DE10353843A1

DE10353843A1 - Halbleitersubstrat und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE10353843A1
Application number: DE10353843A
Authority: DE
Inventors: Masanobu Ogino; Yoshikatsu Suto; Yoshiro Baba
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2004-06-09
Also published as: JP2004221515A; JP4266122B2; US20080242067A1; US20040124445A1; CN100472710C; CN1501441A

Abstract

Es wird ein Halbleitersubstrat offenbart, welches ein schwach dotiertes Substrat (5, 11, 16, 30), welches Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält, eine stark dotierte Diffusionsschicht (9; 14¶1¶, 14¶2¶; 19¶1¶, 19¶2¶; 33¶1¶, 33¶2¶), welche über einer Oberseite des schwach dotierten Substrats (5, 11, 16, 30) ausgebildet ist und eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweist als das schwach dotierte Substrat (5, 11, 16, 30), sowie eine Epitaxieschicht (10, 15, 20, 36), welche über einer Oberseite der stark dotierten Diffusionsschicht (9; 14¶1¶, 14¶2¶; 19¶1¶, 19¶2¶; 33¶1¶, 33¶2¶) ausgebildet ist und Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht (9; 14¶1¶, 14¶2¶; 19¶1¶, 19¶2¶; 33¶1¶, 33¶2¶) enthält, umfaßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Halbleitersubstrat, das in einem Halbleiterbauelement verwendet wird, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Herkömmlich sind die meisten konventionellen Halbleitersubstrate für Halbleiterbauelemente, welche im allgemeinen als bipolare Transistoren oder Power-MOSFETs bezeichnet werden, solche, in welchen eine schwach dotierte Silicium-Epitaxieschicht auf der Oberseite eines Substrats ausgebildet ist, das stark mit Verunreinigungen, wie Arsen, Antimon, Phosphor oder Bor (im allgemeinen Arsen) dotiert ist und dessen Oberfläche hochglanznachbearbeitet ist.
Um ein derart stark dotiertes Substrat herzustellen, ist es erforderlich, zum Zeitpunkt des Einkristallwachstums mit dem Czochralski-Verfahren ein Substrat mit einer großen Menge Verunreinigungen zu dotieren. Das Einführen von Verunreinigungen in der höchstmöglichen Konzentration innerhalb der Löslichkeitsgrenze des Feststoffs bei der Fertigung des stark dotierten Substrats erschwert jedoch das Einkristallwachstum, was zu niedrigen Ausbeuten führt. Zusätzlich erschwert es ein als Segregation bezeichnetes Phänomen, Verunreinigungen gleichförmig in der Richtung der Kristallänge in einer Charge einzuführen, d.h. Kristall mit einem gleichförmigen spezifischen Widerstand zu züchten. Somit führt die Fertigung eines stark dotierten Substrats durch Einfügung einer großen Menge an Verunreinigungen in das Substrat zum Zeitpunkt des Einkristallwachstums zu einer Erhöhung der Fertigungskosten.
Beim so erhaltenen stark dotierten Substrat bleibt die stark dotierte Halbleitersubstratschicht auf der Rückseite des Substrats unbedeckt. Zum Zeitpunkt der Ausbildung einer Epitaxieschicht auf der Oberseite des stark dotierten Substrats diffundieren folglich die Verunreinigungen innerhalb des Substrats von der Rückseite nach außen und die diffundierenden Verunreinigungen gelangen dann in die Oberfläche der Epitaxieschicht auf der Oberseite des Substrats. Um die Diffusion von Verunreinigungen von der Rückseite des Substrats nach außen zum Zeitpunkt der Ausbildung der Epitaxieschicht zu verhindern, ist es erforderlich, einen Passivierungsfilm (Oxidfilm oder Polysiliciumfilm) auf der Rückseite des Substrats auszubilden, was die Fertigungskosten weiter erhöht.

Herkömmlich gibt es ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats für einen Thyristor, welches die Ausbildung einer Verunreinigungs-Diffusionsschicht auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats, anschließendes mechanisches und chemisches Hochglanzpolieren der Oberfläche der Verunreinigungs-Diffusionsschicht zur Entfernung des Oberflächenteils einer gegebenen Dicke, sowie das Ausbilden einer stark dotierten Epitaxieschicht auf der hochglanzpolierten Verunreinigungs-Diffusionsschicht einschließt (siehe japanische Patentanmeldung KOKAI Nr. 59-35421).

Um mit dieser herkömmlichen Technik die Verunreinigungs-Diffusionsschicht auf der Substratoberfläche auszubilden, werden Oxidfilme auf beiden Seiten des Substrats ausgebildet, Phosphor durch die Oxidfilme in einen Wafer mit 140 KeV und bei einer Dosis von 7 × 10¹⁴ cm^–2 implantiert und der erhaltene Wafer für etwa 50 Stunden bei 1260°C in einem gemischten Gas aus Stickstoff und Sauerstoff erhitzt, so daß Phosphor in den Wafer diffundiert. Danach wird die Oberfläche des Wafers mechanisch und chemisch unter Verwendung von Kieselsäurepulver hochglanzpoliert, um die Phosphor-Diffusionsschicht in einer Dicke von 5 μm zu entfernen, und eine monokristalline Epitaxieschicht vom N-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ωcm wird auf der hochglanzpolierten Wafer-Oberfläche mit Hilfe von Epitaxie-Wachstumstechniken ausgebildet.

Diese herkömmliche Technik soll eine defektfreie Epitaxieschicht bei der Fertigung eines Halbleitersubstrats für einen Thyristor ausbilden. Im einzelnen schließt die Technik die Ausbildung einer Diffusionsschicht auf einem Substrat, das anschließende mechanische und chemische Polieren der Oberfläche der Diffusionsschicht und das Ausbilden einer Epitaxieschicht auf der polierten Diffusionsschicht ein, wodurch eine defektfreie Epitaxieschicht ausgebildet wird.

