DE1764180B2 - Verfahren zum einstellen der ladungstraeger lebensdauer in einer oertlich begrenzten zone eines halbleiterkoerpers - Google Patents
Verfahren zum einstellen der ladungstraeger lebensdauer in einer oertlich begrenzten zone eines halbleiterkoerpersInfo
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Description
1 764M80
Jiillusionsverfahien, bei dein besonders Maskieruiigsliiul
At/schritte zur örtlichen Steuerung der Lebensdauer
der Ladungsträger in Halbleiter-pn-Übergüngen
nicht erforderlich sind.
Die Steuerung der Ladungsträgerlehensdauer in
Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen trfolgt dabei nach dem Prinzip, bei dem selektiv ein
llalbleiterdotiermaterial gegettert wird, das in einem
Halbleiterkörper hineindilTundiert wird, in welchem Clic Bauelemente oder Schallungen ausgebildet
werden sollen.
An der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird eine fietterzone für ein metallisches Dotiermaterial ausgebildet,
damit das Dotiermaterial in bestimmte Zonen des Halbleiterkörpers gegettert wird. Dabei
verarmen die ausgewählten Zonen des Körpers um einen wesentlichen Teil des metallischen Dotiermateriiiis
Das Dotiermaterial kann vor oder nach der Bildung der Getterzone in den Körper eingebracht
werden. Die Getterzone für das metallische Dotierinaterial
setzt dessen Konzentration in den ausgewählten Zonen des Halbleiterkörper herab, in denen
wine relativ hohe Ladungsirägeriebensdauer gewünscht
ist.
Andere Zonen des Körpers enthalten dagegen beispielsweise
Transistoren mit hoher Schaltgeschwindigkeit und relativ niedrigen Ladungsträgerlebensdauern.
Wenn ein metallisches Dotißrmaterial, etwa Gold, in den Körper hineindifTundiert wird, dann
verarmen infolge des durch die Getterzone bewirkten Meiallabsorbierungseffektes die ausgewählten Zonen
Uη dem metallischen Dotiermaterial, so daß das diffundierte metallische Dotiermaterial die Ladungsträgerlebensdauer
innerhalb dieser Zonen nicht mehr wesentlich beeinträchtigt. Das metallische Dotiermaterial
diffundiert jedoch gleichförmig in andere Zonen des Aufbaues, wo es die Ladungsträgerlebensdauer
herabsetzt. Diese Wirkung auf die Ladungsträgeriebeiisdauer
in anderen Zonen verringert die Ladungsspeicherwirkungen innerhalb dieser anderen
Zonen und vergrößert dort die Schaltgeschwindigkeit der pn-Übergänge.
Weitcrc Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben Sich aus der folgenden Beschreibung und den Darstellungen
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Hs zeigt
Fig. 1 ein typisches Dotierungsproh'l innerhalb Cines n-leitendcn Halbleiterkörpers, der selektiv mit
Phosphor dotiert worden ist und in den als metallisches Dotiermaterial Gold eindiffundiert worden ist,
F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Halbleiterkörper, In dem ein schneller npn-Transistor und eine pn-Kpcichcrdiode
gemäß der Erfindung ausgebildet Korden sind, und
Fi u. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der
rig. 2.
Der in Fig. ] gezeigte Querschnitt eines n-leitentlen
Halbleiterkörpers 10, beispielsweise eines SiIiciumplättchens,
hat glasartigen Schutzüberzug 12 aus Siliciumdioxid. In den Oxidüberzug 12 ist eine Öffnung
13 hineingeätzt, durch die hindurch eine stark dotierte n+-Zonc 14 neben der oberseitigen Oberfläche
cindifrundiert worden ist. Die n+-Zone 14
und die Siliciurr^las-Zwischenfläche wirken zusammen zur Erzeugung eines GetterefFektes auf das
Golddotiermaterial, und die η+-Zone und ihre gläserne Zwischenfläche werden im folgenden als
Getterzone bezeichnet. Es hat sich gezeigt, daß die Ii' -Zone allein das Gold gelten, nachdem die Glasschicht
16 ent fernI ist. Jedoch hat man eine beträchtliche
Goidmenge in der Zwisthenlläehe zwischen der
η'-Zone 14 und der Glaszone 16 festgestellt, so da»
S diese beiden Zonen unter den Begriff der Gelteizone fallen.
