DE2341311B2 - Verfahren zum einstellen der lebensdauer von ladungstraegern in halbleiterkoerpern - Google Patents

Verfahren zum einstellen der lebensdauer von ladungstraegern in halbleiterkoerpern

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleiterkörpern für Halbleiterbauelemente, bei dem Rekombinationszentren bildende Stoffe auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und anschließend in einem Temperprozeß eindiffundiert werden, bis sich ein annähernd gleichbleibender Wert der Lebensdauer im gesamten Halbleiterkörper einstellt.
Die gezielte und reproduzierbare Einstellung der Lebensdauer von Ladungsträgern spielt in der Halbleitertechnologie eine wichtige Rolle, da einige Eigenschaften, wie etwa die Frequenzgrenze von Flächentransistoren oder die Freiwerdezeit von Thyristoren, die das Verhalten der Halbleiterbauelemente im Hinblick auf ihre dynamischen Eigenschaften wesentlich mitbestimmen, von der Lebensdauer der Ladungsträger abhängig sind.
Es ist bekannt, daß z. B. durch Eindiffusion von Gold oder Platin in einen Halbleiterkörper aus Silizium die Lebensdauer der Ladungsträger herabgesetzt werden kann. Eine solche Diffusion bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art wird be.spielsweise in der DT-AS 11 87 326 beschrieben, wonach der Halbleiterkörper aus Silizium mit Gold oder goldhaltigem Material in der Weise bedeckt wird, daß eine mehr als ausreichend große Goldquelle vorhanden ist, aus der heraus in einer nachfolgenden Diffusionsbehandlung das Gold in den Siliziumkristall eingeführt wird. Dabei entsteht eine völlig gleichmäßige Verteilung in einer Konzentrationshöhe, die in erster Linie von der Diffusionstemperatur bestimmt wird. Sie liegt bei diesem Verfahren in einem ungefähren Bereich von 1015 bis 1017 Atomen ■ cm3.
Sofern die Forderung besteht, Freiwerdezeiten von Thyristoren innerhalb eines ganz bestimmten Bereiches einzuhalten, ist es notwendig, auch die Konzentration der Rekombinationszentren im Halbleiter auf einen bestimmten Wert einzustellen. Dies bedeutet z. B. für Frequenzthyvistoren, bei denen die Freiwerdezeit etwa in einem Bereich zwischen 5 und 50 μsek liegen soll, daß im Silizium eine Goldkonzentration zwischen rund 1012 und 1014 Atomen · cm-3 einzustellen ist.
Die gezielte und kontrollierte Einstellung solcher geringer Konzentrationen nach der Menge und gegebenenfalls auch mit ausreichend hoher Trennschärfe nach der Atomart ließ sich bisher mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nicht erreichen. Bei einer Diffusion der Rekombinationszentren von der Oberfläche her ist nämlich hierfür eine äußerst geringe Oberflächenbelegung erforderlich. Beispielsweise müßte für eine Siliziumscheibe üblicher Dicke von etwa 0,3 mm die Flächenbelegung vor der Diffusion nur etwa
1011 bis 1012 Atome · cm-2 betragen, wenn die Konzentration der Rekombinationszentren nach Beendigung der Eindiffusion und angenommener gleichmäßiger Verteilung die oben angegebenen Werte von einigen
1012 bis einigen 1013 Atomen · cm-3 aufweisen soll.
Eine derartig geringe Oberflächenbelegung in der
Größenordnung von 10" bis 1013 Atomen · cm-2 konnte bisher durch keines der bekannten und üblicherweise verwendeten Verfahren aufgebracht werden. Weder durch Aufdampfen oder auf chemischem bzw. galvanischem Wege, z. B. durch Abscheiden aus wäßriger Lösung, und anschließender Temperung lassen sich solche Oberflächenbelegungsdichten erzeugen. Die nach solchen Verfahren hergestellten Bauelemente zeigen praktisch immer eine weiche Sperrkennlinie und damit eine verminderte Sperrfähigkeit. Vermutlich ist die Ursache dieser verminderten Sperrfähigkeit auf die besondere Art der Golddiffusion zurückzuführen.
Die Eindiffusion von beispielsweise Gold in Silizium geht bekanntlich nach dem Frank-Turnbull-Mechanismus vor sich.