Ferner schließt die herkömmliche Technik zur Ausbildung einer stark dotierten Diffusionsschicht auf einem Substrat das Ionenimplantieren von Dotierungsmitteln in das Substrat mit einer Dosis von 7 × 1014 cm^–2 und das anschließende Diffundieren der implantierten Dotierungsmittel durch Hochtemperatur-Wärmebehandlung ein. Danach wird eine Epitaxieschicht mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ωcm auf dem Substrat ausgebildet. Es wird erwartet, daß mit diesem Fertigungsverfahren die Verunreinigungskonzentration des Substrats (untere Schicht) und die Verunreinigungskonzentration der Epitaxieschicht (obere Schicht) im wesentlichen gleich zueinander sind. Um die Verunreinigungskonzentration der Diffusionsschicht höher zu machen, wird die Ionenimplantation einfach für eine längere Zeit bei höherer Dosis durchgeführt; dies führt jedoch zu einer niedrigeren Produktivität und folglich zu höheren Fertigungskosten.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersubstrat zur Verfügung gestellt, das umfaßt:
ein schwach dotiertes Substrat (lightly doped substrate), das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält;
eine stark dotierte Diffusionsschicht (heavily doped diffusion layer), die über einer Oberseite des schwach dotierten Substrats ausgebildet ist und eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist als das schwach dotierte Substrat; und
eine Epitaxieschicht, die über einer Oberseite der stark dotierten Diffusionsschicht ausgebildet ist und Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration enthält als die stark dotierte Diffusionsschicht.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats bereitgestellt, das umfaßt:
Ausbilden einer stark dotierten Diffusionsschicht, welche eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweist als das schwach dotierte Substrat, auf einer Oberfläche eines schwach dotierten Substrats, welches Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält;
Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht; und
Ausbilden einer Epitaxieschicht auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht, wobei die Epitaxieschicht Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration enthält als die stark dotierte Diffusionsschicht.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats zur Verfügung gestellt, welches umfaßt:
Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche eines schwach dotierten Substrats, welches Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält;
Ausbilden einer stark dotierten Diffusionsschicht, welche eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweist als das schwach dotierte Substrat, auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche des schwach dotierten Substrats; und
Ausbilden einer Epitaxieschicht auf einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht, wobei die Epitaxieschicht Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht enthält.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats zur Verfügung gestellt, welches umfaßt:
Ausbilden stark dotierter Diffusionsschichten, welche eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweisen als das schwach dotierte Substrat, auf der Ober- und Rückseite eines schwach dotierten Substrats, das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält;
Entfernen der stark dotierten Diffusionsschicht, welche entweder auf der Ober- oder der Rückseite des schwach dotierten Substrats ausgebildet ist;
Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht, welche auf der anderen Ober- oder Rückseite des schwach dotierten Substrats ausgebildet ist; und
Ausbilden einer Epitaxieschicht auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht, wobei die Epitaxieschicht Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht enthält.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats bereitgestellt, das umfaßt:
Ausbilden stark dotierter Diffusionsschichten, welche eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweisen als das schwach dotierte Substrat, auf der Ober- und Rückseite eines schwach dotierten Substrats, das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält;
Unterteilen des Substrats in Teilsubstrate durch Schneiden entlang seiner Oberfläche in der Mitte in Dickenrichtung;
Planarisieren einer Schnittfläche jedes der Teilsubstrate; Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht, welche auf jedem der Teilsubstrate ausgebildet ist; und
Ausbilden einer Epitaxieschicht auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht auf jedem der Teilsubstrate, wobei die Epitaxieschicht Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration enthält als die stark dotierten Diffusionsschichten.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Halbleitersubstrat zur Verfügung gestellt, welches umfaßt:
ein Halbleiterbauelement;
eine stark dotierte Diffusionsschicht, welche über einer Oberseite eines schwach dotierten Substrats ausgebildet ist und eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweist als das schwach dotierte Substrat, wobei das schwach dotierte Substrat in einer letzten Stufe eines Verfahrens zur
Ausbildung des Halbleiterbauelements entfernt wird; und eine Epitaxieschicht, welche über einer Oberseite der stark dotierten Diffusionsschicht ausgebildet ist und Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht enthält, wobei das Halbleiterbauelement in der Epitaxieschicht ausgebildet ist.

Kurze Beschreibung der unterschiedlichen Ansichten der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats;
2 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, in welcher eine stark dotierte Diffusionsschicht und eine Epitaxieschicht auf dem Halbleitersubstrat der 1 ausgebildet sind;
3 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats;
4 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, in welcher eine stark dotierte Diffusionsschicht und eine Epitaxieschicht auf dem Halbleitersubstrat der 3 ausgebildet sind;
5 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 5 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
7 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 6 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
8 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 7 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
9 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 8 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
10 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 9 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
11 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
12 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 11 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
13 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 12 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
14 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 13 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
15 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 14 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
16 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt von 15 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
17 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrat zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
18 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 17 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
19 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 18 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
20 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrat zur Erläuterung eines auf den Schritt der 19 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
21 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 20 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
22 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 21 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
23 ist eine Schnittansicht eines Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
24 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 23 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
25 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 24 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
26 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 25 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
27 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 26 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
28 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 27 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
29 ist eine Schnittansicht des Halbleitersubstrats zur Erläuterung eines auf den Schritt der 28 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform;
30 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 10 gezeigten Substrats;
31 ist eine Schnittansicht des Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines auf den Schritt der 30 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens;
32 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 16 gezeigten Substrats;
33 ist eine Schnittansicht des Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines auf den Schritt der 32 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens;
34 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 22 gezeigten Substrats;
35 ist eine Schnittansicht des Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines auf den Schritt der 34 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens;
36 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines Schritts eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 29 gezeigten Substrats;
37 ist eine Schnittansicht des Halbleiterbauelements zur Erläuterung eines auf den Schritt der 36 folgenden Schritts des Herstellungsverfahrens;
38 ist eine Schnittansicht eines Halbleiter-Wafers, der ein schwach dotiertes Substrat, eine stark dotierte Diffusionsschicht und eine Epitaxieschicht umfaßt und zur Durchführung des "SR-Verfahrens" schräg geschliffen wurde;
39 ist eine schematische Schnittansicht des Halbleiter-Wafers der 38, auf dem zwei Sonden in einem Abstand voneinander auf der geschliffenen Wafer-Oberfläche angebracht wurden;
40 ist ein Graph, der den spezifischen Widerstand in Abhängigkeit von der Distanz beim "SR-Verfahren" zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 und 3 sind Schnittansichten eines Halbleitersubstrats. Dieses Halbleitersubstrat ist ein schwach dotiertes Halbleitersubstrat (Halbleiter-Wafer), welches Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält und durch Schneiden eines monokristallinen Barrens gebildet wird. Dieses Substrat ist eines vor der Bildung von Schichten, wie beispielsweise einer Verunreinigungs-Diffusionsschicht, einer Epitaxieschicht, usw.
Das schwach dotierte Substrat 100 wird üblicherweise zum Zeitpunkt des Einkristallwachstums mit dem Czochralski-Verfahren mit Verunreinigungen vom N- oder P-Leitfähigkeitstyp dotiert. In den 1 und 3 geben N und P die Leitfähigkeitstypen der Halbleiter an. Dies ist in den übrigen Zeichnungen genauso. Das Symbol "+" gibt an, daß die Verunreinigungskonzentration hoch ist. Die Verunreinigungen vom N-Leitfähigkeitstyp schließen Phosphor, Antimon und Arsen ein. Die Verunreinigungen vom P-Leitfähigkeitstyp schließen Bor ein.