Der Halbleiterkörper 10 kann beispielsweise 0,15 bis 0,2 mm Gesamtdicke haben, während die η ' -Zone
14 sich nur wenige Mikron in den Körper 10 hinein-Hi
erstreckt. Wird als η + -Dilfusionsmittel zur Bildung der Zone 14 Phosphor verwendet, dann bildet sich
auf der Oberfläche des Körpers 10, wie F i g. 1 zeigt, ein Phosphorsilikaiglasüberzug 16. Der Phosphordiffusionsschritt
läßt sich durchführen, in dem man öffnung J3 Dämpfen von Phosphorpentoxyd P .,O-bei
erhöhter Temperatur in bekannter Weise aussetzt. Entweder vor oder nach der η+-Diffusion zur Ausbildung
der Zone 14 wird das Metalldotiermittel Gold in den Körper 10 durch irgendeine seiner Oberflächen
hineindiifundiert, um dir' Lebensdauer der Ladungsträger
in bestimmten Zonen des Halbleiterkörper«; 10 herabzusetzen. Die Zwischengitteratome des Goldes
diffundieren in den Siliciumkörper 10 mit einer außerordentlichen hohen Geschwindigkeit im Vergleich
a,«-, zu den anderen Dotiermaterialien, beispielsweise aus
den Gruppen III oder V des Periodensystems der Elemente, velche üblicherweise bei Diffusionsprozessen
benutzt werden.
Wenn der Golddiffusionsschritt ausgeführt ist, dann muß der Siliciumkörper 10 schnell abgekühlt
oder abgeschreckt werden, in dem er schnell aus dem Diffusionsofen herausgenommen wird, damit ein
Ausdiffundieren oder Ausfallen des Goldes vermieden wird. In der Praxis wird zuerst ein dünner Goldfilm
von etwa 500 A oder weniger Dicke auf der unteren Oberfläche des Siliciumkörpers 10 abgelagert. Dann
wird der Körper 10 in einen Diffusionsofen eingebracht, auf die Diffusionstemperatur gebracht, welche
typischerweise zwischen 950 bis etwa H)OO C liegt, und dieser Diffusionstemperatur etwa 15 Minuten
ausgesetzt. Eine höhere Diffusionstemperatur von beispielsweise 1050 C erfordert eine Diffusionszeit
von nur 5 Minuten, während noch höhere Diffusionstemperatufcn,
etwa in der Größenordnung von 115O0C nur noch DifTusionszeiten in der Größenordnung
2,5 bis 3 Minuten notwendig machen. Es versteht sich für den Fachmann, daß diese Diffusionszeiten und Temperaturen ohne Abweichen vom Erfindungsgi-'danken
in einem weiten Bereich variiert werden können. Wenn der Golddifl'usionsschritt so
ausgeführt ist, daß kein Ausdiffundieren oder Ausfallen von Gold eintritt, dann liegen jegliche Abweichungen
von den obengenannten Zeit- und Temperaturbereichen innerhalb des Erfindungsgedankens.
Eine weitere und genauere Beschreibung der GoIddiffusionstcchnik
ist in dem Buch »Motoiola Series
in Solid State Electronics, McGraw Hill, 1965, im Aufsatz Integrated Circuits-Design Principles and
Fabrication« von Werner et al. beschrieben.
