DE102008049663B4

DE102008049663B4 - Verfahren zum Herstellen von Akzeptoren in einem Halbleiterkörper

Info

Publication number: DE102008049663B4
Application number: DE200810049663
Authority: DE
Inventors: Frank Hille; Dr. Niedernostheide Franz Josef; Dr. Schulze Hans-Joachim; Dr. Schulze Holger
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: DE102008049663A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Akzeptoren in einem Halbleiterkörper (10) aufweisend: – ein Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (10) aus Silizium, – ein Einbringen eines Fremdstoffs (11) in den Halbleiterkörper (10), wobei der Fremdstoff (11) Platin, Palladium oder Gold ist, – ein Bestrahlen des Halbleiterkörpers (10) mit Protonen (12), wobei Leerstellen in dem Halbleiterkörper (10) ausgebildet werden, – eine Erhitzung des Halbleiterkörpers (10) auf Temperaturen im Bereich von über 400°C bis zu 500°C, wobei Akzeptor bildende Komplexe aus zumindest dem Fremdstoff (11) und den Leerstellen ausgebildet werden.

Description

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Akzeptoren in einem Halbleiterkörper.
Akzeptoren sind Störungen in regelmäßigem Aufbau eines Halbleiterkörpers, an der ein Elektron gebunden werden kann. Im Energieschema des Halbleiters liegt das Energieniveau des Akzeptors in der Nähe der Oberkante des Valenzbandes im verbotenen Band. Ein Elektron des Valenzbandes kann auf das Akzeptorniveau springen. Es ist dort örtlich gebunden, lässt aber im Valenzband eine positive Lücke zurück. Diese bewegt sich unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes und trägt damit zur elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters bei (sogenannte p-Leitung oder Löcherleitung). Akzeptoren werden herkömmlicher Weise durch den gezielten Einbau von p-Dotierstoffen, wie z. B. Bor in den Halbleiterkörper eingebracht. Die Einbringung erfolgt herkömmlicher Weise durch Implantation oder Diffusion wie z. B. in „Lexikon Elektronik und Mikroelektronik”, herausgegeben von Dieter Sautter; Hans Weinerth, 2. Auflage, 1993, S. 191 unter dem Stichwort „Dotierung” beschrieben. Aufgrund der begrenzten Diffusionsgeschwindigkeit und der begrenzten Implantationstiefe dieser herkömmlichen p-Dotierstoffe ist eine Ausbildung eines tief reichenden p-leitenden Gebiets in einem Halbleiterkörper nur mit besonders hohem Aufwand (lange Diffusionszeiten, hohe Temperaturen) möglich.
Aus der DE 10 2006 016 049 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen mit Ladungsträgerrekombinationszonen bekannt, bei dem Schwermetalle in einen Halbleiterkörper eingebracht werden, die zusammen mit protoneninduzierten Kristalldefekten Ladungsträgerrekombinationszonen bilden.
Aus der EP 0694 960 B1 ist die Einbringung von Platin oder Gold als Rekombinationszentren zur Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer bekannt.
Aufgabe der folgenden Erfindung ist es, ein alternatives Herstellungsverfahren für Akzeptoren in einem Halbleiterkörper bereit zu stellen, insbesondere ein Herstellungsverfahren von Akzeptoren, das es ermöglicht auch tief reichende p-Gebiete in einem Halbleiterkörper herzustellen.
Ein Aspekt der folgenden Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Akzeptoren in einem Halbleiterkörper, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Halbleiterkörpers, ein Einbringen eines Fremdstoffes in den Halbleiterkörper, wobei der Fremdstoff Platin, Palladium oder Gold ist, ein Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Protonen zur Ausbildung von Leerstellen in dem Halbleiterkörper, und eine Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers zur Ausbildung von Akzeptor bildenden Komplexen aus zumindest dem Fremdstoff und den Leerstellen aufweist.
Das Zusammenwirken des Fremdstoffs mit den Leerstellen bewirkt die Ausbildung von Komplexen, die als Akzeptoren wirken. Durch die Verwendung von Protonen zur Herstellung der Leerstellen in dem Halbleiterkörper können aufgrund der großen Eindringtiefe der Protonen in den Halbleiterkörper Leerstellen bis in eine sehr große Tiefe in dem Halbleiterkörper erzeugt werden. Bei Verwendung eines geeigneten Fremdstoffs mit einem sehr hohen Diffusionskoeffizienten in dem Halbleiterkörper gelingt es, p-leitende Gebiete bis in eine sehr große Tiefe in dem Halbleiterkörper mit akzeptablem Aufwand auszubilden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen Verfahrensschritt zum Herstellen von Akzeptoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen Verfahrensschritt zur Einbringung eines Fremdstoffes in einen Halbleiterkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen Verfahrensschritt zur Einbringung eines Fremdstoffs in einen Halbleiterkörper bis zu einer Tiefe T3 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt anhand einer schematischen Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel zur lokal begrenzten Ausbildung von Akzeptoren in dem Halbleiterkörper.
