaren elektronischen Artikeln und für Chipkarten und Smartcards eine sehr geringe Masse und eine sehr geringe Bauhöhe von Bedeutung. Durch die Verwendung von Sollparametern für die Dicke des verwendeten Halbleiterkörpers können die elektrischen Eigenschaften beispielsweise von vertikalen Leistungshalbleiterkomponenten verbessert werden, indem man die Dicke des Halbleiterkörpers an die Spannungsklasse der jeweiligen Leistungshalbleiterkomponente anpasst, um unnötigen elektrischen Widerstand durch überdimensionierte Halbleiterkörper zu vermeiden. Das erfordert jedoch eine sehr präzise und reproduzierbare Dickeneinstellung über die gesamte Fläche des verwendeten Halbleiterkörpers, um Ausbeuteverluste in der Produktion zu vermeiden und um zuverlässige elektrische Eigenschaften der Halbleiterkomponente und des integrierten Schaltkreises zu gewährleisten. Im bekannten Stand der Technik wird allgemein Silizium vom p-Typ als Ausgangsmaterial von Halbleiterwafern verwendet. Beispielsweise ist in der US-Publikation US 2010 / 0 210 091 A1 ein Verfahren zum selbstjustierenden Dünnen eines Halbleiterwafers offenbart, wobei ein p-dotiertes Substrat als das Ausgangsmaterial verwendet wird. Ein Problem beim bekannten Stand der Technik ist die Beschränkung des Substrats vom p-Typ, weil einerseits - um eine exakt definierte Ausdehnung der Raumladungszone (im vorliegenden Text auch als „Raumladungsregion“ bezeichnet) in dem p-dotierten Siliziumsubstrat zu erzeugen - eine ausreichende p-Dotierung des Ausgangsmaterials sichergestellt sein muss, womit eine Gegendotierung, durch die Bildung thermischer Donatoren, des Materials vom p-Typ vermieden werden soll, und andererseits - um ein starkes Kompensieren der durch Protonenbestrahlung verursachten Basisdotierung zu vermeiden, was wiederum viel höhere Dosen von Oberflächenprotonenbestrahlung erfordert - die p-Dotierung des Ausgangssubstrats nicht zu hoch sein darf.
  • Darum besteht auf diesem technischen Gebiet Bedarf an einem leicht zu steuernden Verfahren zum selbstjustierenden und exakt definierten Dünnen von Halbleiterwafern, mit dem eine gute Reproduzierbarkeit der Waferdicke und eine sehr gute Gleichmäßigkeit der Waferoberfläche erreicht werden können.
  • US 2006/0 138 607 A1 beschreibt Leistungshalbleitergleichrichter mit einer breiten Pufferstruktur und Verfahren zu deren Herstellung. Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Leistungshalbleitergleichrichter dient dabei ein Bulk-Wafer aus Silizium, welcher eine n-Grunddotierung und einen hohen Widerstand aufweist. Auf eine Seite des Bulk-Wafers kann beispielsweise eine p-Anodenschicht und auf die p-Anodenschicht wiederum eine Anodenelektrode aufgebracht werden. Der Bulk-Wafer wird anschließend beispielsweise mit Protonen bestrahlt, wobei die Bestrahlung von der Seite aus erfolgt, auf welcher die Anodenelektrode angeordnet ist. Anschließend erfolgt ein Dünnen des Bulk-Wafers von der Seite aus, welche der Anodenelektrode gegenüberliegt. Abschließend erfolgt eine weitere Bestrahlung des Bulk-Wafers von der gedünnten Seite aus mit negativen Ionen, welche implantiert werden, ein Heizen sowie ein Aufbringen einer n-Kathodenschicht und einer Kathodenelektrode.
  • DE 10 2008 025 733 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers. Bei diesem Verfahren wird ein p-dotierter Halbleiterkörper mit einer ersten und einer zweiten Seite bereitgestellt. In dem Halbleiterkörpers wird eine n-dotierte Zone durch Implantation von Protonen über die erste Seite bis in einen bestimmte Tiefe und anschließender Erwärmung zumindest des mit Protonen implantierten Bereichs ausgebildet, so dass ein pn-Übergang in dem Halbleiterkörper entsteht. Die zweite Seite des Halbleiterkörpers wird bis zu einer an dem pn-Übergang aufgespannten Raumladungszone abgetragen.
  • US 2008 / 0 315 364 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung und eine Verfahren zu deren Herstellung. Zur Herstellung der Halbleitervorrichtung wird auf einem Wafer zunächst eine p-Anodenschicht und eine Anode aufgebracht. Anschließend erfolgt die Bestrahlung des Wafers mit Protonen von der Seite aus, auf welcher die Anode aufgebracht ist, wodurch im Wafer Kristalldefekte erzeugt werden. Durch ein anschließendes Heizen wird eine Hoch-Konzentration-Zone erzeugt, woran sich ein Dünnen des Wafers von der Seite aus, welcher der Anode gegenüberliegt, anschließt. Nach dem Dünnen des Wafers erfolgt die Implantation von Ionen, z.B. Phosphor, von der gedünnten Seite aus, eine Bestrahlung mit Laserstrahlung zur Aktivierung der Ionen und das Bilden der Kathode.