Die Goldatome diffundieren nach diesem Mechanismus zunächst auf Zwischengitterplätze und werden dann durch Anlagerung an Leerstellen in substitutioneil gebundene Atome umgewandelt. Es stellt sich dabei ein Konzentrationsgleichgewicht zwischen den Gitterleerstellen, den Zwischengitterplätzen und den substitutioneil eingebauten Atomen her. Nur die in die Gilterleerstellen substitutionell eingebauten Goldatome wirken in diesem Gleichgewicht als elektrisch aktiv, d. h. als Rekombinationszentren.
Wird bei der Eindiffusion mehr Gold in das Silizium eingebracht, als zur Besetzung der Leerstellen notwendig ist, so muß das überschüssige Gold auf den Zwischengitterplätzen verbleiben, wo es sich beim Abkühlen unter Umständen an Kristallversetzungen in Form von Klumpen wieder ausscheiden kann. Es wird vermutet, daß das verminderte Sperrvermögen auf dieses überschüssige Gold, das sich auf Zwischengitterplätzen befindet oder an Kristallversetzungen angelagert ist, zurückzuführen ist. Es gibt somit Gründe, die Konzentration des Goldes nicht bis an die Grenze der Löslichkeit, die z. B. in Silizium bei etwa 1016 Atomen ■ cm-3 liegt, zu erhöhen. Bei einer so hohen Goldkonzentration würde überdies die Lebensdauer der Ladungsträger zu klein werden.
Aus einem Aufsatz von E. F. K r i m m e I in der Internationalen Elektronischen Rundschau 27 (1973), Heft 3, S. 53 bis 57, ist bekanntgeworden, daß zum Dotieren von Halbleiterkörpern an Stelle von Diffusionsverfahren auch lonen-lmplantationsverfahren angewendet werden können, die neben manchen Vorteilen allerdings den Nachteil der geringeren Eindringtiefe
und der Strahlenschäden im Kristallgitter aufweisen und daher mehr für die Mikroelektronik als für die Bauelemente der Leistungshalbleiter als brauchbar erscheinen. In der US-PS 36 55 457 ist ein Verfahren beschrieben worden, mit Hilfe der lonenplantation Rekombinationszentren bildende Stoffe in den Halbleiterkörper einzubringen, um die Lebensdauer von Ladungsträgern einzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die erforderliche Trägerlebensdauer in Halbleiterkörpern für Halbleiterbauelemente durch gezielte und reproduzierbare Einstellung einer unterhalb der maximalen Löslichkeit liegenden und auf einer solchen Höhe festgelegten Konzentration von Rekombinationszentren herzustellen, daß möglichst der gesamte die Rekombinationszentren erzeugende Stoff an Leerstellen angelagert ist und nicht an Zwischengitterplätzen verbleibt, und auf diese Weise die thermischen und dynamischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Frequenzthyristoren, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleiterkörper für Halbleiterbauelemente, bei dem Rekombinationszentren bildende Stoffe auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und anschließend in einem Temperprozeß eindiffundiert werden, bis sich ein annähernd gleichbleibender Wert der Lebensdauer im gesamten Halbleiterkörper einstellt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der erforderlichen Konzentration im Halbleiterkörper entsprechende Menge der Rekombinationszentren bildenden Stoffe durch Ionenimplantation auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und in die Oberflächenschicht eingebracht wird.
Dabei kann sowohl in Halbleiterkörpern mit einheitlicher Leitfähigkeit und einheitlichem Leitungstyp als auch in solche mit einem oder mehreren pn-Übergängen implantiert werden. Die Implantationsenergie wird vorteilhaft derart gewählt, daß die Eindringtiefe mindestens 50 A beträgt.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird die Halbleiterdotierung, welche die Lebensdauer bestimmt, nicht durch die Diffusionstemperatur und die Zeit,' sondern durch die implantierte Dosis bei ausreichend langer Diffusion eingestellt.
Insbesondere wird z. B. die Einstellung der Lebensdauer von Ladungsträgern in einem Halbleiterkörper aus Silizium in vorteilhafter Weise durch eine Goldimplantation in die der Oberfläche nahen Schichten erreicht, der sich darauf zur weiteren Verteilung des implantierten Goldes im Volumen des Halbleiterkörpers eine Temperung in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb von 7000C anschließt. Die Einstellung der Lebensdauer der Ladungsträger wird gegebenenfalls an Stelle einer Goldimplantation auch durch eine Platinimplantation vorgenommen.