Nachdem das Gold in den Halbleiterkörper 10 eindiffundiert ist, werden die Goldatome in eine halbkugelförm'.ge
Zone 11, welche durch die Bogenlänge
15 bestimmt ist, mit Hilfe der Getterzone (Zone 14 und ihre Glaszwischenfläche) gegettert, wie es durch
die in F i g. 1 dargestellten Dotierungslinien gleicher Konzentration gezeigt ist. Außerhalb der äußersten
Kontur 19 hat die Getterung keine Wirkung auf die Goldkonzentration im Silicium; die Goldkonzentra-
tion außerhalb der Kontur 19 liegt typischerweise in
der Größenordnung K)17 Atome pro cm:l. Zu den
Konturen 21, 23 und 25, die dichter bei der Getterzone liegen, wird die Goldkonzentration C, gemessen
in Atomen pro cm11, zunehmend geringer, wie in
F i g. 1 numerisch dargestellt ist. So ist zu sehen, daß ausgewählte Zonen innerhalb des Halbleiterkörpers
10 um eine wesentliche Menge der Goldkonzentration verarmen können, die andererseits bei
NichtVorhandensein der Getterzone existieren würde. Wenn die Dotiermittelkonzentration unterhalb einen
vorbestimmten Wert in einer bestimmten Zone des Halbleiterkörpers 10 reduziert werden soll, damit
dort die Ladungsträgerlebensdauer vergrößert wird, d. h. wenn die Goldkonzentration in der halbkugelförmigen
Zone 11, welche durch die Bogenlänge 15 begrenzt ist, verringert werden soll, dann kann das
Verfahren nach der Erfindung angewendet werden. Die stark dotierte η+ -Zone 14 und die Phosphorsilikatglasschicht
16 werden unter Verwendung bekannter Phosphordiffusionstechniken ausgebildet, und
diese Zonen erzeugen einen Goldgettereffekt, der die Goldkonzentration wesentlich verringert, wie es in
der nicht schraffierten Halbkugelzone 11 gezeigt ist. Beispielsweise soll eine Speicherdiode innerhalb einer
oder mehrerer der Konturen gleicher Konzentration in F i g. 1 ausgebildet werden, welche eine Goldkonzentration
erfordert, die vorzugsweise unter K)i7 Atomen pro cm3 liegt. Die bestimmte Lage der
Diode zwischen der Kontur 19 und der η'-Zone 14 kann vorn Fachmann gewählt werden, der die erforderliche
Goldkonzentration für einen gegebenen pn-Diodeniibcrgane kennt.
Die F i g. 2 und 3 veranschaulichen eine praktische
Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung. d?s hier zur Ausbildung eines Hall "leiteraufbaus in einer
monolithischen integrierten Schaltung angewandt wird. Eine solche integrierte Schaltung soll beispielsweise
einen sehr schnellen Schalttransistor 22 enthalten, der mit einer Speicherdiode 24 innerhalb der
oberen Zonen des Halbleiterträgers 20 verbunden werden soll. Der Schalttransistor 22 und die Speicherdiode
22 können unter Anwendung bekannter Methoden für integrierte Schaltungen ausgebildet sein,
beispielsweise durch Masken, Atz- und Diffusionsverfahren.
Der Transistor 22 enthält Kollektor, Basis und Emitterzonen 26. 28 und 30, und die Diode
enthält eine p-leitende Anodenzone 34 und eine η-leitende Kathodenzone 32.