  • US 2009 / 0 186 464 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wafern. Das Verfahren weist einen ersten Implantierungsschritt von Sauerstoff in einen Wafer und einen zweiten Implantierungsschritt von Sauerstoff in den Wafer auf, woran sich ein Heizen des Wafers anschließt. Der Wafer wird anschließen mit einem zweiten Wafer verbunden und gedünnt.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann Folgendes enthalten: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; Bilden einer n-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper durch eine erste Implantierung von Protonen in den Halbleiterkörper über die erste Seite bis auf eine erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers; Ausführen eines ersten Dünnens des Halbleiterkörpers von der zweiten Seite aus; Bilden einer p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper nach dem ersten Dünnen durch eine zweite Implantierung von Protonen oder Helium in den Halbleiterkörper über die zweite Seite bis auf eine zweite Tiefenposition des Halbleiterkörpers, wodurch ein pn-Übergang zwischen der n-dotierten Zone und der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper entsteht; und nach dem Bilden der p-dotierten Zone, Ausführen eines zweiten Dünnens des Halbleiterkörpers von der gedünnten zweiten Seite aus bis auf eine bestimmte Tiefe, die durch eine Raumladungsregion des pn-Übergangs definiert wird.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen können die erste Tiefenposition und die zweite Tiefenposition des Halbleiterkörpers relativ zu der ersten Seite des Halbleiterkörpers gemessen werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen können die erste und die zweite Seite gegenüberliegende Seiten des Halbleiterkörpers sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Seite eine Oberseite des Halbleiterkörpers sein, und die zweite Seite kann eine Unterseite des Halbleiterkörpers sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Seite eine Vorderseite (beispielsweise eines Halbleiterwafers) sein, und die zweite Seite kann eine Rückseite (beispielsweise eines Halbleiterwafers) sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Tiefenposition an der gleichen Stelle wie die erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegen.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Tiefenposition zwischen der ersten Seite und der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegen.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Tiefenposition zwischen der zweiten Seite und der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegen, wobei die zweite Tiefenposition nahe genug bei der ersten Tiefenposition liegt, damit eine Tiefenposition des pn-Übergangs durch die n-dotierte Zone über die erste Implantierung und die p-dotierte Zone über die zweite Implantierung gesteuert werden kann.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Implantierung von Protonen mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 5 MeV ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Implantierung von Protonen mit einer Dosis von Protonen im Bereich zwischen 2×1013 Protonen je cm2 und 8×1014 Protonen je cm2, beispielsweise im Bereich zwischen 1×1011 Protonen je cm2 und 4×1014 Protonen je cm2, ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines ersten Ausheilens des Halbleiterkörpers nach der ersten Implantierung enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines ersten Dünnens nach dem Ausbilden der n-dotierten Zone und vor dem Ausbilden der p-dotierten Zone enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines ersten Ausheilens des Halbleiterkörpers nach der ersten Implantierung von Protonen und das Ausführen eines ersten Dünnens nach dem Ausführen des ersten Ausheilens und vor dem Ausbilden der p-dotierten Zone enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erste Ausheilen in einem Temperaturbereich zwischen 470 °C und 520 °C ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines zweiten Ausheilens des Halbleiterkörpers nach der zweiten Implantierung enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Implantierung von Protonen mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 1 MeV und 4 MeV ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Implantierung von Protonen mit einer Dosis von Protonen im Bereich zwischen 1 × 1013 Protonen je cm2 und 5 × 1014 Protonen je cm2 ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines zweiten Ausheilens des Halbleiterkörpers nach der zweiten Implantierung von Protonen enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das zweite Ausheilen in einem Temperaturbereich zwischen 220 °C und 400 °C ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Implantierung von Helium mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 15 MeV ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Implantierung von Helium mit einer Dosis von Helium im Bereich zwischen 5 × 1012 je cm2 und 1 × 1014 je cm2 ausgeführt werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren ein elektrochemisches Ätzen der zweiten Seite des Halbleiterkörpers nach dem Ausbilden der p-dotierten Zone enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Ausführen eines zweiten Dünnens des Halbleiterkörpers nach dem Ausbilden der p-dotierten Zone enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das zweite Dünnen durch ein elektrochemisches Ätzen ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das elektrochemische Ätzen mit einer Tetramethylammoniumhydroxidlösung (TMAH) implementiert werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das zweite Dünnen so ausgeführt werden, dass es an einer Raumladungsregion des pn-Übergangs stoppt.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann Folgendes enthalten: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite als einen Ausgangshalbleiterkörper; Bilden einer n-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper durch eine erste Implantierung von Protonen in den Halbleiterkörper über die erste Seite bis hinab auf eine erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers; Ausführen eines ersten Dünnens des Halbleiterkörpers durch beispielsweise mechanisches Schleifen von der zweiten Seite aus; Bilden einer p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper durch eine zweite Implantierung in den Halbleiterkörper über die gedünnte zweite Seite bis hinauf zu einer zweiten Tiefenposition des Halbleiterkörpers, wobei die zweite Tiefenposition des Halbleiterkörpers mindestens neben der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegt, so dass ein pn-Übergang zwischen der n-dotierten Zone und der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper entsteht; und Ausführen eines zweiten Dünnens des Halbleiterkörpers von der gedünnten zweiten Seite aus bis auf eine bestimmte Tiefe, die durch eine Raumladungsregion oder den pn-Übergang definiert wird.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Implantierung eine Implantierung von Protonen sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Implantierung von Protonen in einer solchen Weise ausgeführt werden, dass die Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 5 MeV liegt.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Dosis von Protonen für die erste Implantierung von Protonen im Bereich zwischen 2×1011 Protonen je cm2 und 8×1014 Protonen je cm2 und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1×1014 Protonen je cm2 und 4×1014 Protonen je cm2 liegen.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren Folgendes enthalten: Bilden einer vorderseitigen p-dotierten Zone in einer Region zwischen der n-dotierten Zone und der ersten Seite des Halbleiterkörpers, und Umwandeln mindestens der vorderseitigen p-dotierten Zone durch Erwärmung mindestens der vorderseitigen p-dotierten Zone des Halbleiterkörpers, wobei die Wärmebehandlung eine erste Ausheilphase in einem Temperaturbereich zwischen 470 °C und 520 °C und mit einer Dauer von 1 h bis 20 h enthalten kann.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erste Dünnen des Halbleiterkörpers hinterher von der zweiten Seite aus durch beispielsweise mechanisches Schleifen ausgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Halbleiterkörper ein Halbleiterwafer, beispielsweise ein Siliziumwafer, mit einem Flächenwiderstand oberhalb 1000 Ohm-cm sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Halbleiterkörper ein p-dotierter Halbleiterkörper mit einer Lochdichte unterhalb 5×1011 Löchern je cm3 sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Ausgangshalbleiterkörper ein n-dotierter Halbleiterkörper mit einer Donatorendichte von unter 2×1012 Donatoren je cm3 sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Tiefenposition an der gleichen Stelle wie die erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegen.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Tiefenposition zwischen der ersten Seite und der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegen.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Tiefenposition zwischen der zweiten Seite und der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers liegen, und die zweite Tiefenposition liegt nahe genug bei der ersten Tiefenposition, damit die Tiefe des resultierenden pn-Übergangs durch die Dotierung vom n-Typ aus der Implantierung auf der ersten Seite und die Dotierung vom p-Typ aus der Implantierung auf der zweiten Seite gesteuert werden kann.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Implantierung eine Implantierung von Protonen sein, wobei eine Implantierungsenergie im Bereich zwischen 1 MeV und 4 MeV liegt und eine Implantierungsdosis von Protonen im Bereich zwischen 1 × 1013 Protonen je cm2 und 5 × 1014 Protonen je cm2 liegt.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Erwärmen mindestens der zweiten Protonen-implantierten Region des Halbleiterkörpers enthalten, wobei die Erwärmung mindestens der zweiten Protonen-implantierten Region des Halbleiterkörpers eine zweite Ausheilphase in einem Temperaturbereich von beispielsweise zwischen und 400 °C beispielsweise zwischen 320 °C und 380 °C beispielsweise unter 350 °C und mit einer Dauer von 1 h bis 5 h enthalten kann, um sicherzustellen, dass die p-dotierte Zone nicht in eine Zone vom n-Typ umgewandelt wird.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite Implantierung eine Implantierung von Helium, mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 15 MeV, und einer Implantierungsdosis von Helium im Bereich zwischen 5 × 1012 je cm2 und 1 × 1014 je cm2, sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren das Bilden einer Raumladungszone (im vorliegenden Text auch als „Raumladungsregion“ bezeichnet), die sich von dem pn-Übergang erstreckt, durch Anlegen einer Vorspannung, und das Abtragen der zweiten Seite des Halbleiterkörpers bis mindestens zu der Raumladungszone enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Breite für die Raumladungszone durch Anlegen eines speziellen Vorspannungswertes an den pn-Übergang eingestellt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren Folgendes enthalten: Polarisieren der Vorspannung am pn-Übergang in der Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs, wobei die Vorspannung nahe bei einer Diffusionsspannung UD der Raumladungszone liegt, mit dem Resultat, dass die Raumladungszone nahezu vollständig aufgelöst werden kann; und Abtragen von Material von den zweiten Seitenenden nahe dem pn-Übergang.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren das Polarisieren der Vorspannung am pn-Übergang in der Umkehrrichtung des pn-Übergangs enthalten.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Raumladungszone durch Diffusion von Ladungsträgern am pn-Übergang gebildet werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erste Dünnen von der zweiten Seite aus direkt im Anschluss an die Bildung der n-dotierten Zone durch mechanisches Schleifen implementiert werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erste Dünnen von der zweiten Seite aus im Anschluss an das erste Ausheilen durch mechanisches Schleifen implementiert werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das zweite Dünnen von der zweiten Seite aus durch elektrochemisches Ätzen in einer Lösung wie beispielsweise Kaliumhydroxidlösung (KOH) oder Tetramethylammoniumhydroxidlösung (TMAH) implementiert werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Bilden der p-dotierten Zone das Bilden eines Dotierungsmaximums vom p-Typ in der p-dotierten Zone enthalten, wobei das Dotierungsmaximum vom p-Typ zwischen dem pn-Übergang und der gedünnten zweiten Seite des Halbleiterkörpers liegen kann.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Zone vom p-Typ des Halbleiterkörpers für einen Emitter vom p-Typ für IGBT verwendet werden.
