DE2456438A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementenInfo
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Description
2456A38
133/74
P/SL
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,
mit mindestens einem Zonenübergang und min-"
13 14
destens einer schwach N- oder P-leitenden, 10 bis 2,5 * 10
Dotierungsatome/cnr enthaltenden Zone, bei dem die Diffusion
einzelner Zonen aus einer auf der Halbleiterkristalloberfläche aufgebrachten, den entsprechenden Dotierstoff enthaltenden,
Nickelschicht erfolgt,
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DT-OS 2 144
bekannt. Die den Dotierstoff enthaltende Nickelschicht wird hierbei stromlos autokatalytisch durch Reduktion eines in einer Lösung
vorgelegten Nickelsalzes mittels einer in der gleichen Lösung vor-
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- 2 - 133/74
gelegten borhaltigen Verbindung auf dem Halbleiterkörper abgeschieden.
Der Halbleiterkörper mit einer derart aufgebrachten Schicht wird dann zur Eindiffusion des in der Schicht enthaltenen
Bors Temperaturen zwischen 800 und 1400 C unterworfen.
Aus der DT-OS 1 8l6 082 ist ebenfalls bekannt, zur Erzeugung einer N-dotierten Zone eine phosphorhaltige Nickelschicht auf
chemischem Wege auf dem Halbleiterkörper abzuscheiden und einer nachfolgenden Temperaturbehandlung zu unterziehen.
Ein besonderer Vorteil dieser Verfahren besteht darin, dass die als Diffusionsquelle dienende Nickel-Schicht bei tiefen
Temperaturen stromlos aufgebracht werden kann und dass der bei beispielsweise Verdampfungsverfahren hohe erforderliche Aufwand
damit entfällt.
Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen Halbleiterbauelemente für Spannungen grosser als 250OV, die entsprechend dickere und
höherohmige Halbleiterscheiben verlangen, mit dieser Technologie herzustellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, in einfacher und rationeller Weise diffundierte Halbleiterbauelemente, insbesondere
Hochspannungs-Bauelemente, unter Verwendung von auf die Halbleiterkristalloberfläche aufgebrachten, den Dotierstoff enthaltenden
Nickelschichten herzustellen.
$09819/0736
Dieses wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass nach der
Eindiffusion des in der Nickelschicht enthaltenen Dotierstoffes
der Halbleiterkristall derart abgekühlt wird, dass sich in deT
schwach dotierten Zone, nach der Abkühlung auf Zimmertemperatur
der spezifische Widerstand durch die bei der Eindiffusion des
Dotierstoffes ebenfalls in den Halbleiterkristall eindiffundie-' renden Nickelatome nicht geändert hat.
Vorzugsweise wird der Halbleiterkristall nach der Eindiffusion des in der Nickelschicht enthaltenden Dotierstoffes derart abgekühlt,
dass der Ausdruck -
A > (0.15 i 0,05) hz
ist,wobei
t
A = 16,6VeVp { - J, äiM * v/kTdf J j <£!'
A = 16,6VeVp { - J, äiM * v/kTdf J j <£!'
T die Temperatur in K während der Abkühlung als Funktion der Zeit
t, die Zeit in Sekunden während der Abkühlung h die Dicke des Halbleiterkristalls in cm
k die Boltzman-Konstante = 8,614 · io"5 eV 0K"1
bedeutet.
Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Halbleiterkristall
mit einer konstanten Abkühlrate Δ T/^rfc und/oder in Stufen abzu-
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kühlen d.h.: ausgehend von der Temperatur T„, bei der der in der
Nickelschicht enthaltene Dotierstoff in den Halbleiterkristall eingebracht wurde (Eindiffusionstemperatur) wird der Halbleiterkristall
bis zu einer ersten Haltetemperatur T„^ mit einer ersten
Abkührate abgekühlt, dann auf dieser Temperatur getempert und anschliessend gegebenenfalls über weitere Zwischenstufen (Haltetemperaturen:
Tj, ,*-"", T„ ) auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Als besonders gut hat es sich auch bewährt, den Dotierstoff bei einer
Temperatur T„ > 1100 C einzudiffundieren, anschliessend
den Halbleiterkristall mit einer .Abkühlrate ΔΤ /at >
5°C/min bis auf eine Haltetemperatur Tx, ■>
90O0C abzukühlen, wobei T-
Ji * Ji
T„ > 5ö°C sein sollte, dann den Halbleiterkörper auf dieser Temperatur
T11 mindestens 7 Stunden zu tempern und anschlissend auf
Zimmertemperatur weiter abzukühlen, wobei die Abkühlgeschwindigkeit
dann ohne Bedeutung ist.