Verunreinigungen desselben Leitfähigkeitstyps wie diejenigen im schwach dotierten Substrat 100 werden mit Hilfe von Diffusionstechniken in einer hohen Konzentration in das Substrat eindiffundiert, so daß ein Substrat mit darin ausgebildeter stark dotierter Diffusionsschicht 1 hergestellt wird, in welchem eine stark dotierte Diffusionsschicht 2 im oberen Teil des Substrats 100 ausgebildet ist, wie in den 2 und 4 gezeigt, welche jeweils den 1 und 3 entsprechen. Das Symbol "+" in den 2 und 4 gibt an, daß die Verunreinigungskonzentration hoch ist. Dies ist für die übrigen Zeichnungen genauso. Es ist wünschenswert, daß die Dicke der stark dotierten Diffusionsschicht 2 kleiner ist als diejenige des schwach dotierten Substrats 100. Es ist wünschenswert, daß zum Zeitpunkt der Diffusion eine Nicht-Diffusionsschicht 1' im Substrat mit der stark dotierten Diffusionsschicht 2 darauf ausgebildet verbleibt.
Als nächstes wird eine Epitaxieschicht 3 auf der stark dotierten Diffusionsschicht 2 des Substrats 1 ausgebildet, welche Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht 2 enthält.
Die Epitaxieschicht 3 kann von demselben Leitfähigkeitstyp sein wie das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht, wie in 2 gezeigt, oder kann vom Leitfähigkeitstyp sein, welcher dem schwach dotierten Substrat und der stark dotierten Diffusionsschicht entgegengesetzt ist, wie in 4 gezeigt. D.h., wenn das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht von N-Leitfähigkeitstyp sind, kann, wie in 1 und 2 gezeigt, die Epitaxieschicht ebenso vom N-Leitfähigkeitstyp sein und wenn das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht vom P-Leitfähigkeitstyp sind, kann die Epitaxieschicht auch vom P-Leitfähigkeitstyp sein. Wie in 3 und 4 gezeigt, kann, wenn das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht vom N-Leitfähigkeitstyp sind, die Epitaxieschicht alternativ vom P-Leitfähigkeitstyp sein und wenn das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht von P-Leitfähigkeitstyp sind, kann die Epitaxieschicht vom N-Leitfähigkeitstyp sein. Leistungsgeräte wie IGBT-Transistoren (Insulated Gate Bipolar Transistors) haben einen Aufbau mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, wie in 4 gezeigt.
Die Verunreinigungskonzentration des schwach dotierten Substrats 100 kann so niedrig eingestellt werden, daß eine solche Diffusion von im Substrat enthaltenen Verunreinigungen nach außen, welche den spezifischen Widerstand der Epitaxieschicht 3 beeinflußt, nicht auftritt. Aus diesem Grund kann das Substrat mit niedrigen Kosten im Vergleich zu herkömmlichen stark dotierten Substraten gefertigt werden. Es ist ratsam, daß die Verunreinigungskonzentration des schwach dotierten Substrats 100 weniger als das 10-fache derjenigen der Epitaxieschicht 3 ist.
Weil die stark dotierte Diffusionsschicht 2 durch Diffusionstechniken ausgebildet wird, kann eine gleichförmige Verteilung des spezifischen Widerstandes in einer Charge enthalten werden, ohne daß diese durch Segregation beeinflußt wird, die zum Zeitpunkt des Kristallwachstums bei der Bildung herkömmlicher stark dotierter Substrate auftritt. Weil die stark dotierte Diffusionsschicht 2 so ausgebildet ist, daß sie nicht die Rückseite 4 des Substrats 1 erreicht, wandern die Verunreinigungen nicht von der Rückseite 4 zur Oberseite (Epitaxieschichtoberfläche) des Substrats 1 zum Zeitpunkt des Epitaxiewachstums oder beim Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements. Somit kann ein überschüssiger Schritt der Ausbildung eines Passivierungsfilms auf der Rückseite des Substrats vereinfacht werden.
Wenn die nicht dotierte Schicht 1' des Substrats 1 nach der Ausbildung des Halbleiterbauelements verbliebe, würden sich die Eigenschaften des Bauelements verschlechtern. Im allgemeinen wird die Schicht 1' entfernt durch Schleifen in der letzte Stufe beim Herstellungsverfahren des Bauelements; folglich tritt kein Problem auf. Wenn das Substrat nach dem Entfernen der Schicht 1' eine zu geringe Dicke hat, neigt es zum Brechen in den nachfolgenden Schritten und es ist folglich erforderlich, daß es eine Dicke von 50 μm oder mehr hat. Es ist wünschenswert, daß die Summe der Dicke der Epitaxieschicht 3 und der stark dotierten Diffusionsschicht 2 50 μm oder mehr ist.
In einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein schwach dotiertes Substrat, das Verunreinigungen in einem niedrigen Dotierungslevel enthält, auf oder unter (in diesem Beispiel auf) einer Diffusionsschicht, welche stärker mit Verunreinigungen dotiert ist als das Substrat, ausgebildet.
Zur Ausbildung der stark dotierten Diffusionsschicht wird eine herkömmliche Technik angewandt, welche beispielsweise das Geben des Halbleitersubstrats in einen elektrischen Ofen, die Wärmebehandlung des Halbleitersubstrats in einem gemischten Gas aus Sauerstoff, Stickstoff und POCl₃ und ferner das Durchführen von Wärmebehandlung bei höherer Temperatur einschließt. Als nächstes wird die Oberseite des Substrats, die mit der stark dotierten Diffusionsschicht versehen ist, hochglanznachbehandelt. Das hier beschriebene Hochglanznachbehandlungsverfahren schließt mindestens ein chemisch-mechanisches Polierverfahren ein, welches es ermöglicht, daß die nachbehandelte Oberfläche des Substrats ein Spiegel wird. Wenn durch das chemisch-mechanische Polierverfahren Weiterverarbeitungsverfahren notwendig sind, sollten sie eingeschlossen werden. Die Weiterverarbeitungsverfahren schließen Schleifen unter Verwendung eines Diamantschleifsteins und die Ätzung mit einer Säurechemikalie (beispielsweise einer Lösung von Salpetersäure, Essigsäure und Flußsäure) ein. In den vergangenen Jahren wurde die Plasma-Ätzungstechnik in weitem Maß etabliert. Wenn diese Technik als das letzte Verfahren verwendet wird, sollte sie ebenso eingeschlossen werden. Als nächstes wird eine Epitaxieschicht, die Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht enthält, auf der hochglanznachbehandelten Oberfläche ausgebildet. Die Ausbildung dieser Epitaxieschicht wird durchgeführt mit Hilfe herkömmlicher Techniken, beispielsweise unter Verwendung von SiHCl₃ als Siliciumquelle, H₂ als Trägergas und PH₃ als Dotierungsgas. In diesem Fertigungsverfahren kann die Hochglanznachbehandlung vor der Ausbildung der stark dotierten Diffusionsschicht durchgeführt werden. Ferner ist es wünschenswert, daß die andere Substratoberfläche, welche nicht mit einer stark dotierten Diffusionsschicht versehen ist (in diesem Beispiel die Rückseite des Substrats) durch einen Oxidfilm oder dgl. geschützt wurde, bevor die stark dotierte Diffusionsschicht ausgebildet wird. Die Ausbildung dieses Passivierungsfilms kann unter der Annahme, daß der Passivierungsfilm ein Oxidfilm ist, erreicht werden durch Ausbildung von Oxidfilmen auf sowohl der Ober- als auch der Unterseite des Substrats vor der Ausbildung der stark dotierten Diffusionsschicht und anschließendes Wegätzen des Oxidfilms auf der Oberseite des Substrats (der Oberfläche auf welcher die Epitaxieschicht ausgebildet werden soll) durch Schleuderätzen.
In einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, wird ein schwach dotiertes Substrat 100, das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält, auf der Ober- und Unterseite mit Diffusionsschichten versehen, von denen jede stärker mit Verunreinigungen dotiert ist als das Substrat. Die stark dotierten Diffusionsschichten können durch das vorgenannte herkömmliche Verfahren ausgebildet werden. Als nächstes wird die stark dotierte Diffusionsschicht auf einer der Substratoberflächen (in diesem Beispiel der Unterseite) entfernt, um die Nicht-Diffusionsschicht freizulegen. Es ist wünschenswert, daß in diesem Fall die Entfernung der stark dotierten Diffusionsschicht durchgeführt wird durch Einseitenschleifen unter Verwendung eines Diamantschleifsteins, Einseitenätzung auf Basis von Plasma- oder Schleuderätzen oder Einseitenpolieren. In einer Anordnung unter Belassen der stark dotierten Diffusionsschicht können Zweiseitenschleifen, Zweiseitenätzen und Zweiseitenpolieren in Kombination durchgeführt werden. Als nächstes wird die Oberseite des Substrats, auf welcher die stark dotierte Diffusionsschicht verblieben ist, hochglanznachbearbeitet. An diesem Punkt können, abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche (Oberseite des Substrats) der stark dotierten Diffusionsschicht, Schleifen unter Verwendung eines Diamantschleifsteins, Plasma- oder Schleuderätzen und Polieren in Kombination durchgeführt werden. Wenn die Nicht-Diffusionsschicht, welche die Rückseite des Substrats bildet, belassen wird, können Zweiseitenschleifen, Zweiseitenätzen und Zweiseitenpolieren in Kombination durchgeführt werden. Nach der Hochglanznachbearbeitung wird eine Epitaxieschicht, die Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält, mit Hilfe der vorgenannten herkömmlichen Techniken auf der hochglanznachbearbeiteten stark dotierten Diffusionsschicht ausgebildet.
In einem Verfahren zur Fertigung eines Halbleitersubstrats gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein schwach dotiertes Substrat, das Verunreinigungen in niedriger Konzentration enthält, auf der Ober- und Unterseite mit Diffusionsschichten versehen, die jeweils stärker mit Verunreinigungen dotiert sind als das Substrat. Die stark dotierten Diffusionsschichten können mit der vorgenannten herkömmlichen Technik ausgebildet werden. Danach wird das Substrat durch Schneiden entlang seiner Oberfläche in der Mitte in Dickenrichtung mit Hilfe einer Innendurchmessersäge oder einer Drahtsäge zweigeteilt. Dabei wird auf jeder Teiloberfläche eine Nicht-Diffusionsschicht freigelegt. Als nächstes wird die Teiloberfläche (Oberfläche mit exponierter Nicht-Diffusionsschicht) jedes Teilsubstrats planarisiert.
Diese Planarisierung wird vorzugsweise durchgeführt mit Hilfe von Einseitenschleifen unter Verwendung eines Diamantschleifsteins, Einseitenätzen auf Basis von Plasma- oder Schleuderätzen oder Einseitenpolieren. An diesen Punkt können in einem Aufbau unter Belassen einer der stark dotierten Diffusionsschichten Zweiseitenschleifen, Zweiseitenätzen und Zweiseitenpolieren in Kombination durchgeführt werden. Als nächstes wird die Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (die Substratoberfläche auf der Seite der stark dotierten Diffusionsschicht) hochglanznachbehandelt. An diesem Punkt kann abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der stark dotierten Diffusionsschicht Schleifen unter Verwendung eines Diamantschleifsteins, Plasma- oder Schleuderätzen und Polieren in Kombination durchgeführt werden. In einem Aufbau unter Belassen der Nicht-Diffusionsschicht können Zweiseitenschleifen, Zweiseitenätzen und Zweiseitenpolieren in Kombination durchgeführt werden. Nach der Hochglanznachbearbeitung wird die hochglanznachbearbeitete stark dotierte Diffusionsschicht an ihre Oberseite mit Hilfe der vorgenannten herkömmlichen Techniken mit einer Epitaxieschicht versehen, welche schwächer mit Verunreinigungen dotiert ist als die Diffusionsschicht.
In den vorgenannten Herstellungsverfahren sollten die Verunreinigungen, welche diffundieren sollen, vorzugsweise eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit haben. Es wird empfohlen, daß die Verunreinigung vom N-Typ Phosphor und die Verunreinigung vom P-Typ Bor ist. Mit der P-Typ-Verunreinigung besitzt Aluminium einen größeren Diffusionskoeffizienten als Bor. Für einen Silicium-Halbleiter ist jedoch die Feststofflöslichkeitsgrenze von Aluminium mindestens eine Größenordnung kleiner als bei Bor. Folglich ist Bor als P-Typ-Verunreinigung wünschenswert, die in Silicium-Halbleiter eindiffundieren soll. Das Substrat ist nicht auf Silicium beschränkt und kann ein anderes Halbleitermaterial, wie Germanium sein.