F.s sei angenommen, daß nun ein metallisches
Doiiermaterial. etwa Gold, in den Träger 20 eindilTundicrt
werden soll, um die Ladungsirägerlebensdnuer
in npn-Transistor 22 herabzusetzen und seine Schahgeschwindigkeit zu vergrößern, und daß gleichzeitig
die Goldkonzentration in den p- und n-Zonen 34 und 32 unter einem bestimmten Pegel gehalten
werden sollen. Dieses läßt sich dadurch erreichen, dnß ein η '-Ring oder Band 36 in die η-leitende Zone
32 -jindiiTüiidicTt wird, damit die deichen, oben im
Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Getterwirkungen eintreten. Die Linien 38 und 40 gleicher
Konzentration stellen zum Zwecke der Vcranschaulichung
irgendeine der Linien 19. 21. 23 oder 25 von F i g. 1 dar. Die besondere gewählte Linie hängt win
der zulässigen Goldmenge innerhalb der p- und n-leiteiulen Zonen der Speieherdiode 24 und der
DilTusionstiefe dieser Zonen ab. Der n~-Ring oder
das Band 36 gibt einen ausgezeichneten ohmschen
Kontakt mit der nicht dargestellten Metallisierung, welche anschließend auf der Oberfläche der p- und
n-Zoncn in F i g. 3 zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zu ihnen abgelagert wird. Eine solche
Metallisierungsschicht sorgt auch für einen elektrischen Kontakt zum Transistor 22 und zu anderen
nicht dargestellten Bauelementen, die in den oberen Oberfiächenbercichcn des Trägers 20 ausgebildet sein
können. Der Träger 20 hat typischerweise eine Dicke
ίο von 0,15 bis 0,2 mm, und die Bauelemente 22 und
24 reichen gesvöhnlich nicht tiefer als 0,025 mm, also etwa ' ? der Gesamtdicke, in den Träger 20
hinein.
Die Glasschicht 23 in F i g. 3 entspricht der Phosphorsilikatglasschicht
16 in Fig. I, jedoch ist die n-Zone 36 in Fig. 3 nicht auf eine Ausbildung mit
Hilfe von Phosphor und die Glasschicht 23 nicht auf eine Ausbildung mit Hilfe von Phosphorsilikatglas
beschränkt. Wenn eine Phosphorverbindung zur Ausbildung der n-Diffusionszone 36 benutzt wird,
dann ist die auf der Oberfläche der Zone 36 gebildete Glasschicht 23 ein Phosphorsilikatglas, wie es im Zusammenhang mit F i g. I beschrieben ist. Zur Ausbildung
der η'■-Zone 36 in F i g. 3 können jedoch
auch nach gekannten Verfahren Arsen und Antimon verbindungen benutzt werden, die zu einer Arsensilikatglas-
bzw. einer Antimonsilikatglasschicht 23 auf der Oberfläche des Träger1·" 20 nach F i g. ;
führen.
Ls ist bekannt, daß Phosphor. .Arsen und Antimon
übliche Donatoren sind, die in einen Halbleiter, beispielsweise
Silicium, zur Bildung einer stark dotierter, 11'-Zone cindiffundiert werden können. Einzelheiten
also Diffusionszeit. Temperatur usw.. der Ausbildung der stark dotierten η "-Zone 36. in welche Phosphor.
Arsen oder Antimon cindifTundiert werden, sind in der Technik der FestkörperdilTusion bekannt.
Eine durch Diffusion von Phosphor. Arsen oder Antimon ausgebildete ηJ-Zone und die darauf ausgebildete
zugehörige Glasoberfläche bilden zusammen eine Getterzone gemäß der Erfindung. Die
η "-Zone 36. welche durch Phosphor. Arsen oder Antimondotierung in den Träger 20 ausgebildet ist.
gettert das Metalldotiermittel. Gold. Kupfer. Eisen oder Nickel.
Wenn diese Dotiermittel in der an Hand \on Fig. 1 beschriebenen Weise in den Träger 20 hineindiffundiert
sind, werden diese Metalldoticrmittel durch die n-Zone 36 und die Zwischenfiäche 23 z.wise'ien
der η--Zone 36 und der Glasschicht gegolten, ob die η" -Zone nur durch Phosphor. Arsen odei
Antimondiffusion ausgebildet worden ist.