  • Die begleitenden Zeichnungen wurden in den vorliegenden Text aufgenommen, um das Verstehen von Ausführungsformen zu erleichtern, und sind in diese Spezifikation integriert und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien von Ausführungsformen. Weitere Ausführungsformen und viele der vorgesehenen Vorteile von Ausführungsformen werden sofort verstanden, wenn sie beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht unbedingt maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
    • 1A zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausgangshalbleiterkörpers.
    • 1B zeigt eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers nach der Protonenimplantierung auf der ersten Seite.
    • 1C zeigt eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers nach einem thermischen Prozess.
    • 1D zeigt eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers nach mechanischem Schleifen.
    • 1E zeigt eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers nach der Protonenimplantierung auf der zweiten Seite.
    • 1F zeigt eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers nach dem Ätzen.
    • 2A zeigt ein Dotierungsprofil eines Ausgangshalbleiterkörpers.
    • 2B zeigt ein Dotierungsprofil des Halbleiterkörpers nach der Protonenimplantierung auf der ersten Seite.
    • 2C zeigt ein Dotierungsprofil des Halbleiterkörpers nach einem thermischen Prozess.
    • 2D zeigt ein Dotierungsprofil des Halbleiterkörpers nach mechanischem Schleifen.
    • 2E zeigt ein Dotierungsprofil des Halbleiterkörpers nach der Protonenimplantierung auf der zweiten Seite.
    • 2F zeigt ein Dotierungsprofil des Halbleiterkörpers nach dem Ätzen.
    • 3A-3F zeigen eine weitere Ausführungsform des Dünnens eines Halbleiterwafers.
    • 4A-4F zeigen die entsprechenden Dotierungsprofile der in den 3A-3F gezeigten Verfahren.
    • 5A-5F zeigen eine weitere Ausführungsform des Dünnens eines Halbleiterwafers.
    • 6A-6F zeigen die entsprechenden Dotierungsprofile der in den 5A-5F gezeigten Verfahren.
  • Der Begriff „pn-Übergang“ ist im Folgenden als die Stelle in einem Halbleiterkörper definiert, an der eine n-Dotandenkonzentration CD des Halbleiterkörpers unter eine p-Dotandenkonzentration CP des Halbleiterkörpers abfällt oder eine p-Dotandenkonzentration CP unter eine n-Dotandenkonzentration CD des Halbleiterkörpers abfällt.
  • Der Begriff „Ende des Bereichs“ ist im Folgenden als ein Ende der Region definiert, die durch die Implantierung bestrahlt wird und in die während der Implantierung die Mehrzahl der Protonen eingearbeitet werden.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein Verfahren zum Dünnen eines Halbleiterwafers bereit, das ein exaktes und reproduzierbares Dünnen des Siliziumwafers gestattet.
  • 1A veranschaulicht einen Ausgangshalbleiterkörper 10 mit einer ersten Seite 11 und einer zweiten Seite 12, wobei die Richtung, die von der ersten Seite 11 zu der zweiten Seite 12 führt, als die positive y-Richtung bezeichnet wird. Der Ausgangshalbleiterkörper 10 ist in der Regel ein Halbleiterwafer. Solche Wafer sind normalerweise Ausgangsprodukte für die Massenproduktion von Halbleiterkomponenten und sind in Größen von derzeit ungefähr 750 µm Dicke (y-Richtung) und bis zu 300 mm Durchmesser (x-Richtung) erhältlich. Der hier verwendete Ausgangshalbleiterkörper 10 besitzt einen hohen Widerstand. Silizium eignet sich grundsätzlich als Ausgangshalbleitermaterial für den Halbleiterkörper 10. In einer oder mehreren Ausführungsformen liegt der Flächenwiderstand des Ausgangshalbleiterkörpers 10 oberhalb 1000 Ohm-cm. In einer Ausführungsform ist der Ausgangshalbleiterkörper 10 gering mit einem Dotanden vom p-Typ dotiert, so dass der Halbleiterkörper 10 eine Basisdotierung vom p-Typ hat. Die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters 10 wird darum anfangs durch „Löcher“ als Mehrheitsträger bestimmt. In einer solchen Ausführungsform beträgt die Dichte der Löcher in dem gering p-dotierten Halbleiterkörper weniger als 5×1011 Löcher je cm3. In einer weiteren Ausführungsform ist der Ausgangshalbleiterkörper 10 gering mit einem Dotanden vom n-Typ dotiert, so dass der Halbleiterkörper 10 eine Basisdotierung vom n-Typ hat. Die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters 10 wird darum anfangs durch „Donatoren“ als Mehrheitsträger bestimmt. In einer solchen Ausführungsform beträgt die Dichte der Donatoren in dem gering n-dotierten Halbleiterkörper weniger als 2×1012 Löcher je cm3. 2A veranschaulicht eine Ausführungsform eines Dotierungsprofils des Ausgangshalbleiterkörpers 10. Die Dotierungskonzentration des Ausgangshalbleiterkörpers 10 verläuft gleichmäßig durch die gesamte Tiefe (y-Richtung).