5 zeigt anhand einer schematischen Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel einer maskierten Protonenimplantation zur lokal begrenzten Ausbildung von Akzeptoren.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform, Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
Bevor im Folgenden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Ferner sind die Figuren nicht notwendiger Weise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen von Akzeptoren in einem Halbleiterkörper sieht vor, einen Halbleiterkörper zunächst bereitzustellen. Als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper eignen sich alle bekannten Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium. Wie in 1 beispielhaft dargestellt ist, werden in den Halbleiterkörper 10 Fremdstoffe 11 eingebracht. Als Fremdstoff 11 eignen sich alle Stoffe, die im Zusammenspiel mit zumindest Leerstellen im Kristallgitter des Halbleiterkörpers 10 einen Akzeptor ausbilden. Erfindungsgemäß sind hier die Stoffe Platin, Palladium oder Gold. Insbesondere geeignet sind Fremdstoffe 11, die in dem Halbleiterkörper 10 schneller diffundieren als herkömmliche p-Dotierstoffe, wie zum Beispiel Bor. Am Beispiel eines Siliziumhalbleiterkörpers sollte der Diffusionskoeffizient des Fremdstoffs 11 bei Temperaturen zwischen 700°C und 1250°C deshalb im Bereich von 1 × 10^-9 cm²/s bis 1 × 10^-3 cm²/s liegen. Der Fremdstoff 11 wird beispielsweise durch Implantation, Diffusion oder durch eine Kombination von Implantation und Diffusion in den Halbleiterkörper 10 eingebracht. Es sollte zumindest soviel Fremdstoff 11 in den Halbleiterkörper 10 eingebracht werden, bis zumindest in Teilgebieten des Halbleiterkörpers 10 eine Konzentration im Bereich von 10¹² cm^–3 bis zu einigen 10¹⁵ cm^–3 erreicht ist. Der Fremdstoff kann beispielsweise in Form einer Lösung auf eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 aufgebracht und nach einem geeigneten Trocknungsverfahren aus der auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Schicht, in der der Fremdstoff gelöst ist, in den Halbleiter eindiffundiert werden. Ebenso kann der Fremdstoff mittels Aufdampf- oder Sputterverfahren auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht werden.
Nach Einbringung der Fremdstoffe 11 in den Halbleiterkörper 10 wird der Halbleiterkörper 10 mit Protonen 12 bestrahlt. Durch die Bestrahlung des Halbleiterkörpers 10 mit Protonen 12 werden Leerstellen im Kristallgitter des Halbleiterkörpers 10 erzeugt. Zur Erzeugung einer geeigneten Leerstellenkonzentration im Halbleiterkörper 10 kann die Bestrahlung des Halbleiterkörpers 10 mit Protonen 12 mit einer Protonendosis von 1 × 10¹³ cm^–2 bis 1 × 10¹⁵ cm^–2 erfolgen. Nachfolgend wird der Halbleiterkörper 10 einer Temperaturbehandlung unterzogen, bei der Akzeptor bildende Komplexe aus zumindest dem Fremdstoff 11 und den Leerstellen ausgebildet werden. Ferner können die Komplexe auch noch zusätzlich beispielsweise Wasserstoff enthalten. Die Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers 10 zur Ausbildung der Akzeptor bildenden Komplexe sehen eine Erwärmung des Halbleiterkörpers 10 auf Temperaturen beispielsweise im Bereich von 350°C bis 500°C vor. Die Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers 10 erfolgt über einen Zeitraum beispielsweise zwischen 30 Minuten und 10 Stunden.
In 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei dem der Fremdstoff 11 aus einer auf der Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 befindlichen Fremdstoffschicht 20 in den Halbleiterkörper 10 eindiffundiert wird. Die Diffusion des Fremdstoffs 11 findet beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von 700°C bis 1000°C statt, insbesondere wenn die Diffusion im Silizium stattfindet. Bei der Verwendung von Platin als Fremdstoff 11 kann beispielsweise die Schicht 20 durch Aufdampfen einer 5 nm bis 50 nm dünnen Platinschicht mit nachfolgender Bildung einer Platin-Silizidschicht bei einer Temperatur von 250°C bis 450°C während eines Zeitraums von 30 Minuten bis 120 Minuten erzeugt werden. Die Diffusion des Platins in den Halbleiterkörper 10 hinein erfolgt dann beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 700°C bis 900°C über einen Zeitraum von 30 Minuten bis zu 4 Stunden. Nach der Diffusion des Fremdstoffs 11 in den Halbleiterkörper 10 hinein wird die Fremdstoffschicht 20 von der Oberfläche 40 in der Regel wieder entfernt.