Wenn anstalt der n-Zone 14 eine nicht dargestellte
p^-Zone in den Halbleiterträger eindilTundier1
wird, dann hat eine solche Diffusion deichfalls einer
GetteretTekt auf das in den Träger cindilTundicrK
metallische Dotiermittel. Wenn beispielsweise de1
Halbleiterkörper 10 in F i g. 1 Bortrioxid (Β.,Ο,
Dämpfen bei erhöhter Temperatur auspesetzt wird dann bildet sich an Stelle der dargestellten n'-Zoiu
14 eine ρ "—Zone und ein Borsilikatglasüberzug au
der ρ "-Zone während des DiiTusionsprozesses aus
Es hat sich jedoch bei einer p" -Bor-Diffusion gezeigt
daß ein metallisches Dotiermittel wie Gold siel stärker in dem Borsilikatglasüberzug als in de
p~-Zone konzentriert.
Andere Elemente der Gruppe III des Perioden systems der Elemente, beispielsweise Aluminium hit
1
Gallium, können für die p-Diffusion zur Erzeugung von Metalldotiermittel-üettereffekten 'tinrrhalb des
Erfinduii|»sgcdankens benutzt werden. Für eine weitere
detaillierte Beschreibung und theoretisdie Analyse
der Diffusion von Dotiermitteln in Halbleiterkörper sei auf der. Aufsatz »Solid Solubilities of fm-
180
purity Elements in Germanium and Silicon« von Trumbore im Bell System Technical Journal 19(SO,
S. 205 bis 230 und »Metal Precipitates in Silicon PN Junctions« von Shockly im Journal of Applied
Physics, Bd. 31, Nr. 10, Oktober 1960, S. 1821 bis 1824. verwiesen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 587/263
Claims (7)
1. Verfuhren zum Einstellen der Ladungsträgerlebensdauer
in einer örtlich begrenzten Zone eines Halbleiterkörpcrs, in dessen einer größeren
Oberfläche mehrere Halbleiterbauelemente ausgebildet weiden, von denen wiederum eines sich
in einer ausgewählten Oberflächenzone des Halbleiterkörpers befinden soll, in der sich im Gegensatz
zum übri'en Bereich des Halbleiterkörpers Ladungsträger von relativ hoher Lebensdauer
befinden, bei dem zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer ein Dotierungsmittel aus Metall
in den ganzen Halbleiterkörper eindiflundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in
einem der ausgewählten Zone (11) des Halbleiterkörper (10) benachbarten Bereich eine Getter-Jtone
(14) ausgebildet wird, die ihrerseits einen DotierungsstolT enthält, der das die Lebensdauer
der Ladungsträger herabsetzende metallische Dotierungsmittel innerhalb der ausgewählten
Oberflächenzone (11) zu gettern vermag, wobei clic Ladungsträgerlebensdauer in der ausgewählten
Zone (11) oberhalb eines vorbestimmten Wertes gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getterzone (14) durch
Diffusion eines Dotiermaterials aus der Gruppe Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Gallium, Aluminium
in einen Teil des Halbleiterkörper (10) ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch ' oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Dotiermaterial
aus der Gruppe Kupfer, Gold, Eisen, Nickel gewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dacurch
gekennzeichnet, daß das metallische Dotierrnittel Gold ist und in den Halbleiterkörper (10)
bei Temperaturen im Bereich zwischen 950 und 1 150 C während Diffusionszeiten im Bereich
/wischen 15 und 2' '·.· Minuten eindifTundiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Doticrmittel
Gold ist und in den Halbleiterkörper (10) bei einer Temperatur von etwa !050 C während
einer DilTusionszeit von etwa 5 Minuten eindifTundiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Dotiermittel
Gold ist und in den Halbleiterkörper (10) bei einer Temperatur von etwa 950 C und einer
DilTiif.ionszeit von etwa 15 Minuten eindilfundiert
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis Ci. dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die
Getterzone (14) in den Halbleiterkörper (JO) in der Nähe der ausgewählten Zone (11) eindiffundiert
wird, daß anschließend eine dünne GoIdschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers
(10) abgeschieden wird, daß dann das Gold aus dieser Schicht durch Erhitzen des Halbleiterkörpcrs
in den Halbleiterkörper eindifTundiert wird und daß schließlich der Halbleiterkörper schnell
abgekühlt wird.