Die Konzentrationen der Verunreinigungen im Substrat und den Schichten des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats werden mit dem I-Schicht-Schätzungsverfahren (I-layer estimation method) gemessen, das als "SR-Verfahren" bezeichnet wird. In diesem Verfahren wird der spezifische Widerstand gemessen. Gemäß dem SR-Verfahren wird der Halbleiter-Wafer, der die Epitaxieschicht 3, die stark dotierte Diffusionsschicht 2 und das schwach dotierte Substrat 100 umfaßt, schräg geschliffen, wie 38 zeigt. Anschließend werden zwei Proben in einem Abstand voneinander auf der geschliffenen Oberfläche des Wafers plaziert (39). Die zwei Sonden werden dann auf der geschliffenen Oberfläche des Wafers von der Oberseite nach unten bewegt, wobei der Abstand beibehalten wird. Jedesmal wenn die zwei Sonden um eine vorgegebene Distanz bewegt wurden, wird ein spezifischer Widerstand gemessen und aus den gemessenen Werten des spezifischen Widerstandes wird so eine Verteilung des spezifischen Oberflächenwiderstandes erhalten, wobei der Einfachheit halber der spezifische Widerstand des Substrats in dem charakteristischen Schaubild des spezifischen Widerstandes weggelassen wird. Der Graph der 40 zeigt eine typische so erhaltene Verteilungskurve des spezifischen Widerstandes. Aus der Verteilung des spezifischen Oberflächenwiderstandes können die Verunreinigungskonzentrationen des schwach dotierten Substrats, der stark dotierten Diffusionsschicht und der Epitaxieschicht berechnet werden.
Beispiel 1
Wie in 5 gezeigt, wurde ein Halbleitersubstrat vom N-Typ 5 hergestellt, welches einen Durchmesser von 150 mm, einen spezifischen Widerstand von 10 Ωcm und eine Dicke von 625 μm besaß und dessen Oberseite hochglanzpoliert war. Das Halbleitersubstrat 5 wurde wärmebehandelt, um Oxidfilme 61 und 62 auf seiner Ober- und Rückseite auszubilden.
Der Oxidfilm 61 auf der Oberseite (d.h. polierten Seite) des Halbleitersubstrats vom N-Typ 5 wurde als nächstes entfernt. Das Substrat 5 wurde dann in einen elektrischen Ofen gegeben und bei 1200°C gehalten. Dann wurden Sauerstoff-, Stickstoff- und POCl₃-Gas in den Ofen eingelassen. Die Wärmebehandlung wurde für 180°C durchgeführt, so daß sich eine Abscheidungs-Diffusionsschicht 7, in welche Verunreinigungen in hoher Konzentration diffundiert waren, auf der Oberseite des Halbleitersubstrats 5 ausbildete (6).
Danach wurden Phosphor-dotierte Glasschichten 8, die bei der Wärmebehandlung auf der Ober- und Rückseite des Substrats angebracht worden waren, durch Ätzung mit einer Säure entfernt (7). Der Schichtwiderstand der Abscheidungs-Diffusionsschicht 7 betrug zu diesen Zeitpunkt 0,3 Ω/⎕. Das Halbleitersubstrat wurde für 300 Stunden bei 1290°C der Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre, die Spuren von Sauerstoff enthielt, unterzogen, um die Verunreinigungen in der Abscheidungs-Diffusionsschicht 7 tiefer in das Substrat diffundieren zu lassen. Im Ergebnis bildete sich eine stark dotierte Diffusionsschicht 9 aus (8). Die Messung der Dicke der stark dotierten Diffusionsschicht 9 ergab 220 μm.
Danach wurde der Oxidfilm 62 auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 5 entfernt (9). Danach wurde eine Silicium-Epitaxieschicht von N-Typ 10 mit einer Dicke von 10 μm und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm auf der Oberseite, d.h. der Seite der stark dotierten Diffusionsschicht 9 des Halbleitersubstrats 5 ausgebildet (10). Dabei wurde für das epitaxiale Wachstum SiHCl₃ als Siliciumquelle, H₂ als Trägergas und PH₃ als Dotierungsgas verwendet und die Wachstumstemperatur war 1150°C. Die Geschwindigkeit des epitaxialen Wachstums war durchschnittlich 1,5 μm pro Minute. In der stark dotierten Diffusionsschicht 9 war die Dicke eines Bereichs mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 2 mΩcm etwa 70 μm.
Beispiel 2
Wie in 11 gezeigt, wurde ein Halbleitersubstrat vom N-Typ 11 hergestellt, welches einen Durchmesser von 150 mm, einen spezifischen Widerstand von 10 Ωcm und eine Dicke von 900 μm besaß und dessen Ober- und Rückseite chemisch geätzt war.
Das Halbleitersubstrat vom N-Typ 11 wurde dann in einen elektrischen Ofen gegeben und bei 1200°C gehalten, und dann wurden Sauerstoff-, Stickstoff- und POCl₃-Gase in den Ofen eingelassen. Die Wärmebehandlung wurde für 180 Minuten durchgeführt, so daß Abscheidungs-Diffusionsschichten 12₁ und 12₂ auf der Ober- und Rückseite des Halbleitersubstrats 11 ausgebildet wurden (12).
Danach wurden die Phosphor-dotierten Glasschichten 13, die bei der Wärmebehandlung auf der Ober- und Rückseite des Substrats angebracht worden waren, durch Ätzung mit einer Säure entfernt (13). Der Schichtwiderstand der Abscheidungs-Diffusionsschichten 12₁ und 12₂ betrug zu diesem Zeitpunkt 0,3 Ω/⎕.
Das Halbleitersubstrat wurde für 300 Stunden bei 1290°C der Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre unterzogen, um Verunreinigungen in den Abscheidungs-Diffusionsschichten 12₁ und 12₂ tiefer in das Substrat einzudiffundieren. Im Ergebnis bildeten sich stark dotierte Diffusionsschichten 14₁ und 14₂ (14). Die Messung der Dicke der stark dotierten Diffusionsschichten 14₁ und 14₂ ergab 223 μm.
Danach wurde die Rückseite (die Seite der stark dotierten Diffusionsschicht 14₂ ) und die Oberseite (die Seite der stark dotierten Diffusionsschicht 14₁ ) als gebildete Oberfläche des Bauelements des Halbleitersubstrats unter Verwendung eines Schleifsteins mit elektrolytisch abgeschiedenem Diamant in einer Dicke von 300 μm bzw. 10 μm abgekratzt. Um die infolge des Abkratzens beschädigten Schichten auf der Ober- und Rückseite zu entfernen, wurden durch chemisches Ätzen auf jeder Seite des Substrats 5 μm entfernt. Danach wurde die Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht 14₁ hochglanzpoliert (15).
Danach wurde eine Silicium-Epitaxieschicht vom N-Typ 15 mit einer Dicke von 10 μm und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm auf der hochglanzpolierten Oberfläche ausgebildet (16). Dabei wurde für das epitaxiale Wachstum SiHCl₃ als Siliciumquelle, H₂ als Trägergas und PH₃ als Dotierungsgas verwendet und die Wachstumstemperatur betrug 1150°C. Die Geschwindigkeit des epitaxialen Wachstums betrug durchschnittlich 1,5 μm pro Minute. In der stark dotierten Diffusionsschicht 14₁ war die Dicke eines Bereichs mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 2 mΩcm etwa 50 μm.