An Hand der Zeichnungen sollen die Erfindung und die ihr zugrunde
liegenden Erkenntnisse näher erläutert werden: Es zeigt:
Fig. 1 schematisch das Widerstandsprofil eines Thyristors bei dem die N - Emitterdiffusion aus einer Phosphor-enthaltenden
Nickelschicht erfolgte;
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- & - 133/74
Pig. 2 und 3 schematisch zwei weitere 'Widerstandsprofile von
Thyristoren mit einer gegenüber dein Thyristor nach
Fig. 1 dickeren und hochohmigeren N-Basis.
In Fig* 1 ist der spezifische Widerstandy in Ά cm als Funktion
der Tiefe χ in γχα aufgetragen. Dabei ist mit I die N -Emitterzone,
mit II die P-Basiszone (oder Steuerzone), mit III die N*-Basiszone und mit IV und V die anodenseitige P-Basis-'bzw.
P -Emitterzone bezeichnet.
Als Ausgangsmaterial dient eine N-leitende Siliziumscheibe mit
einer picke h von 550 um sowie einer Grunddotieruiig von 5·10
Atome/cm . Auf die Oberfläche der Siliziumscheibe wird Aluminium
aufgebracht und anschliessend durch" Erhitzen auf eine-Temperatur
von etwa 126O°C während einer 2M-stündigen Eindiffüsionszeit
zur Erzeugung der P-Zonen II und V, Aluminium in die S'iliz'iumscheibe
eindiffundiert. Zwischen beiden Schichten bleibt noch eine N-leitende Schicht (N-Basis) welche eine« Dicke von'"-etwa'·*
350 μι» aufweist. Anschliessend erfolgt die Diffusion der N - bzw,
P - Emitterzonen I, V aus einei» Phosphor bzw. Bor enthältenden,
vor der Diffusion auf eheraiachem W^ge auf die Siliziumscheibe^
Aufgebrachten Nickelachicht. Die DiffüsionatemperätUr beträgt
«tu« i27O°C» die Diff»4*ioneäau«* e$ti* eine halbe Stundei Nach
dtr Eindiffuiion der Enitterzontn II und V wird die Silizium«
•cheib· »it tiner Abkühlgeschwinciigkeit von 20C/min abgekühlt.
"* 1 XX IfU
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Wie das mittels "Spreading Resistance" aufgenommene Widerstandsprofil
zeigt (Fig. 1), ist die Konzentration der eventuell noch in der Siliziumscheibe, insbesondere in der KHäasis, vorhandenen
Nickelstörstellen so gering, dass ein Einfluss dieser Störstellen auf das Dotierungsprofil des Thyristors nicht festgestellt werden
kann.
Fig. 2 zeigt das Widerstandsprofil eines Thyristors der aus einer
650/im dicken Siliziumscheibe mit einer Grunddotierung von 3,8·10
ÄtoM^/cnr hergestellt wurde, mit einer N^Bäsisdicke von A^Qyurn.
Das Herstellungsverfahren entspricht dem des oben im Zusammen-*
hang mit Fig. 1 beschriebenen Thyristors*
Wie die Spreading Resistance Messung ergibt, weist die N-Basis
Jetzt zusätzlich einen Bereich VI auf, in dem der spezifische Widerstand 5 ein Maximum besitzt* Eine Abkühlgeschwindigkeit
VQn 2°C/min. reicht demnach nicht aus, um das aktive Nickel,
das offenbar eine teilweise Kompensation der Gleitenden Basiszone
bewirkt, aus der N-Basis vollständig auszudiffundieren.
> ■; ■
Während die Sperrspannung bei einem Thyristor »it eine« Dotierungsprofil
gemäö* fig/ 1 etwa 25OOV beträgt, ergeben »ich bei
Thyristoren »it de« Dotierungsprofil gern*es Fig. 2 nur Sperrspannungen
fön MxiMl 6OQV; obwohl bei diese» Baueleeent die
Grunddotierung geringer ist (bei gleichzeitig grüsee*N-Basis-
■ ·■ ;' '£^ .ν'·- f">
iffilt/Oftj'----- · ■ " -,::· .--ORIGINAL INSPECTED..
..■':- 7 - 133/74
dicke), als bei dem Bauelement gemäss Fig. 1, was zu höheren
Sperrspannungen führen sollte (vgl; z.B.: DT-PS 1 250 56l).
