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 halbleiterkoerpers

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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)

Patentansprüche:
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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