Beispiel 3
Wie in 17 gezeigt, wurde ein Halbleitersubstrat vom P-Typ 16 hergestellt, welches einen Durchmesser von 150 mm, einen spezifischen Widerstand von 15 Ωcm und eine Dicke von 900 μm besaß und dessen Ober- und Rückseite chemisch geätzt war.
B₂O₃-Pulver wurde auf die Ober- und Rückseite des Halbleitersubstrats vom P-Typ 16 aufgebracht. Das Substrat wurde dann in einen elektrischen Ofen gegeben und bei 1280°C gehalten und dann wurde Sauerstoffgas in den Ofen eingelassen. Die Wärmebehandlung wurde für 240 Minuten durchgeführt, so daß Abscheidungs-Diffusionsschichten 17₁ und 17₂ auf der Ober- und Rückseite des Halbleitersubstrats 16 ausgebildet wurden (18).
Danach wurden die Bor-dotierten Glasschichten 18, die bei der Wärmebehandlung auf die Ober- und Rückseite des Substrats aufgebracht worden waren, mit Flußsäure entfernt (19).
Das Halbleitersubstrat wurde für 180 Stunden bei 1290°C der Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre unterzogen, um die Verunreinigungen in den Abscheidungs-Diffusionsschichten 17₁ und 17₂ tiefer in das Substrat diffundieren zu lassen. Im Ergebnis bildeten sich stark dotierte Diffusionsschichten 19₁ und 19₂ (20). Die Messung der Dicke der stark dotierten Diffusionsschicht 19₁ ergab 230 μm.
Danach wurden die Rückseite (die Seite der stark dotierten Diffusionsschicht 19₂ ) und die Oberseite (die Seite der stark dotierten Diffusionsschicht 19₁ ) als gebildete Oberfläche des Bauelements des Halbleitersubstrats unter Verwendung eines Schleifsteins mit elektrolytisch abgeschiedenem Diamant in einer Dicke von 300 μm bzw. 10 μm abgekratzt. Um die infolge des Abkratzens beschädigten Schichten auf der Ober- und Rückseite zu entfernen, wurden von jeder Seite des Substrats durch chemisches Ätzen 5 μm entfernt. Danach wurde die Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht 19₁ hochglanzpoliert (21).
Danach wurde eine Silicium-Epitaxieschicht vom P-Typ 20 mit einer Dicke von 10 μm und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm auf der hochglanzpolierten Oberfläche ausgebildet (22). Dabei wurde für das epitaxiale Wachstum SiHCl₃ als Siliciumquelle, H₂ als Trägergas und B₂H₆ als Dotierungsgas verwendet, und die Wachstumstemperatur betrug 1150°C. Die Geschwindigkeit des epitaxialen Wachstums betrug durchschnittlich 1,5 μm pro Minute. In der stark dotierten Diffusionsschicht 19₁ war die Dicke eines Bereichs mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 2 mΩcm etwa 50 μm.
Beispiel 4
Wie in 23 gezeigt, wurde ein Halbleitersubstrat vom N-Typ 30 hergestellt, welches einen Durchmesser von 150 mm, einen spezifischen Widerstand von 10 Ωcm und eine Dicke von 1200 μm besaß und dessen Ober- und Rückseite durch Läppen bearbeitet war.
Das Substrat 30 wurde dann in einen elektrischen Ofen gegeben, der bei 650°C gehalten wurde. Die Temperatur des Ofens wurde auf 1200°C erhöht und dann wurden Sauerstoff-, Stickstoff- und POCl₃-Gase in den Ofen eingelassen. Die Wärmebehandlung wurde für 180 Minuten durchgeführt, so daß sich auf der Ober- und Rückseite des Halbleitersubstrats 30 Abscheidungs-Diffusionsschichten 32₁ und 32₂ ausbildeten (24). Danach wurden Phosphor-dotierte Glasschichten 31, die bei der Wärmebehandlung auf der Ober- und Rückseite des Substrats angebracht worden waren, durch Ätzung mit einer Säure entfernt. Der Schichtwiderstand der Abscheidungs-Diffusionsschichten 32₁ und 32₂ betrug zu diesem Zeitpunkt 0,3 Ω/⎕.
Das Halbleitersubstrat wurde für 300 Stunden bei 1290°C der Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre, die Spuren Sauerstoff enthielt, unterzogen, um Verunreinigungen in den Abscheidungs-Diffusionsschichten 32₁ und 32₂ tiefer in das Substrat zu diffundieren. Im Ergebnis wurden stark dotierte Diffusionsschichten 33₁ und 33₂ ausgebildet (25). Die Messung der Dicke der stark dotierten Diffusionsschichten 33₁ und 33₂ ergab 220 μm.
Danach wurde das Halbleitersubstrat durch Schneiden entlang seiner Oberfläche in der Mitte in Dickenrichtung unter Verwendung einer nichtgezeigten Innendurchmessersäge zweigeteilt (26).
Als nächstes wurden Unregelmäßigkeiten 35 auf der Oberseite (der Teiloberfläche) jedes der Teilsubstrate 34 durch Abkratzen unter Verwendung eines Schleifsteins mit elektrolytisch abgeschiedenem Diamanten abgekratzt (27). Um infolge des Abkratzens beschädigte Schichten auf der Oberseite zu entfernen, wurden danach von jeder Seite des Substrats durch chemisches Ätzen 5 μm entfernt. Danach wurde die Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht 33₁ hochglanzpoliert (28).
Danach wurde eine Silicium-Epitaxieschicht vom N-Typ 36 mit einer Dicke von 10 μm und einem spezifischen Widerstand von 10 Ωcm auf der hochglanzpolierten stark dotierten Diffusionsschicht 33₁ ausgebildet (29). Dabei wurde für das epitaxiale Wachstum SiHCl₃ als Siliciumquelle, H₂ als Trägergas und PH₃ als Dotierungsgas verwendet, und die Wachstumstemperatur betrug 1150°C. Die Geschwindigkeit des epitaxialen Wachstums betrug durchschnittlich 1,5 μm pro Minute. In der stark dotierten Diffusionsschicht 36 war die Dicke eines Bereichs mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 2 mΩcm etwa 50 μm.
Eines der zwei Teilsubstrate ist erläutert und wurde beschrieben, dieselbe Beschreibung trifft allerdings auf das andere ebenso zu.
Obwohl in den obigen Beispielen 1 und 2 POCl₃-Gas als Diffusionsquelle verwendet wurde, kann anstelle dessen P₂O₅ auf das Substrat aufgebracht werden. Obwohl in den obigen Beispielen 2 und 3 die stark dotierten Diffusionsschichten auf der Ober- und Rückseite eines chemisch geätzten Halbleitersubstrats ausgebildet wurden, können sie ebenso auf der Ober- und Rückseite eines Halbleitersubstrats ausgebildet werden, das dem mechanischem Polieren oder Läppen unter Verwendung eines Schleifsteins unterzogen wurde.