Der Grund liegt darin, dass sich die Sperrschichten der beiden
äusseren P N-Uebergänge mit wachsender Sperrspannung in dem hochohmigen Gebiet VI viel schneller ausbreiten als in den niederohmigen
Gebieten der N-Basis (III-VI), wodurch es zu einem
bereits bei niedrigen Sperrspannungen einsetzenden .Punch-Through-Effekt
kommt. ■ ..
Bei der Verwendung von noch grösseren Basisdicken (etwa 800 jam),
wie sie sich beispielsweise bei der Herstellung von Hochspannungsthyristoren
(aber auch bei Triacsund Avalanchedioden) als
notwendig erweisen und einer Abkühlgeschwindigkeit von 2°C/min. kommt es.in der N-Basis sogar zu einer Ueberkompensation, d.h.
die N-Basis weist nicht mehr ein einheitliches N-leitendes Gebiet auf, sondern besitzt eine P-leitende Mittelzone (Fig. 3).
Die Erfindung beruht nun auf folgenden Erkenntnissen und Ueberlegungen:
Die Diffusion von Nickel erfolgt in Siliziumkristallen nach dem
"dissoziativen Diffusionsmechanismus11, d .h. sie erfolgt rasch
über Zwischengitterplät'ze und langsam über Gitterplätze. Elektrisch
aktiv ist allein Nickel auf Gitterplätzen, das zwei Akzeptor^-niveaus
aufweist und ein wirksames Rekombinationszentrum
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darstellt. Der Anteil von elektrisch aktivem am insgesamt eingebauten
Nickel beträgt etwa 0,1$. Die Löslichkeitsgrenze von
Nickel in typischen Halbleitern wie Germanium oder Silizium beträgt etwa 10-10 Atome/cnr, was einer Löslichkeitsgrenze
des elektrisch aktiven Nickels von etwa 10 - 10 ^ Atome/cm-'
entspricht. Diese Konzentration ist von gleicher Grössenordnung wie die Basisdotierung der Halbleiterbauelemente. Eindiffundiertes
Nickel kann somit einen grossen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der N-Basiszone eines Bauelementes gewinnen.
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit hohen Sperrspannungen,
bei denen die Diffusion der Dotierstoffe aus einer auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachten, den entsprechenden Dotierstoff
enthaltenden Nickelschicht erfolgt, muss demnach jegliche Kompensation durch elektrisch aktives Nickel in den schwach dotierten
Zonen des Halbleiterkristalls, beispielsweise in der N-Basis von Halbleiterbauelementen, wie Thyristoren, Triacs,
Avalanchedioden etc., vermieden werden.
Das wird dadurch erreicht, dass die Ausdiffusion des elektrisch aktiven Nickels durch ausreichend langsames Abkühlen erfolgt und
zwar muss für einen.Halbleiterkristall der Dicke h, der schwach dotierte Zonen mit einer Konzentration von <L.2,5*1O Dotierungsatome /cnr aufweist, der Temperaturverlauf T(t) bei der Abkühlung
derart gewählt werden, dass der Quotient aus dem Integral:
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Ui
und dem Quadrat der Dicke h grosser (0,151 0,05) ist, wobei die
maximale Abkühlrate kleiner als 5°C7min sein sollte. Dabei bedeuten
k die Boltzman-Konstante, T die Temperatur in K und t,t' die Zeit.
Wählt man beispielsweise als EindiffusiQnstemperatur Tg = 1250 C
(d.h. für einen linearen Abkühlungsverlauf: T (t .·) = 1523 - CdT/
dt) t'), so ergeben sich bei einem A/h > o,2 für verschiedene
Dicken des Halbleiterbauelementes die in Tabelle I aufgeführten Werte für die entsprechende Abkühlrate (4 Τ/λ t)
Bei einer maximalen Dicke von:
811 jam 575 /im
467 /im 407 /im
Eine Abkühlrate von höchstens
l°C/min 2°C7min 3°C/min 4°C/min
Für die Erfindung ist es nicht wesentlich, dass die Abkühlrat;e
konstant gewählt wird. Beispielsweise ist es auch möglich, zunächst bis zu einer Haltetemperatur T„, abzukühlen, auf dieser
Temperatur den Halbleiterkristall eine gewisse Zeit lang zu tempern und ihn dann gegebenenfalls über weitere Zwischenstufen (Haltetemperaturen)
auf Zimmertemperatur abzukühlen.
