DE2735769C3 - Method for setting the minority charge carrier lifetime in semiconductor components made of single-crystal silicon - Google Patents
Method for setting the minority charge carrier lifetime in semiconductor components made of single-crystal siliconInfo
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Description
Die Hrfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der Minoritätsladungsträgerlebensdauer in Halbleiterbauelementen aus einkristallinem Silizium durch Eindiffusion von Platin als Rekombinationszentren in einen Halbleiterkörper mit einer Zonenstruktur aus eindiffundierten Zonen verschiedenen Leitungstyps und unterschiedlich hoher Dotierungskonzentration. The invention relates to a method for Adjustment of the minority carrier lifetime in semiconductor components made of single-crystal silicon by diffusion of platinum as recombination centers into a semiconductor body with a zone structure from diffused zones of different conductivity types and different high doping concentrations.
Ein solches Verfahren ist durch die US-PS 3 640 783 (1972) in einer abgewandelten Art bekannt, wobei Platin neben Gold zur Einstellung der Minoritätsladungsträgerlebensdauer (im folgenden durch die Abkürzung MIL bezeichnet) verwendet wird und mittels der Kathodenzerstäubung in Form einer dünnen, bis zu 0,2 um starken, Schicht auf einem Halbleiterkörper aufgebracht wird.Such a method is known from US Pat. No. 3,640,783 (1972) in a modified manner, where platinum, along with gold, is used to set the minority charge carrier lifetime (in the following by the Abbreviation MIL) is used and by means of cathode sputtering in the form of a thin, up to 0.2 µm thick, layer on a semiconductor body is applied.
Durch »Journal of Applied Physics«, Bd. 47, Nr. 7 (1976), S. 3172-3176, ist ein Verfahren der eingangs angegebenen Art bekannt, bei dem Platin allein als Rekombinationszentren verwendet wird. Dabei wird Platin (IV)-oxid in Aceton aufgeschlemmt und als platinhaltige Stoffquelle auf einen Halbleiterkörper aufgebracht. Das Platin (IV)-oxid zerfällt bei hohen Temperaturen und kann in den Halbleiterkörper eindiffundieren. By "Journal of Applied Physics", Vol. 47, No. 7 (1976), pp. 3172-3176, a method of the opening known species in which platinum is used alone as recombination centers. It will Platinum (IV) oxide suspended in acetone and applied to a semiconductor body as a source of material containing platinum upset. The platinum (IV) oxide decomposes at high temperatures and can diffuse into the semiconductor body.
Eine andere Variante des eingangs angegebenen Verfahrens, die vielfach angewendet wird, besteht darin, daß vor dem Aufbringen der platinhaltigen Stoffquelle eine dünne Phosphorschicht in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eindiffundiert wird und dann abgetragen wird. Dabei wird eine im Halbleiter vorhandene Konzentration von Rekombinationszentren aus Gold durch die Getterwirkung des Phosphors verringert. Durch das anschließende Aufbringen desThere is another variant of the method specified at the outset, which is often used in that before applying the platinum-containing substance source, a thin layer of phosphorus in the surface of the semiconductor body is diffused and is then removed. There is one in the semiconductor existing concentration of recombination centers from gold due to the getter effect of phosphorus decreased. The subsequent application of the