Die Dicke der stark dotierten Diffusionsschicht wird einfach auf einen Wert festgesetzt, welcher es erlaubt, daß die ohmsche Verbindung an die Elektrode und die mechanische Festigkeit des Halbleitersubstrats selbst sichergestellt sind. Mit zunehmender Dicke der stark dotierten Diffusionsschicht nimmt die Zeit der thermischen Behandlung im Diffusionsschritt zu und folglich die Produktivität ab. Die Nicht-Diffusionsschicht, welche unter der stark dotierten Diffusionsschicht liegt, soll eine Dicke von 5 μm oder mehr haben, um Partikel von der Diffusionsschicht oder das Wandern von Verunreinigungen von der Rückseite zur Oberseite des Substrats zu unterdrücken.
Herkömmlich wurden als Substrate für Niederspannungsleistungsgeräte stark dotierte Substrate verwendet, welche zum Zeitpunkt des Einkristallwachstums mit dem Czochralski-Verfahren mit Verunreinigungen, wie Arsen, dotiert wurden. Weil ein Substrat verwendet wird, welches schwach mit Verunreinigungen, wie Phosphor oder Bor dotiert ist, können gemäß jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Herstellungskosten im Vergleich zum herkömmlichen Substrat beträchtlich verringert werden. Zusätzlich kann jede der Ausführungsformen im allgemeinen einen großen Vorteil darin bieten, daß Substrate für Niederspannungsleistungsgeräte (hauptsächlich weniger als 10 Ω·cm) erhalten werden. Selbstverständlich kann jede dieser Ausführungsformen ebenso für die Herstellung von Substraten für Mitterspannungsleistungsgeräte und Substrate für Hochspannungsleistungsgeräte (hauptsächlich mehr als 10 Ω·cm) verwendet werden.
Ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 10 gezeigten Substrats wird nun unter Verweis auf die 30 und 31 beschrieben. 30 und 31 sind Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements, um die Schritte eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 10 gezeigten Substrats zu erläutern.
Wie in 30 gezeigt, wird mit einem gewöhnlichen Verfahren ein MOSFET 51 auf dem Substrat, d.h. der Silicium-Epitaxieschicht vom N-Typ 10 ausgebildet. Dann wird ein Passivierungsfilm 52 über dem Substrat ausgebildet, um den MOSFET 51 abzudecken. Die Halbleitersubstratschicht vom N-Typ 5 wird in der letzten Stufe des Herstellungsverfahrens des Bauelements beispielsweise durch Schleifen entfernt, wie in 31 gezeigt.
In ähnlicher Weise wird nunmehr ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 16 gezeigten Substrats unter Verweis auf die 32 und 33 beschrieben. 32 und 33 sind Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements, um die Schritte eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 16 gezeigten Substrats zu erläutern.
Wie 32 zeigt, wird mit einem gewöhnlichen Verfahren ein MOSFET 61 auf dem Substrat, d.h. der Silicium-Epitaxieschicht vom N-Typ 15 ausgebildet. Dann wird ein Passivierungsfilm 62 über dem Substrat ausgebildet, um den MOSFET 61 abzudecken. Die Halbleitersubstratschicht vom N-Typ 11 wird in der letzten Stufe des Herstellungsverfahrens des Bauelements beispielsweise durch Schleifen entfernt, wie in 33 gezeigt.
Ferner wird nunmehr ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 22 gezeigten Substrats unter Verweis auf die 34 und 35 beschrieben. 34 und 35 sind Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements zur Erläuterung der Schritte eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 22 gezeigten Substrats.
Wie in 34 gezeigt, wird mit einem gewöhnlichen Verfahren ein MOSFET 71 auf dem Substrat, d.h. einer Silicium-Epitaxieschicht vom P-Typ 20 ausgebildet. Dann wird ein Passivierungsfilm 72 über dem Substrat ausgebildet, um den MOSFET 71 abzudecken. Die Halbleitersubstratschicht vom P-Typ 16 wird in der letzten Stufe des Herstellungsverfahrens des Bauelements, beispielsweise durch Schleifen, entfernt, wie in 35 gezeigt.
Darüber hinaus wird nunmehr ein Herstellungsverfahren eines Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 29 gezeigten Substrats unter Verweis auf die 36 und 37 beschrieben. 36 und 37 sind Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements zur Erläuterung der Schritte eines Herstellungsverfahrens des Halbleiterbauelements unter Verwendung des in 29 gezeigten Substrats.
Wie in 36 gezeigt, wird mit einem gewöhnlichen Verfahren ein MOSFET 81 auf dem Substrat, d.h. der Silicium-Epitaxieschicht von N-Typ 36, ausgebildet. Dann wird ein Passivierungsfilm 82 über dem Substrat ausgebildet, um den MOSFET 81 abzudecken. Die Halbleitersubstratschicht vom N-Typ 30 wird in der letzten Stufe des Herstellungsverfahrens des Bauelements, beispielsweise durch Schleifen, entfernt, wie in 37 gezeigt.
Im Ergebnis der Herstellung eines Power-MOSFET gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen konnte die Reihenwiderstandskomponente infolge des stark dotierten Substratteils auf etwa 70 % dessen eines herkömmlichen MOSFET verringert werden und die Substrateigenschaften wurden signifikant verbessert. Darüber hinaus wurde gezeigt, daß keine Notwendigkeit besteht, einen überschüssigen Passivierungsfilm auf der Rückseite eines Substrats im Epitaxieverfahren oder Leistungsgerätverfahren auszubilden. Auch unter diesem Gesichtspunkt wird es möglich, die Herstellungskosten weiter zu reduzieren.
Zusätzliche Vorteile und Modifizierungen ergeben sich für Fachleute ohne weiteres. Folglich ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf die speziellen Details und repräsentativen Ausführungsformen beschränkt, die hier gezeigt und beschrieben sind. Entsprechend können unterschiedliche Modifizierungen durchgeführt werden, ohne vom Geist oder Bereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts abzuweichen, wie es durch die Ansprüche und ihre Äquivalente definiert ist.

Claims

Halbleitersubstrat, das umfaßt: ein schwach dotiertes Substrat (5, 11, 16, 30); eine stark dotierte Diffusionsschicht (9; 14₁, 14₂; 19₁, 19₂; 33₁, 33₂ ), welche über einer Oberseite des schwach dotierten Substrats (5, 11, 16, 30) ausgebildet ist und eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweist als das schwach dotierte Substrat (5, 11, 16, 30); und eine Epitaxieschicht (10, 15, 20, 36), welche über einer Oberseite der stark dotierten Diffusionsschicht (9; 14₁, 14₂; 19₁, 19₂; 33₁, 33₂ ) ausgebildet ist und Verunreinigungen in niedrigerer Konzentration enthält als die stark dotierte Diffusionsschicht (9; 14₁, 14₂; 19₁, 19₂; 33₁, 33₂ ).