Durch das Verfahren nach der Erfindung wird erreicht, daß auch kleinste Stoffmengen für Flächenbelegungsdichten in der Größenordnung von etwa 1010 bis; 1013 Atomen · cm-2 überhaupt und sicher gehandhabt: werden können und auf diese Weise die oben geschilderten möglichen Nachteile einer zu hohen Störstellenkonzentration im Bereich der Löslichkeitserenze. wie das Ausfallen eines nicht mehr gelösten Anteils im metallischen Zustand während des Abkühlens und dessen schädliche elektrische Nebenwirkungen, mit Sicherheit vermieden werden.
Darüber hinaus gelingt es, solche kleinen Stoffmengen, wie sie oben aufgeführt wurden, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand auch genau zu dosieren, weil die bei der Ionenimplantation einzubringende Stoffmenge durch eine elektrische Messung verhältnismäßig leicht eingestellt und kontrolliert werden kann.
ίο Ein weiterer Vorteil der Ionenimplantation ist darin zu sehen, daß beim Einbringen des Dotierungsstoffes eine Massenselektion und eine Beschränkung auf das allein vorgesehene Störstellenelement vorgenommen wird, wodurch die Gefahr der Eindiffusion von unerwünschten Verunreinigungen und deren möglicher nachteilige Einfluß vermieden werden.
Schließlich wird bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auch der eigentliche Diffusionsvorgang erleichtert und die Möglichkeit seiner Über- prüfung verbessert. Nach der Implantation befindet sich nämlich der Dotierungsstoff bereits genügend tief unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers, so daß die Diffusion in das Innere nicht mehr durch eine auf der Oberfläche befindliche Oxidhaut beeinträchtigt wird.
Dadurch wird eine höhere Gleichmäßigkeit der Diffusionsfront und der anschließenden Verteilung erzielt.
Nicht zuletzt wirkt sich bei dem Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft aus, daß bei der Endverteilung die Einstellung der Höhe der Konzentration der Störstellen im wesentlichen von der sicher zu handhabenden Dosis der implantierten Störstellen bestimmt wird, was bei den bisher bekannten Verfahren nicht der Fall ist.
An einem Ausführungsbeispiel soll das Verfahren nach der Erfindung noch einmal näher beschrieben und die Arbeitsbedingungen bei der Ionenimplantation angegeben werden. Als Halbleitermaterial ist Silizium ausgewählt worden, das mit Gold dotiert werden soll. Man geht hierbei von diffundierten Siliziumscheiben aus, die eine Dicke von etwa 0,3 mm besitzen. Die Flächenbelegung soll zwischen 1 · 10" und 5 · 1013 Gold-Atome ■ cm-2betragen.
Die Ionenimplantation der Rekombinationszentren, wie z. B. Gold, erfolgt mit so hoher Energie, daß eine genügende Eindringtiefe erreicht und eine Zerstäubung der Oberfläche vermieden wird. Für Gold ergibt sich bei einer Energie von 10 bis 300 kV eine Eindringtiefe von 100 bis 1000 A. Andererseits zerstört eine zu hohe Implantationsenergie so stark, daß nachteilige Effekte bei der Golddiffusion auftreten. Günstige Werte für die Implantationsenergie liegen bei etwa 100 kV, wobei sich für Gold eine Eindringtiefe von etwa 600 A ergibt. Die implantierte Dosis wird über den Ionenstrom gesteuert. Durch Selektion der lonenmassen im Magnetfeld wird eine hohe Reinheit des implantierten Stoffes gewährleistet.
Die so vorbereiteten Halbleiterscheiben werden nun in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Wasserstoff, während einer Dauer von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden bei einer Temperatur oberhalb von 700° C, vorzugsweise zwischen 800 und 1000° C, getempert, um die gewünschte Freiwerdezeit zu erhalten.

Claims (4)

I. Patentansprüche:
1. Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer von Ladungsträgern in Halbleiterkörpern für Halbleiterbauelemente, bei dem Rekombinationszentren bildende Stoffe auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und anschließend in einem Temperprozeß eindiffundiert werden, bis sich ein annähernd gleichbleibender Wert der Lebensdauer im gesamten Halbleiterkörper einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die der erforderlichen Konzentration im Halbleiterkörper entsprechende Menge der Rekombinationszentren bildenden Stoffe durch Ionenimplantation auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und in die Oberflä- is chenschicht eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ImpJantaiionsenergie so gewählt wird, daß die Eindringtiefe mindestens 50 Ä beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rekombinationszentren bildende Stoff unter einer Schutzgasatmosphäre aus Wasserstoff eindiffundiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur zwischen 800 und 10000C eindiffundiert wird.
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