  • Wie in 1B veranschaulicht, werden Protonen 14 über die erste Seite 11 bis zum Ende des Bereichs in einer Tiefe E1 des Halbleiterkörpers 10 in den Halbleiterkörper 10 implantiert. Protonendosis und -Energie werden in Abhängigkeit von der gewünschten vertikalen Ausdehnung einer Driftzone gewählt. Bei gleicher Protonendosis ist die Ausdehnung einer Driftzone umso größer, je höher die Protonenenergie ist, und bei einer bestimmten Protonenenergie ist der Dotierungsgrad einer Driftzone bei einer bestimmten Ausheiltemperatur umso höher, je höher die Protonendosis ist. In einer Ausführungsform beträgt die Protonenbestrahlungsdosis zwischen 2×1013 je cm2 und 8×1014 je cm2, und die Protonenenergie beträgt in der Regel zwischen 2 MeV und 5 MeV. Das führt zu einer p-dotierten Zone N1, einer n-dotierten Zone N2 und dementsprechend einem pn-Übergang 19 in der Region zwischen der ersten Seite 11 und dem Ende des Bereichs in der Tiefe E1 des Halbleiterkörpers 10. 2B veranschaulicht eine Ausführungsform eines Dotierungsprofils der Proton-implantierten Region in dem Halbleiterkörper 10. Eine p-dotierte Zone N1 erstreckt sich von der Oberfläche der ersten Seite 11 des Halbleiterkörpers 10 bis zu einer Tiefe T1 in der y-Richtung, und eine n-dotierte Zone N2 erstreckt sich von der Tiefe T1 bis zum Ende des Bereichs in der Tiefe E1. Dementsprechend entsteht ein pn-Übergang 19 in der Tiefe T1, wo die p-dotierte Zone N1 auf die n-dotierten Zone N2 trifft.
  • Anschließend wird die p-dotierte Zone N1 umgewandelt. Wie in 1C veranschaulicht, wird mindestens die Region zwischen der ersten Seite 11 und dem Ende des Bereichs in der Tiefe E1, in der Protonen 14 implantiert wurden, einer Wärmebehandlung unterzogen, das heißt, sie wird erwärmt und eine bestimmte Zeit auf diesem Temperaturniveau gehalten. Dies wandelt die p-dotierte Zone N1, die durch die Protonenimplantierung 14 durch die erste Seite 11 des Halbleiters 10 hindurch erzeugt wurde, aufgrund der Diffusion von Wasserstoffatomen vom Ende des Bereichs der ersten Protonenbestrahlung bis zur ersten Seitenfläche 11 hin um, so dass Donatorgleiche Komplexe durch die Interaktion der Wasserstoffatome mit den durch Bestrahlung hervorgerufenen Defekten entstehen können. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält die Erwärmung (Wärmebehandlung) des Halbleiterkörpers 10, die nach der Protonenbestrahlung 14 ausgeführt wird, eine Ausheilphase im Bereich zwischen beispielsweise 470 °C und 520 °C da die Wasserstoff-induzierte Dotierung vom n-Typ in diesem Temperaturbereich entsteht. In einer Ausführungsform wird die Ausheilphase über mindestens 1 Stunde ausgeführt und kann auch über mehrere Stunden stattfinden, wie beispielsweise 20 Stunden. 2C veranschaulicht eine Ausführungsform eines Dotierungsprofils des Halbleiterkörpers 10 nach dem Ausheilen. Eine neue n-dotierte Zone N3 entsteht, die die vorherige p-dotierte Zone N1 und n-dotierte Zone N2 enthält. Die neue n-dotierte Zone N3 erstreckt sich von der Oberfläche der ersten Seite 11 bis zum Ende des Bereichs in der Tiefe E1 und hat ein n-Dotandenmaximum CDmax 1 in der Tiefe B1 in dem Halbleiterkörper 10.
  • Alternativ wird der Halbleiterkörper 10 hinterher von der zweiten Seite 12 aus gedünnt. 1D veranschaulicht eine Ausführungsform des Dünnens des Halbleiterkörpers 10 im Anschluss an die Protonenbestrahlung und Wärmebehandlung auf der ersten Seite. Das Dünnen wird in einer negativen y-Richtung ausgeführt, d. h. von der zweiten Seite 12 aus in Richtung der ersten Seite 11, wie durch Pfeile 17 veranschaulicht ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird das Dünnen durch mechanisches Schleifen ausgeführt. Das mechanische Schleifen wird bis auf eine zuvor festgelegte Tiefe d1 vom Ende des Bereichs in der Tiefe E1 fort ausgeführt, und dementsprechend entsteht eine gedünnte zweite Seite 12'. Die zuvor festgelegte Tiefe d1 wird so gewählt, dass ein Ende des Bereichs der Implantierung auf der zweiten Seite (wird für 1E beschrieben) in das Gebiet des Endes des Bereichs in der Tiefe E1 oder auch etwas über das Gebiet des Endes des Bereichs in der Tiefe E1 hinaus fällt. 2D veranschaulicht ein Dotierungsprofil des Halbleiterkörpers 10 nach dem Schleifen. Ein Rest des Ausgangshalbleiterkörpers 10 mit einer Tiefe d1 bleibt neben der n-dotierten Zone N3 übrig.
  • Als nächster Schritt wird eine Implantierung über die zweite Seite 12' ausgeführt. 1E veranschaulicht eine Ausführungsform, wobei der Halbleiterkörper 10 eine erste Seite 11 und eine gedünnte zweiten Seite 12' aufweist. Wie in 1E veranschaulicht, werden Protonen 16 über die gedünnte zweite Seite 12' in den Halbleiterkörper 10 implantiert. In einer Ausführungsform werden Bestrahlungsdosis und Protonenenergie so gewählt, dass ein Ende des Bereichs in der Tiefe E2 der Implantierung auf der zweiten Seite neben dem Ende des Bereichs in der Tiefe E1 liegt, wie in 1E veranschaulicht. Dies führt zu einer p-dotierten Zone N5 nahe der gedünnten zweiten Seite 12', einer n-dotierten Zone N4 mit einem n-Dotandenmaximum CDmax2 in der Tiefe B2 in dem Halbleiterkörper 10, und dementsprechend einem pn-Übergang 13 in einer Tiefe T2, der sich zwischen der gedünnten zweiten Seite 12' und dem Ende des Bereichs in der Tiefe E2 befindet. 2E veranschaulicht eine Ausführungsform des Halbleiterkörpers 10 nach einer Protonenimplantierung auf der zweiten Seite. Wie in 2E veranschaulicht, erstreckt sich die p-dotierte Zone N5 von der Oberfläche der gedünnten zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 bis zum pn-Übergang 13 in der Tiefe T2 in den Halbleiterkörper 10. In Bezug auf das veranschaulichte Beispiel ist das durch die Implantierung auf der zweiten Seite erzeugte n-Dotandenmaximum CDmax2 kleiner als das n-Dotandenmaximum CDmax1, und die Tiefe B2 des n-Dotandenmaximums CDmax2 liegt nahe genug bei der Tiefe B1 des n-Dotandenmaximums CDmax1, so dass das n-Dotandenmaximum CDmax2 nicht größer wird als das n-Dotandenmaximum CDmax1 nach dem anschließenden optionalen Ausheilungsprozess. Wir kehren zu 1E zurück. Eine Raumladungszone 15, die sich an dem pn-Übergang 13 erstreckt, oder der pn-Übergang selbst kann für ein präzises Beenden des rückseitigen Abtragens des ursprünglichen Halbleiterkörper verwendet werden, wodurch ein exaktes und reproduzierbares Dünnen des Halbleiterkörpers auf eine gewünschte und zuvor festgelegte Enddicke ermöglicht wird. Die Raumladungszone 15 hat - je nach einer an die Raumladungszone 15 angelegten Vorspannung - eine Grenze 15', die sich in der p-dotierten Zone N5 befindet, und eine Grenze 15", die sich in der n-dotierten Zone N4 oder sogar in der n-dotierten Zone N3 befindet.