3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei dem der Fremdstoff 11 in den Halbleiterkörper 10 durch die Oberfläche 40 implantiert wird. Dies ist in 3 durch Pfeile 30 angedeutet. Die Implantation 30 erfolgt in diesem Beispiel in eine maximale Tiefe T3 in den Halbleiterkörper 10. Durch eine optionale Diffusion kann die Tiefe, bis zu der sich Fremdstoffe 11 in dem Halbleiterkörper befinden, weiter in den Halbleiterkörper 10 hinein verschoben werden.
4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele, bei dem die Akzeptoren nur lokal begrenzt in dem Halbleiterkörper 10 erzeugt werden. Die lokale Begrenzung kann zum Beispiel entweder durch lokale Begrenzung der Fremdstoffschicht 20 auf dem Halbleiterkörper 10 oder durch maskierte Implantation 30 des Fremdstoffs 11 in den Halbleiterkörper 10 erzeugt werden.
Wie in 4 gezeigt, kann zur lokalen Begrenzung der Fremdstoffschicht 20 beispielsweise eine Oxidmaske verwendet werden. Bei der nachfolgenden Diffusion des zunächst lokal begrenzten Fremdstoffs 11 in den Halbleiterkörper 10 hinein, wird es zu einer vertikalen als auch zu einer lateralen Diffusion des Fremdstoffs 11 in dem Halbleiterkörper 10 kommen. Dadurch entsteht in vertikaler Richtung x als auch in lateraler Richtung, dass heißt in einer zur vertikalen Richtung x senkrechten Richtung y, ein Diffusionsprofil, was zu einer lateral inhomogenen Fremdstoffverteilung führt. Durch die Wechselwirkung des Fremdstoffs mit den zuvor oder danach durch Protonenimplantation erzeugten Leerstellen- und/oder Defektkomplexen kommt es somit bei der nachfolgenden Komplexbildung zu einer vertikal und lateral inhomogenen Akzeptorkonzentration im Halbleiterkörper 10.
5 zeigt eine Ausführungsform zur Herstellung einer lokalen Begrenzung der Akzeptoren, indem die Implantation der Protonen 12 in den Halbleiterkörper 10 durch eine Maske 50 begrenzt durchgeführt wird. Da die durch Protonenbestrahlung erzeugten Leerstellen sich nur unterhalb der Öffnung der Maske 50 befinden, beschränkt sich der p-dotierte Bereich im Wesentlichen auf das Volumen unterhalb der Öffnung in der Maske 50. Dies kann z. B. vorteilhaft sein, wenn man in lateraler Richtung möglichst kleine und/oder eng begrenzte Strukturen erzeugen will. Als Maske 50 kann beispielsweise eine Stencilmaske, das heißt eine dünne Siliziummaske, die die Protonen absorbiert oder eine auf dem Halbleiterkörper 10 aufgebrachte Metallmaske verwendet werden. Die Maske 50 wird nach der Implantation der Protonen 12 in der Regel wieder entfernt.
Es ist auch möglich die maskierte Fremdstoffdiffusion und die maskierte Protonenimplantation kombiniert anzuwenden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Akzeptoren in einem Halbleiterkörper (10) aufweisend: – ein Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (10) aus Silizium, – ein Einbringen eines Fremdstoffs (11) in den Halbleiterkörper (10), wobei der Fremdstoff (11) Platin, Palladium oder Gold ist, – ein Bestrahlen des Halbleiterkörpers (10) mit Protonen (12), wobei Leerstellen in dem Halbleiterkörper (10) ausgebildet werden, – eine Erhitzung des Halbleiterkörpers (10) auf Temperaturen im Bereich von über 400°C bis zu 500°C, wobei Akzeptor bildende Komplexe aus zumindest dem Fremdstoff (11) und den Leerstellen ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem soviel Fremdstoff (11) in den Halbleiterkörper (10) eingebracht wird, bis in dem Halbleiterkörper (10) zumindest in Teilgebieten eine Konzentration des Fremdstoffs im Bereich von 1 × 10¹² cm^–3 bis zu einigen 10¹⁵ cm^–3 erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einbringen des Fremdstoffs (11) durch Implantation (30) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Einbringen des Fremdstoffs (11) durch Diffusion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Fremdstoff (11) bei Temperaturen zwischen 700 °C und 1250 °C einen Diffusionskoeffizienten im Bereich von 1 × 10^–9 cm²/s bis 1 × 10^–3 cm²/s in dem Halbleiterkörper (10) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung des Halbleiterkörpers (10) mit Protonen (12) mit einer Protonendosis von 1 × 10¹³ cm^–2 bis 1 × 10¹⁵ cm^–2 erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperaturbehandlung des Halbleiterkörpers (10) über einen Zeitraum zwischen 30 Minuten und 10 Stunden erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Fremdstoff lokal begrenzt in den Halbleiterkörper (10) eingebracht wird, wobei die lokale Begrenzung durch eine Öffnung in einer Maske (50) auf einer Oberfläche (40) des Halbleiterkörpers (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Fremdstoff lokal begrenzt in den Halbleiterkörper (10) eingebracht wird, wobei die lokale Begrenzung durch Bereitstellung einer lokal begrenzten Fremdstoffschicht (20) auf einer Oberfläche (40) des Halbleiterkörpers (10) mit anschließender Eindiffusion in den Halbleiterkörper (10) hinein erfolgt.