Platins und dessen Eincliffundieren bei hohen Temperaturen wirkt schließlich nur dieses als Lebensdauerherabsetzer. Um die MIL ungefähr bei 1 μ$ einzustellen, sind Konzentrationen der Rekombinationszentren aus Platin von nahezu 1015 cm"3 im Halbleiter notwendig. Es werden solche Konzentrationen jedoch erst bei Diffusionstemperaturen oberhalb von 900° C und bei langen Diffusionszeiten oder bei viel höheren Temperaturen und entsprechend kürzeren Diffusionszeitenerreicht (K. Roy, »NeueTechnologien für Silizium-Leistungsbauelemente«, Bundesministerium für Forschung und Technologie, Forschungsbericht T 76-32, Juli 1976). Bei Anwendung langer Diffusionszeiten kann die MIL nur dann reproduzierbar eingestellt werden, wenn zuvor eine genügend ergiebige platinhaltige Stoffquelle auf dem Halbleiter aufgebracht worden ist. Jedoch bilden sich bei Diffusionstemperaturen um 900° C herum Platin-Silizium-Verbindungen an der Oberfläche des Halbleiters aus, so daß die Oberflächenkonzentration des Platins nicht mehr konstant bleibt und nicht mehr genügend Rekombinationszentren in den Halbleiterkörper eindiffundieren können. Durch Versuche wurde festgestellt, daß deshalb die in Schichten oder Zonen vom n-Leitungstyps eindiffundierten Rekombinationszentren aus Platin mit zu geringen und von Probe zu Probe schwankenden Konzentrationen vorhanden sind.Ultimately, platinum and its cliffusion at high temperatures is the only thing that reduces the service life. In order to set the MIL at approximately 1 μ $ , concentrations of the recombination centers made of platinum of almost 10 15 cm " 3 in the semiconductor are necessary. However, such concentrations are only achieved at diffusion temperatures above 900 ° C. and with long diffusion times or at much higher temperatures and correspondingly shorter diffusion times achieved (K. Roy, "New Technologies for Silicon Power Components", Federal Ministry for Research and Technology, Research Report T 76-32, July 1976). When using long diffusion times, the MIL can only be set reproducibly if it is sufficiently economical beforehand platinum-containing substance source has been applied to the semiconductor. However, at diffusion temperatures around 900 ° C, platinum-silicon compounds form on the surface of the semiconductor, so that the surface concentration of the platinum no longer remains constant and sufficient recombination centers no longer diffuse into the semiconductor body can. Experiments have shown that the recombination centers of platinum diffused into layers or zones of the n-conductivity type are therefore present with concentrations that are too low and that vary from sample to sample.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren zur Einstellung der Minoritätsladungsträgerlebensdauer in Halbleiterbauelementen aus einkristallinem Silizium so abzuändern, daß auch bei Bauelementen, in denen Oberflächenzonen hoher Dotierungskonzentration des n-Leitungstyps ausgebildet werden, die Eindiffusion von Platin bei weitaus geringeren Temperaturen als 95ΓΓ C mii ausreichender Konzentration und reproduzierbar durchführbar ist.The invention is based on the object of the initially specified method for setting the minority charge carrier life in semiconductor components made of monocrystalline silicon so that even with components in which surface zones high doping concentration of the n-conductivity type are formed, the diffusion of platinum at temperatures much lower than 95ΓΓ C mii sufficient concentration and reproducible.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei der Ausbildung einer Zonenstruktur mit einer Oberflächenzone hoher Dotierungskonzentration des n-Leitungstyps vor der Eindiffusion von Platin ein Zusatzelement mit in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird, das einen größeren Atomdurchmesser als das Siliziumatom hat.This is achieved according to the invention that in the formation of a zone structure with a Surface zone of high doping concentration of the n-conductivity type in front of the indiffusion of platinum Additional element is diffused into the semiconductor body with a larger atomic diameter than has the silicon atom.