  • Alternativ wird eine Erwärmung im Anschluss an die Protonenimplantierung auf der zweiten Seite in den Halbleiterkörper 10 hinein ausgeführt (in den Figuren nicht gezeigt). Die Erwärmung enthält eine Ausheilphase, wobei der Temperaturbereich und die Dauer der Ausheilphase so gewählt sind, dass garantiert ist, dass die p-dotierte Zone N5 nicht umgewandelt wird, und daneben vermieden wird, dass das n-Dotandenmaximum CDmax2 höher wird als das n-Dotandenmaximum CDmax1 (in einigen Ausführungsformen kann das n-Dotandenmaximum CDmax2 auch höher sein als das n-Dotandenmaximum CDmax1 nach dem Ausheilen). Insbesondere es ist wichtig, dass die Tiefe des resultierenden pn-Übergangs durch die Dotierung vom n-Typ, die aus der vorderseitigen Bestrahlung resultiert, und die Dotierung vom p-Typ, die aus der Bestrahlung der zweiten Seite resultiert, gesteuert wird. In einer Ausführungsform wird die Ausheilphase in einem Temperaturbereich von beispielsweise zwischen 220 °C und 400 °C beispielsweise zwischen 320 °C und 380 °C ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Ausheilphase bei Temperaturen unter 350 °C ausgeführt und hat eine Dauer zwischen 1 Stunde und 5 Stunden.
  • Nach der Bildung der p-dotierten Zone N5 und des pn-Übergangs 13 bildet sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht infolge der Diffusion von Ladungsträgern am pn-Übergang 13 eine Raumladungszone 15 bis hin zu einer Grenze 15" in der n-dotierten Zone N4 (oder sogar in der n-dotierten Zone N3) und bis hin zu einer Grenze 15' in der p-dotierten Zone N5. 1E zeigt eine Ausführungsform, bei der sich die Grenze 15" in der n-dotierten Zone N4 befindet. Jedoch ist die Grenze 15" nicht darauf beschränkt, sich innerhalb der n-dotierten Zone N4 zu befinden; d. h. die Raumladungszone 15 kann sich auch bis zu der n-dotierten Zone N3 erstrecken. Infolge der verbleibenden fixen Ladungen haben die zuvor elektrisch neutralen Kristalle nun eine Raumladung angenommen, die den Kristall vom p-Typ negativ lädt und den Kristall vom n-Typ positiv lädt. Die resultierende elektrische Spannung wird als die Diffusionsspannung UD bezeichnet.
  • Durch Anlegen einer externen Vorspannung an den pn-Übergang 13 können die Grenzen 15' und 15" verschoben werden, und die Breite W der Raumladungszone 15 kann somit gesteuert werden. Durch Anlegen der externen Vorspannung in der Umkehrrichtung des pn-Übergangs 13 (+ in der n-dotierten Zone N4, - an der p-dotierten Zone N5) wird beispielsweise die Breite W der Raumladungszone 15 vergrößert. Wenn die externe Vorspannung in der Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs 13 (- in der n-dotierten Zone N4, + in der p-dotierten Zone N5) polarisiert wird, so wird die Breite W der Raumladungszone 15 verringert. Sobald die externe Vorspannung mit Polarisation in der Vorwärtsrichtung mindestens so groß ist wie die Diffusionsspannung UD, wird die Raumladungszone 15 aufgelöst; das heißt, dass die Grenzen 15' und 15" aufeinander fallen und die Breite W der Raumladungszone gleich null ist.
  • Nach der Bildung des pn-Übergangs 13 und einer Raumladungszone 15, die eventuell auftritt, wird der Halbleiterkörper 10 von der gedünnten zweiten Seite 12' her gedünnt. Wie in 1F veranschaulicht, wird in einer Ausführungsform eine Raumladungszone 15 mit einer Breite W am pn-Übergang 13 gebildet. Dies erfolgt durch Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 in der negativen y-Richtung bis zur Raumladungszone 15; das heißt, bis zur Grenze 15' der Raumladungszone 15, die sich in der p-dotierten Zone N5 befindet, wie durch Pfeile 17' in 1F veranschaulicht. Folglich wird eine Region N7 des Halbleiterkörpers abgetragen, während ein Rest N6 der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper 10 in dem gedünnten Zustand auf der zweiten Seite bleibt.
  • Beispielsweise kann mittels einer zweckmäßigen Einstellung des Vorspannungswertes am pn-Übergang die Raumladungszone bis zu 5 µm in die p-dotierte Zone N5 hinein ausgeweitet werden, was zu einer entsprechend dicken p-dotierten Restschicht N6 nach dem Dünnen führt. Im Fall einer aufgelösten Raumladungszone 15 wird die zweite Seite bis zum pn-Übergang 13 abgetragen (in den Figuren nicht gezeigt); das heißt, die p-dotierte Zone N5 wird vollständig entfernt.
  • Das Abtragen der zweiten Seite 12' kann in jedem Fall in einer punktuell begrenzten Weise beispielsweise mit Hilfe von Masken ausgeführt werden, oder ansonsten über den gesamten Bereich über dem gesamten Halbleiterkörper 10. Das Abtragen der zweiten Seite 12' wird allgemein mindestens zum Teil mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzverfahrens bewerkstelligt, wobei die Grenze 15' der Raumladungszone oder - wenn eine Raumladungszone fehlt - der pn-Übergang 13 als ein „Ätzstopp“ zum Beenden des Ätzprozesses verwendet wird. Wenn dieser „Ätzstopp“ erreicht ist, so endet der Ätzprozess automatisch; oder anders ausgedrückt: der Ätzstopp wird auf diese Weise in einer selbstjustierenden Weise ausgeführt. Somit ist ein sehr exaktes Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 möglich. Beispielsweise wird eine charakteristische Änderung eines Stroms, der innerhalb der Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen fließt, gemessen, wenn der „Ätzstopp“ erreicht ist, was zum Beenden des Ätzprozesses verwendet wird. In einer Ausführungsform können eine reine Kaliumhydroxidlösung (KOH), Tetramethylammoniumhydroxidlösung (TMAH), Ethylendiamin (EDP) oder Hydrazin-Wasser-Lösungen als Ätzlösungen verwendet werden. Gewünschtenfalls kann nach dem exakten Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 zusätzlich ein geringer Teil der - oder die gesamte - N6-Schicht mit Hilfe eines zusätzlichen Ätzschrittes oder eines chemisch-mechanischen Polierschrittes entfernt werden. Gewünschtenfalls kann sich dieses weitere Abtragen von Halbleitermaterial in die n-dotierte Zone N4 oder sogar in die n-dotierte Zone N3 hinein erstrecken. Verfahren zum mechanischen Abtragen können auch am Anfang des Abtragens der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 verwendet werden.