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Wird beispielsweise nach der Eindiffusion der Dotierstoffe bei 125O°C der Halbleiterkristall mit einer Abkühlrate von 2°C/min
auf eine Haltetemperatur von 11000C abgekühlt,■auf dieser Temperatur
5>3 Stunden getempert und anschliessend mit einer Abkühlrate von 2 C/min weiter auf Zimmertemperatur abgekühlt, so ist
ebenfalls die Bedingung A/h2" ^ 0,2 erfüllt und damit praktisch
alles störende Nickel ausdiffundiert.
Da es bei Abkühlraten > 5°C/min im Inneren des Siliziumkristalls
zu einer von der jeweiligen Temperatur - nicht aber von der Dicke des Halbleiterkristalls - abhängigen Ausscheidung des aktiven
Nickels kommt, kann das aktive Nickel auch durch rasches Abkühlen und anschliessendes Tempern beseitigt werden. Als besonders zweckmässig
hat es sich erwiesen bei Halbleiterkristallen bei denen die Eindiffusionstemperatur Tx-, 2i 11000C ist, diese
Ji ·
rasch auf eine Haltetemperatur Tu -^. 900 C abzukühlen,
wobei Tp-Tj1 >; 50 C sein sollte, dann den Halbleiterkristall mindestens
7 Stunden lang zu tempern und ihn anschliessend auf Zimmertemperatur abzukühlen.
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Claims (8)
1.) Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit mindestens einem Zonenübergang und mindestens einer schwach
,N- oder P-leitenden, 101^ bis 2,5 · 10 Dotierungsatome/cm5
enthaltenden Zone, bei dem der Dotierstoff aus einer auf der Halbleiterkristalloberfläche aufgebrachten Nickelschicht eindiffundiert
wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Eindiffusion des in der Nickelschicht enthaltenen Dotierstoffes
der Halbleiterkristall derart abgekühlt wird, dass sich in der schwach dotierten Zone nach der Abkühlung, auf Zimmertemperatur
der spezifische Widerstand durch die bei der Eindiffusion des Dotierstoffes ebenfalls in den Halbleiterkristall
eindiffundierenden. Nickelatome nicht geändert hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Eindiffusion des in der Nickelschicht enthaltenen Dotierstoffes
der Halbleiterkristall derart abgekühlt wird, dass der Ausdruck:
h2 > (0,15■* 0,05)
ist,wobei:
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- 12 - 133/71»
A = 16,
,6 / exp { - 2,381 eV/kT(t!)J dt1
T = Temperatur in K während der Abkühlung als Punktion der
Zeit
t = Zeit in Sekunden während der Abkühlung h = Dicke des Halbleiterkristalls in cm
k = Boltzmann-Konstante =8,6 14·1Ο~5 eV 0K"1
bedeutet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff bei einer Temperatur T.., zwischen 1100 und
ti
140O0C eindiffundiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Abkühlung der Temperaturverlaüf T(t) derart gewählt wird, dass zwischen der Temperatur T und der Zeit t die Beziehung:
T(t) = T„ - UT/At)t besteht, wobei die Abkühlrate ΔΤ-Mt
annähernd konstant und kleiner als 5 C/min ist.
5· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
nach der Eindiffusion des Dotierstoffes bei der Temperatur T der Halbleiterkristall bis zu einer ersten Haltetemperatur
TH1 m^t einer ersten Abkühlrate abgekühlt wird, dass dann
auf dieser Temperatur T der Halbleiterkristall getempert
nl
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und anschliessend gegebenenfalls über weitere Zwischenstufen
(Haltetemperaturen: Tup>**"»THn^ auf zimmertemPeratur~abSe~
kühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abkühlrate zwischen T„ und T„_ sowie zwischen den weiteren
Cj
Xli.
Haltetemperaturen Tuo , Tu_ ,..., T„ kleiner als 5°C/min
iid iij iin
gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
nach der Eindiffusion des Dotierstoffes bei der Temperatur T_ der HalbleiterkristalEmit einer Abkühlrate ^T/At ">
5°C/min bis zu einer Haltetemperatur T„ abgekühlt wird, dass der Halbleiterkristall
dann bei dieser Temperatur T„ getempert wird und anschliessend auf Zimmertemperatur weiter abgekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
T1^IlOO0C und.T„>900°C sind, wobei T^ - <?υ£ζ 50°C ist,
Ji Xl Ci Xl
und die Temperungsdauer mindestens 7 Stunden beträgt.
BBC. Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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