Es bildet diese erfindungsgemäße Maßnahme erst die Vorraussetzung dafür, daß in einem Halbleiterkörper aus einkristallinem Silizium die Minoritätsladungsträgerlebensdauer MIL durch Eindiffusion von Platin reproduzierbar eingestellt werden kann. Dies geschieht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß das Platin bei Temperaturen von 500° C bis 950° C in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird, und daß die Minoritätsladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper nach Maßgabe der Diffusionszeit und der Platinmenge in der Dotierungsstoffquelle eingestellt wird.This measure according to the invention only forms the prerequisite for that in a semiconductor body from monocrystalline silicon the minority charge carrier lifetime MIL by diffusion of Platinum can be set reproducibly. This is done according to a preferred embodiment the invention in that the platinum at temperatures of 500 ° C to 950 ° C in the semiconductor body is diffused in, and that the minority charge carrier lifetime in the semiconductor body according to the measure the diffusion time and the amount of platinum in the dopant source is set.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme führt dazu, daß das Diffusionsverhalten des Platins, das infolge seiner dissoziativen Duffusion schnell über das Zwischengitler und langsam über Gitterplätze in den Halbleiter eindiffundiert, ausnutzbar wird.The application of the measure according to the invention leads to the fact that the diffusion behavior of the Platinum, which, as a result of its dissociative duffusion, quickly over the interstitial and slowly over the Lattice sites diffused into the semiconductor, is exploitable.
Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechend wird bei der Eindiffusion von Phosphor Antimon in den Halbleiterkörper mit eindiffundiert. According to a further preferred embodiment of the invention, in the diffusion of Phosphorus antimony diffused into the semiconductor body.
Vorteile der Erfindung werden darin gesehen, daß eine befriedigend homogene Verteilung der Platin-Advantages of the invention are seen in the fact that a satisfactory homogeneous distribution of the platinum
atome in Siliziumbauelementen schon bei verhältnismäßig niederen Diffusionstemperaturen erzielbar ist.atoms in silicon components can be achieved even at relatively low diffusion temperatures is.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sehr einfach und mit Erfolg ausführbar bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen aus Silizium, deren Halbleiterkörper eine Zwei- oder Mehrzonenstruktur erhalten, beispielsweise pn-, pnn+-, p+n-, pnpn+- und pn+npn+-Strukturen, bei denen also je eine Zone des n-Leitungstyps, die eine normale oder eine hohe Dotierungskonzentration haben kann, als Emitter eine Oberflächenzone bildet. Wird eine solche Zonenstruktur durch Eindiffusion von z. B. Gallium- und Phosphoratomen in dem Halbleiterkörper hergestellt, so wird der p-Emitter z. B. durch Eindiffusion von Galliumatomen, der η-Emitter durch Eindiffusion von Phosphoratomen ausgebildet. Durch die in den Halbleiter eindiffundierten Phosphoratomen, deren Durchmesser nahezu so groß wie der Durchmesser der Siliziumatome ist, wird das Siliziumgitter weniger deformiert als durch in den Halbleiter eindiffundierte Dotierungsatome, wie das Antimon, mit größerem Durchmesser als der Durchmesser der Siliciumatome. Durch in den Halbleiter eindiffundierte Dotierungsatome wie Antimon wird das Kristallgitter des Siliziums nicht nur deformiert, es werden außerdem Leerstellen in erhöhter Konzentration erzeugt. Antimonatome werden deshalb bei der Ausbildung des n-Emitters durch Eindiffusion von Phosphoratomen mit in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Es bewirkt dieser Dotierungszusatz, daß bei der sich anschließenden Eindiffusion des Platins zur Herabsetzung der MlL auf z. B. 1 \ts die Platinatome bei etwa 900° C und einer Diffusionszeit von 1 h genügend schnell und weit in den Halbleiterkörper eindringen und sich auf die Leerstellen verteilen können. Die elektrischen Daten des Halbleiterbauelementes werden hierdurch kaum merklich verändert. Dadurch, daß bei etwa 900° C das Platin auch in genügender Menge in den Halbleiterkörper eindiffundiert, kann die MIL in beliebigen Bereichen des Halbleiterkörpers auf Werte