  • Die 3A-3F veranschaulichen eine weitere Ausführungsform des Dünnens eines Halbleiterkörpers 10, und die 4A-4F sind die entsprechenden Dotierungsprofile. Insbesondere umfassen die 3A-3D ähnliche Schritte wie in den 1A-1D. Im Interesse einer bündigen Darstellung werden die Schritte bezüglich dieser Figuren hier nicht wiederholt beschrieben. In 3E wird eine Protonenimplantierung über die gedünnte zweite Seite 12' ausgeführt. 4E veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der der Halbleiterkörper 10 eine erste Seite 11 und eine gedünnte zweite Seite 12' aufweist. Wie in 3E veranschaulicht, werden Protonen 16 in den Halbleiterkörper 10 über die gedünnte zweite Seite 12' implantiert. Ein Unterschied zwischen dem in 1E gezeigten Verfahrensschritt und dem in 3E gezeigten Verfahrensschritt liegt in der Protonenimplantierungsdosis und -Energie für die Implantierung auf der zweiten Seite, wobei in 3E die Bestrahlungsdosis und die Protonenenergie so gewählt sind, dass ein Ende des Bereichs in der Tiefe E2 der Implantierung auf der zweiten Seite geringfügig um eine Distanz e1, die eine Überlappung zwischen der Region, die durch die Implantierung auf der ersten Seite bestrahlt wird, und der Region, die durch die Implantierung auf der zweiten Seite bestrahlt wird, definiert wird, wie in 1E veranschaulicht, über dem Ende des Bereichs in der Tiefe E1 liegt. Dies führt zu einer p-dotierten Zone N5 nahe der gedünnten zweiten Seite 12', einem n-Dotandenmaximum CDmax2, das durch die Implantierung auf der zweiten Seite in der Tiefe B2 in dem Halbleiterkörper 10 erzeugt wird, und dementsprechend einem pn-Übergang 13 in einer Tiefe T2, der an der gleichen Position wie das Ende des Bereichs in der Tiefe E1 liegt. 4E veranschaulicht eine Ausführungsform des Halbleiterkörpers 10 nach einer Protonenimplantierung auf der zweiten Seite. Wie in 4E veranschaulicht, erstreckt sich die p-dotierte Zone N5 von der Oberfläche der gedünnten zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 bis zum pn-Übergang 13 in der Tiefe T2 (und/oder der Tiefe E1) in den Halbleiterkörper 10. Das n-Dotandenmaximum CDmax2, das durch die Bestrahlung der zweiten Seite erzeugt wird, befindet sich in einer Tiefe B2, die an der gleichen Position wie die Tiefe B1 liegt, oder sogar näher an der ersten Seite 11 des Halbleiterkörpers 10 als die Position B1 des n-Dotandenmaximum CDmax1, so dass die Position des pn-Übergangs exakt durch die Dotierung vom p-Typ von der gedünnten zweiten Seite 12' aus und durch die Dotierung vom n-Typ von der ersten Seite 11 des Halbleiterkörpers 10 aus gesteuert werden kann. Wir kehren zu 3E zurück. Eine Raumladungszone 15, die sich an dem pn-Übergang 13 erstreckt, oder der pn-Übergang selbst kann für ein präzises Beenden des rückseitigen Abtragens des ursprünglichen Halbleiterkörpers verwendet werden, wodurch ein exaktes und reproduzierbares Dünnen des Halbleiterkörpers auf eine gewünschte und zuvor festgelegte Enddicke ermöglicht wird. Die Raumladungszone 15 hat eine Grenze 15', die sich in der p-dotierten Zone N5 befindet, und eine Grenze 15", die sich in der n-dotierten Zone N3 befindet.
  • Alternativ wird eine Erwärmung im Anschluss an die Protonenimplantierung auf der zweiten Seite in den Halbleiterkörper 10 hinein ausgeführt (in den Figuren nicht gezeigt). Die Erwärmung enthält eine Ausheilphase, wobei der Temperaturbereich und die Dauer der Ausheilphase so gewählt sind, dass garantiert ist, dass die p-dotierte Zone N5 nicht umgewandelt wird. In einer Ausführungsform wird die Ausheilphase in einem Temperaturbereich von beispielsweise zwischen 220 °C und 400 °C beispielsweise zwischen 320 °C und 380 °C ausgeführt. In einer Ausführungsform wird die Ausheilphase bei Temperaturen unter 350 °C ausgeführt.
  • Nach der Bildung der p-dotierten Zone N5 und des pn-Übergangs 13 bildet sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht infolge der Diffusion von Ladungsträgern am pn-Übergang 13 eine Raumladungszone 15 bis hin zu einer Grenze 15" in der n-dotierten Zone N3 und bis hin zu einer Grenze 15' in der p-dotierten Zone N5. Infolge der verbleibenden fixen Ladungen haben die zuvor elektrisch neutralen Kristalle nun eine Raumladung angenommen, die den Kristall vom p-Typ negativ lädt und den Kristall vom n-Typ positiv lädt. Die resultierende elektrische Spannung wird als die Diffusionsspannung UD bezeichnet.
  • Durch Anlegen einer externen Vorspannung an den pn-Übergang 13 können die Grenzen 15' und 15" verschoben werden, und die Breite W der Raumladungszone 15 kann somit gesteuert werden. Durch Anlegen der externen Vorspannung in der Umkehrrichtung des pn-Übergangs 13 (+ in der n-dotierten Zone N3, - an der p-dotierten Zone N5) wird beispielsweise die Breite W der Raumladungszone 15 vergrößert. Wenn die externe Vorspannung in der Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs 13 (- in der n-dotierten Zone N3, + in der p-dotierten Zone N5) polarisiert wird, so wird die Breite W der Raumladungszone 15 verringert. Sobald die externe Vorspannung mit Polarisation in der Vorwärtsrichtung mindestens so groß ist wie die Diffusionsspannung UD, wird die Raumladungszone 15 aufgelöst; das heißt, dass die Grenzen 15' und 15" aufeinander fallen und die Breite W der Raumladungszone gleich null ist.