Die Erfindung betrilft ein Verfahren zum Einstellen der Ludungsträgerlebensdauer in einer örtlich begrenzten
Zone eines Halbleiterkörpers, in dessen einer größeren Oberfläche mehrere Halbleiterhauelemente
ausgebildet werden, von denen wiederum eines sich in einer ausgewählten Oberflächenzoue
des Halbleiterkörper befinden soll, in der sich im Gegensatz zum übrigen Bereich des Halbleiterkörpers
Ladungsträger von relativ hoher Lebensdauer be-
finden, bei dem zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer ein Dotierungsmittel aus Metall in den
ganzen Halbleiterkörper eindiffundiert wird.
Es ist bekannt, metallische Dotiermittel, etwa Gold,
selektiv in Halbleiter, insbesondere Silicium, einzudiffundieren, um die Ladungsträger-Rekombinationsgesciiwindigkeit
in verschiedenen Zonen des Halbleiterkörpers zu erhöhen. Für die Anwendung in einer
bestimmten integrierten Schaltung kann es beispielsweise erwünscht sein, ein schnelles Schaltelement zu
ao verwenden, etwa einen Transistor, der eine relath
niedrige Ladungsträgerlebensdauer hat, in Verbindung mit einer Speicherdiode, bei der die Ladungsträger
eine relativ große Lebensdauer haben. Zur selektiven Dotierung von Metalldotiermaterialien,
d. h. zur örtlichen Steuerung der Dotiermaterialdiffusion,
hat man bisher Maskentechniken verwendet, um zu verhindern, daß metallische^ Dotiermaterial
in Zonen des Halbleiteraufbaues hineindotiert, in die es nicht eindiffundieren soll.
Die Nachteile dieser selektiven Maskendiffusionsverfahren liegen nicht nur in den zusätzlichen
Maskierungsschritten, welche zur selektiven Steuerung der Metalldiffusion erforderlich sind, sondern
auch darin, daß die Maskierung einer Halbleiteroberfläche keinen vollständigen Schutz gegen ein
Eindiffundieren metallischen Dotiermaterials in die neben der Maske befindliche Zone bietet. Bei der
Anwendung bekannter photolithographischer Masken und Ätztechniken zur Steuerving d^.r Metalldiffusion
4» ergibt sich außerdem oft die Notwendigkeit, öffnungen
in einen Schutzüberzug des Halbleiters, beispielsweise in Form von Siliciumoxid, einzig zu dem
Zweck hineinzuätzen, daß das metallische Dotiermittel in den Halbleiterkörper eindiffundieren kann.
4!i Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung
eines neuen und verbesserten Verfahrens zum Einstellen der Ladungsträgcrlcbcnsdauer in einer örtlich
begrenzten Zone eines Halbleiterkörpers, in dessen einer größeren Oberfläche mehrere Halbleiterbau-SD
elemente ausgebildet werden, von denen wiederum eine, sich in einer ausgewählten Oberflächenzone des
Halbleiterkörper befinden soll, in der sich im Gegensatz zum übrigen Bereich des Halbleiterkörpers
Ladungsträger von relativ hoher Lebensdauer befinden, bei dem zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer
ein Dotierungsmittel aus Metall in den ganzen Halbleiterkörper eindifTundiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem der ausgewählten Zone des
Halbleiterkörpcrs benachbarten Bereich eine Getterzone ausgebildet wird, die ihrerseits einen DotierungsstofT
enthält, der das die Lebensdauer der Ladungsträger herabsetzende metallische Dotierungsmittel
innerhalb der ausgewählten Oberflächenzone zu gettern vermag, wobei die Ladungsträgcrlcbensdauer
in der ausgewählten Zone oberhalb eines vorbestimmten Wertes gehalten wird.
Das Verfahren nach der Erfindung ist somit ein
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