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im schwach dotierten Substrat (5, 11, 16, 30) enthaltenen Verunreinigungen Phosphor oder Bor sind.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Epitaxieschicht (10, 15, 20, 36) 10 Ωcm oder weniger ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwach dotierte Substrat, die stark dotierte Diffusionsschicht und die Epitaxieschicht von demselben Leitfähigkeitstyp sind.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp sind und die Epitaxieschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, das umfaßt: Ausbilden einer stark dotierten Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ), welche eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweist als das schwach dotierte Substrat (11, 16) auf einer Oberfläche eines schwach dotierten Substrats (11, 16), welches Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält; Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ); und Ausbilden einer Epitaxieschicht (15, 20) auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ), wobei die Epitaxieschicht (15, 20) Verunreinigungen in niedrigerer Konzentration enthält als die stark dotierte Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, das umfaßt: Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche eines schwach dotierten Substrats (5), das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält; Ausbilden einer stark dotierten Diffusionsschicht (9), welche eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweist als das schwach dotierte Substrat (5), auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche des schwach dotierten Substrats (5); und Ausbilden einer Epitaxieschicht (10) auf einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (9), wobei die Epitaxieschicht (10) Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration enthält als die stark dotierte Diffusionsschicht (9).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, das umfaßt: Ausbilden stark dotierter Diffusionsschichten (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ), die eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweisen als das schwach dotierte Substrat (11, 16), auf der Ober- und Rückseite eines schwach dotierten Substrats (11, 16), das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält; Entfernen der stark dotierten Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ), welche entweder auf der Ober- oder der Rückseite des schwach dotierten Substrats (11, 16) ausgebildet ist; Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ), die auf der anderen Ober- oder Rückseite des schwach dotierten Substrats (11, 16) ausgebildet ist; und Ausbilden einer Epitaxieschicht (15, 20) auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ), wobei die Epitaxieschicht (15, 20) Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration als die stark dotierte Diffusionsschicht (14₁, 14₂; 19₁, 19₂ ) enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, das umfaßt: Ausbilden stark dotierter Diffusionsschichten (33₁, 33₂ ), welche eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweisen als das schwach dotierte Substrat (30), auf der Ober- und Rückseite eines schwach dotierten Substrats (30), das Verunreinigungen in einer niedrigen Konzentration enthält; Unterteilen des Substrats (30) in Teilsubstrate (34), durch Schneiden entlang seiner Oberfläche in der Mitte in Dickenrichtung; Planarisieren einer Schnittfläche jedes Teilsubstrats (34); Hochglanznachbearbeiten einer Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (33₁, 33₂ ), welche auf jedem der Teilsubstrate (34) ausgebildet ist; und Ausbilden einer Epitaxieschicht (36) auf der hochglanznachbearbeiteten Oberfläche der stark dotierten Diffusionsschicht (33₁, 33₂ ) auf jedem der Teilsubstrate (34), wobei die Epitaxieschicht (36) Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration enthält als die stark dotierten Diffusionsschichten (33₁, 33₂ ).
Halbleitersubstrat, das umfaßt: eine stark dotierte Diffusionsschicht (9; 14₁, 14₂; 19₁, 19₂; 33₁, 33₂ ), welche über einer Oberseite eines schwach dotierten Substrats (5, 11, 16, 30) ausgebildet ist und eine höhere Konzentration an Verunreinigung aufweist als das schwach dotierte Substrat (5, 11, 16, 30), wobei das schwach dotierte Substrat (5, 11, 16, 30) in einer letzten Stufe eines Verfahrens entfernt wird; und eine Epitaxieschicht (10, 15, 20, 36), welche über einer Oberseite der stark dotierten Diffusionsschicht (9; 14₁, 14₂; 19₁, 19₂; 33₁, 33₂ ) ausgebildet ist und Verunreinigungen in einer niedrigeren Konzentration enthält als die stark dotierte Diffusionsschicht (9; 14₁, 14₂; 19₁, 19₂; 33₁, 33₂ ), wobei eine Verunreinigungs-Diffusionsschicht zur Ausbildung eines Halbleiterbauelements in der Epitaxieschicht (10, 15, 20, 36) ausgebildet ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Epitaxieschicht 10 Ωcm oder weniger ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das schwach dotierte Substrat, die stark dotierte Diffusionsschicht und die Epitaxieschicht von demselben Leitfähigkeitstyp sind.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das schwach dotierte Substrat und die stark dotierte Diffusionsschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp sind und die Epitaxieschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner das Ausbilden einer Verunreinigungs-Diffusionsschicht in der Epitaxieschicht (15, 20) zur Ausbildung eines Halbleiterbauelements, sowie das Entfernen des schwach dotierten Substrats (11, 16) in einer letzten Stufe eines Verfahrens zur Ausbildung des Halbleiterbauelements umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Ausbildung einer Verunreinigungs-Diffusionsschicht in der Epitaxieschicht (10) zur Ausbildung eines Halbleiterbauelements, sowie das Entfernen des schwach dotierten Substrats (5) in einer letzte Stufe eines Verfahrens zur Ausbildung des Halbleiterbauelements umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Ausbildung einer Verunreinigungs-Diffusionsschicht in der Epitaxieschicht (15, 20) zur Ausbildung eines Halbleiterbauelements, sowie das Entfernen des schwach dotierten Substrats (11, 16) in einer letzten Stufe eines Verfahrens zur Ausbildung des Halbleiterbauelements umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Ausbildung einer Verunreinigungs-Diffusionsschicht in der Epitaxieschicht (36) zur Ausbildung eines Halbleiterbauelements, sowie das Entfernen des schwach dotierten Substrats (30) in einer letzten Stufe eines Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterbauelements umfaßt.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration der Epitaxieschicht α ist, die Verunreinigungskonzentration der stark dotierten Diffusionsschicht höher als 10 α ist und die Verunreinigungskonzentration des schwach dotierten Substrats gleich oder niedriger als 10 α ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration der Epitaxieschicht gleich oder niedriger als 1 × 10¹⁶ Atome/cm³ ist, die Verunreinigungskonzentration der stark dotierten Diffusionsschicht gleich oder höher als 1 × 10¹⁷Atome/cm³ ist und die Verunreinigungskonzentration des schwach dotierten Substrats gleich oder niedriger als 1 × 10¹⁶ Atome/cm³ ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration der Epitaxieschicht gleich oder niedriger als 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ ist, die Verunreinigungskonzentration der stark dotierten Diffusionsschicht gleich oder höher als 1 × 10¹⁷ Atome/cm³ und gleich oder niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³ ist und die Verunreinigungskonzentration des schwach dotierten Substrats gleich oder niedriger als 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ ist.