  • Nach der Bildung des pn-Übergangs 13 und einer Raumladungszone 15, die eventuell auftritt, wird der Halbleiterkörper 10 von der gedünnten zweiten Seite 12' her gedünnt. Wie in 3F veranschaulicht, wird in einer Ausführungsform eine Raumladungszone 15 mit einer Breite W am pn-Übergang 13 gebildet. Dies erfolgt durch Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 in der negativen y-Richtung bis zur Raumladungszone 15; das heißt, bis zur Grenze 15' der Raumladungszone 15, die sich in der p-dotierten Zone N5 befindet, wie durch Pfeile 17' in 3F veranschaulicht. Folglich wird eine Region N7 des Halbleiterkörpers abgetragen, während ein Rest N6 der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper 10 in dem gedünnten Zustand auf der zweiten Seite bleibt.
  • Das Abtragen der zweiten Seite 12' kann in jedem Fall in einer punktuell begrenzten Weise beispielsweise mit Hilfe von Masken ausgeführt werden, oder ansonsten über den gesamten Bereich über dem gesamten Halbleiterkörper 10. Das Abtragen der zweiten Seite 12' wird allgemein mindestens zum Teil mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzverfahrens bewerkstelligt, wobei die Grenze 15' der Raumladungszone oder - wenn eine Raumladungszone fehlt - der pn-Übergang 13 als ein „Ätzstopp“ zum Beenden des Ätzprozesses verwendet wird. Wenn dieser „Ätzstopp“ erreicht ist, so endet der Ätzprozess automatisch; oder anders ausgedrückt: der Ätzstopp wird auf diese Weise in einer selbstjustierenden Weise ausgeführt. Somit ist ein sehr exaktes Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 möglich. Beispielsweise wird eine charakteristische Änderung eines Stroms, der innerhalb der Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen fließt, gemessen, wenn der „Ätzstopp“ erreicht ist, was zum Beenden des Ätzprozesses verwendet wird. Gewünschtenfalls kann nach dem exakten Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 zusätzlich ein geringer Teil der - oder die gesamte - N6-Schicht mit Hilfe eines zusätzlichen Ätzschrittes oder eines chemisch-mechanischen Polierschrittes entfernt werden. Gewünschtenfalls kann sich dieses weitere Abtragen von Halbleitermaterial sogar in die n-dotierte Zone N3 hinein erstrecken. Verfahren zum mechanischen Abtragen können auch am Anfang des Abtragens der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 verwendet werden.
  • Die 5A-5F veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Dünnens eines Halbleiterkörpers 10, und die 6A-6F sind die entsprechenden Dotierungsprofile. Insbesondere umfassen die 5A-5D ähnliche Schritte wie in den 1A-1D. Im Interesse einer bündigen Darstellung werden die Schritte bezüglich dieser Figuren hier nicht wiederholt beschrieben. Der Unterschied zwischen den in den 1A-1F gezeigten Ausführungsformen und den in 5A-5F gezeigten Ausführungsform ist, dass die Bestrahlung der zweiten Seite durch eine Heliumbestrahlung ausgeführt wird, wobei die Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 15 MeV liegt und die Implantierungsdosis im Bereich zwischen 5 × 1012 je cm2 und 1 × 1014 je cm2 liegt. Wie in 5E dargestellt, wird eine Heliumbestrahlung über die gedünnte zweite Seite 12' ausgeführt. 5E veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der der Halbleiterkörper 10 eine erste Seite 11 und eine gedünnte zweite Seite 12' aufweist. Wie in 5E veranschaulicht, wird Helium 16' über die gedünnte zweite Seite 12' in den Halbleiterkörper 10 implantiert. Heliumbestrahlungsdosis und -Energie sind so gewählt, dass ein Ende des Bereichs in der Tiefe E2 der Implantierung auf der zweiten Seite neben dem Ende des Bereichs in der Tiefe E1 liegt, wie in 5E veranschaulicht. Dies führt zu einer p-dotierten Zone N5 nahe der gedünnten zweiten Seite 12' und einem pn-Übergang 13 in einer Tiefe T2, der die gleiche Position wie das Ende des Bereichs in der Tiefe E1 hat oder nahe bei diesem liegt. 6E veranschaulicht eine Ausführungsform des Halbleiterkörpers 10 nach einer Heliumbestrahlung der zweiten Seite. Wie in 6E veranschaulicht, erstreckt sich die p-dotierte Zone N5 von der Oberfläche der gedünnten zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 bis zum pn-Übergang 13 in der Tiefe T2 (und/oder der Tiefe E1) in den Halbleiterkörper 10 hinein. Kehren wir zu 5E zurück. Eine Raumladungszone 15, die sich an dem pn-Übergang 13 erstreckt, oder der pn-Übergang selbst kann für ein präzises Beenden des rückseitigen Abtragens des ursprünglichen Halbleiterkörpers verwendet werden, wodurch ein exaktes und reproduzierbares Dünnen des Halbleiterkörpers auf eine gewünschte und zuvor festgelegte Enddicke ermöglicht wird. Die Raumladungszone 15 hat eine Grenze 15', die sich in der p-dotierten Zone N5 befindet, und eine Grenze 15", die sich in der n-dotierten Zone N3 befindet.
  • Alternativ wird eine Erwärmung im Anschluss an die Helium-Bestrahlung der zweiten Seite in den Halbleiterkörper 10 hinein ausgeführt (in den Figuren nicht gezeigt). Die Erwärmung enthält eine Ausheilphase, wobei der Temperaturbereich und die Dauer der Ausheilphase so gewählt sind, dass garantiert ist, dass die p-dotierte Zone N5 nicht umgewandelt wird.
  • Nach der Bildung der p-dotierten Zone N5 und des pn-Übergangs 13 bildet sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht infolge der Diffusion von Ladungsträgern am pn-Übergang 13 eine Raumladungszone 15 bis hin zu einer Grenze 15" in der n-dotierten Zone N3 und bis hin zu einer Grenze 15' in der p-dotierten Zone N5. Infolge der verbleibenden fixen Ladungen haben die zuvor elektrisch neutralen Kristalle nun eine Raumladung angenommen, die den Kristall vom p-Typ negativ lädt und den Kristall vom n-Typ positiv lädt. Die resultierende elektrische Spannung wird als die Diffusionsspannung UD bezeichnet.
  • Durch Anlegen einer externen Vorspannung an den pn-Übergang 13 können die Grenzen 15' und 15" verschoben werden, und die Breite W der Raumladungszone 15 kann somit gesteuert werden. Durch Anlegen der externen Vorspannung in der Umkehrrichtung des pn-Übergangs 13 (+ in der n-dotierten Zone N3, - an der p-dotierten Zone N5) wird beispielsweise die Breite W der Raumladungszone 15 vergrößert. Wenn die externe Vorspannung in der Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs 13 (- in der n-dotierten Zone N3, + in der p-dotierten Zone N5) polarisiert wird, so wird die Breite W der Raumladungszone 15 verringert. Sobald die externe Vorspannung mit Polarisation in der Vorwärtsrichtung mindestens so groß ist wie die Diffusionsspannung UD, wird die Raumladungszone 15 aufgelöst; das heißt, dass die Grenzen 15' und 15" aufeinander fallen und die Breite W der Raumladungszone gleich null ist.