kleiner als 1 us herabgesetzt werden und sie kann, weil sich bei dieser Diffusionstemperatur die unerwünschten Platin-Silizium-Verbindungen nicht bilden können, gut reproduzierbar eingestellt werden. Es kann sich bei dieser Diffusionstemperatur auch keine Verminderung des Sperrvermögens des anwendungsfertigen Halbleiterbauelementes ergeben.The method according to the invention is very simple and can be carried out successfully in the production of semiconductor components made of silicon, the semiconductor bodies of which have a two- or multi-zone structure, for example pn-, pnn + -, p + n-, pnpn + - and pn + npn + -Structures in which a zone of the n-conductivity type, which can have a normal or a high doping concentration, forms a surface zone as an emitter. If such a zone structure by diffusion of z. B. gallium and phosphorus atoms produced in the semiconductor body, the p-emitter z. B. by diffusion of gallium atoms, the η emitter is formed by diffusion of phosphorus atoms. Due to the phosphorus atoms diffused into the semiconductor, the diameter of which is almost as large as the diameter of the silicon atoms, the silicon lattice is less deformed than by doping atoms diffused into the semiconductor, such as antimony, with a diameter larger than the diameter of the silicon atoms. Doping atoms such as antimony that have diffused into the semiconductor not only deform the crystal lattice of silicon, but also create vacancies in increased concentration. Antimony atoms are therefore diffused into the semiconductor body when the n-emitter is formed by diffusion of phosphorus atoms. This doping additive has the effect that during the subsequent diffusion of the platinum to reduce the MIL to z. B. 1 \ ts the platinum atoms at about 900 ° C and a diffusion time of 1 h can penetrate sufficiently quickly and far into the semiconductor body and spread over the vacancies. The electrical data of the semiconductor component are hardly noticeably changed as a result. Because the platinum diffuses into the semiconductor body in sufficient quantities at around 900 ° C, the MIL can be reduced to values less than 1 microsecond in any areas of the semiconductor body and it can, because at this diffusion temperature, the undesired platinum-silicon Unable to form connections, can be set in a reproducible manner. At this diffusion temperature, there can also be no reduction in the blocking capacity of the ready-to-use semiconductor component.
Die Platinbelegung in der Stoffquelle auf dem Halbleiterkörper für die Einstellung der Minoritätsladungsträger (MIL) kann mittels eines Aufdampfprozesses hergestellt weraen, wobei eine Schicht von maximal 0,1 μΐη aufgebracht wird, oder es kann elementares Platin in einer Stärke von 0,05 μΐη bis maximal 0,1 μΐη aus einer Lösung von Hexachloroplatinsäure, Flußsäure und Wasser stromlos abgeschieden werden.The platinum coverage in the substance source on the semiconductor body for setting the minority charge carriers (MIL) can be produced by means of a vapor deposition process, with a maximum layer of 0.1 μΐη is applied, or it can be elemental platinum in a thickness of 0.05 μΐη to maximum 0.1 μΐη from a solution of hexachloroplatinic acid, Hydrofluoric acid and water are deposited without electricity.
Dabei werden die zu belegenden Halbleiterscheiben in einer Lösung aus 1 g H2PtCl6 · 6H2O (Hexachloroplatin-IV-Säure), 400 ml deionisiertem Wasser und 300 ml 40% HF (Flußsäure) bewegt. Die Bewegungszeit beträgt ca. 10 Minuten. Die dann belegten Halbleiterscheiben werden mit deionisiertem Wasser abgespült und getrocknet. Anschließend wird das Platin bei einer Temperatur von 900° C bis 930° C 1 Stunde lang eindiffundiert, so daß dann nach diesem Beispiel die Minoritätsträgerlebensdauer auf Werte von 0,6 bis 0,7 us eingestellt ist.The semiconductor wafers to be coated are moved in a solution of 1 g of H 2 PtCl 6 · 6H 2 O (hexachloroplatinic acid), 400 ml of deionized water and 300 ml of 40% HF (hydrofluoric acid). The exercise time is approx. 10 minutes. The semiconductor wafers then covered are rinsed with deionized water and dried. The platinum is then diffused in at a temperature of 900 ° C. to 930 ° C. for 1 hour, so that the minority carrier life is then set to values of 0.6 to 0.7 μs according to this example.
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