  • Nach der Bildung des pn-Übergangs 13 und einer Raumladungszone 15, die eventuell auftritt, wird der Halbleiterkörper 10 von der gedünnten zweiten Seite 12' her gedünnt. Wie in 5F veranschaulicht, wird in einer Ausführungsform eine Raumladungszone 15 mit einer Breite W am pn-Übergang 13 gebildet. Dies erfolgt durch Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 in der negativen y-Richtung bis zur Raumladungszone 15; das heißt, bis zur Grenze 15' der Raumladungszone 15, die sich in der p-dotierten Zone N5 befindet, wie durch Pfeile 17' in 5F veranschaulicht. Folglich wird eine Region N7 des Halbleiterkörpers abgetragen, während ein Rest N6 der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper 10 in dem gedünnten Zustand auf der zweiten Seite bleibt.
  • Das Abtragen der zweiten Seite 12' kann in jedem Fall in einer punktuell begrenzten Weise beispielsweise mit Hilfe von Masken ausgeführt werden, oder ansonsten über den gesamten Bereich über dem gesamten Halbleiterkörper 10. Das Abtragen der zweiten Seite 12' wird allgemein mindestens zum Teil mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzverfahrens bewerkstelligt, wobei die Grenze 15' der Raumladungszone oder - wenn eine Raumladungszone fehlt - der pn-Übergang 13 als ein „Ätzstopp“ zum Beenden des Ätzprozesses verwendet wird. Wenn dieser „Ätzstopp“ erreicht ist, so endet der Ätzprozess automatisch; oder anders ausgedrückt: der Ätzstopp wird auf diese Weise in einer selbstjustierenden Weise ausgeführt. Somit ist ein sehr exaktes Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 möglich. Beispielsweise wird eine charakteristische Änderung eines Stroms, der innerhalb der Vorrichtung zum elektrochemischen Ätzen fließt, gemessen, wenn der „Ätzstopp“ erreicht ist, was zum Beenden des Ätzprozesses verwendet wird. Gewünschtenfalls kann nach dem exakten Abtragen der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 zusätzlich ein geringer Teil der - oder die gesamte - N6-Schicht mit Hilfe eines zusätzlichen Ätzschrittes oder eines chemisch-mechanischen Polierschrittes entfernt werden. Gewünschtenfalls kann sich dieses weitere Abtragen von Halbleitermaterial sogar in die n-dotierte Zone N3 hinein erstrecken. Verfahren zum mechanischen Abtragen können auch am Anfang des Abtragens der zweiten Seite 12' des Halbleiterkörpers 10 verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Dosis und die Energie der Bestrahlung der zweiten Seite so gewählt, dass die p-dotierte Zone nahe der gedünnten zweiten Seite 12' eine hohe Konzentration hat (in den Figuren nicht veranschaulicht). Die resultierende „rückseitige“ hochdotierte Zone vom p-Typ kann beispielsweise als ein Emitter vom p-Typ für einen IGBT verwendet werden.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters, das Folgendes aufweist: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (10) mit einer ersten Seite (11) und einer zweiten Seite (12); Bilden einer n-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper (10) durch eine erste Implantierung von Protonen (14) in den Halbleiterkörper (10) über die erste Seite (11) bis auf eine erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10); Ausführen eines ersten Dünnens des Halbleiterkörpers (10) von der zweiten Seite (12) aus; Bilden einer p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper (10) nach dem ersten Dünnen durch eine zweite Implantierung von Protonen (14) oder Helium in den Halbleiterkörper (10) über die zweite Seite (12) bis auf eine zweite Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10), wodurch ein pn-Übergang (13) zwischen der n-dotierten Zone und der p-dotierten Zone in dem Halbleiterkörper (10) entsteht; und nach dem Bilden der p-dotierten Zone, Ausführen eines zweiten Dünnens des Halbleiterkörpers (10) von der gedünnten zweiten Seite (12') aus bis auf eine bestimmte Tiefe, die durch eine Raumladungsregion (15) des pn-Übergangs (13) definiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Implantierung von Protonen (14) mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 5 MeV ausgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Implantierung von Protonen (14) mit einer Dosis von Protonen (14) im Bereich zwischen 2×1011 Protonen (14) je cm2 und 8×1014 Protonen (14) je cm2 ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Implantierung von Protonen (14) mit einer Dosis von Protonen (14) im Bereich zwischen 1×1014 Protonen (14) je cm2 und 4×1014 Protonen (14) je cm2 ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: ein Ausführen eines ersten Ausheilens des Halbleiterkörpers (10) nach der ersten Implantierung.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: ein Ausführen eines ersten Ausheilens des Halbleiterkörpers (10) nach der ersten Implantierung von Protonen (14) und das Ausführen des ersten Dünnens nach dem Ausführen des ersten Ausheilens.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste Ausheilen in einem Temperaturbereich zwischen 470 °C und 520 °C ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich die zweite Tiefenposition an der gleichen Stelle wie die erste Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10) befindet.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich die zweite Tiefenposition zwischen der ersten Seite (11) und der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10) befindet.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich die zweite Tiefenposition zwischen der zweiten Seite (12) und der ersten Tiefenposition des Halbleiterkörpers (10) befindet, wobei die zweite Tiefenposition nahe genug bei der ersten Tiefenposition liegt, damit eine Tiefenposition des pn-Übergangs (13) durch die n-dotierte Zone über die erste Implantierung und die p-dotierte Zone über die zweite Implantierung gesteuert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Implantierung von Protonen (14) mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 1 MeV und 4 MeV ausgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die zweite Implantierung von Protonen (14) mit einer Dosis von Protonen (14) im Bereich zwischen 1 × 1011 Protonen (14) je cm2 und 5 x 1014 Protonen (14) je cm2 ausgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, ferner aufweisend: ein Ausführen eines zweiten Ausheilens des Halbleiterkörpers (10) nach der zweiten Implantierung.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das zweite Ausheilen in einem Temperaturbereich zwischen 220 °C und 400 °C ausgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die zweite Implantierung von Helium mit einer Implantierungsenergie im Bereich zwischen 2 MeV und 15 MeV ausgeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die zweite Implantierung von Helium mit einer Dosis von Helium im Bereich zwischen 5 × 1012 je cm2 und 1 × 1014 je cm2 ausgeführt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ferner aufweisend: wobei das zweite Dünnen durch ein elektrochemisches Ätzen ausgeführt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das elektrochemische Ätzen mit einer Tetramethylammoniumhydroxidlösung (TMAH) implementiert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das zweite Dünnen so ausgeführt wird, dass es an der Raumladungsregion (15) des pn-Übergangs (13) stoppt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das erste Dünnen durch mechanisches Schleifen ausgeführt wird.
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