DE3117202A1

DE3117202A1 - Verfahren zum einstellen der lebensdauer der minoritaetsladungstraeger in halbleiterschaltern mit protonenstrahlen

Info

Publication number: DE3117202A1
Application number: DE19813117202
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. 6900 Heidelberg Berndt; Peter Dr. 8173 Neerach-Ried Roggwiller
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE3117202C2

Description

Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer der Minoritäts-
ladungsträger in Halbleiterschaltern mit Protonenstrahlen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in Halbleiterschaltern durch Bestrahlen der Silizium-Elemente mit Protonenstrahlen unter Bildung von lokalen Ladungsträger-Rekombinationszentren in einem Bereich, der an den blockierenden pn-Übergang angrenzt.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 27 11 361 bekannt.
Gemäß diesem bekannten Verfahren werden Halbleiterschaltelemente nur von einer Seite bzw. Hauptfläche, und zwar von der Kathodenseite aus, mit Protonen bestrahlt. Die Energie der Protonen ist so eingestellt, daß das Maximum der im Silizium-Kristall gebildeten Gitterfehlstellen, die später als Rekombinationszentren wirken, angrenzend zum blockierenden pn-Übergang zu liegen kommt, und zwar in der Zone mit dei höheren Uotierungskoniientration. Ein etwaiger Tempervorgang im Anschluß an die Bestrahlung, wie er in anderem Zusammenhang bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen schon bekannt ist, wird bei dem Verfahren der DE-OS 27 11 361 ausdrücklich ausgeschlossen.
Es ist ferner bekannt, die Lebensdauer der Minoritätsladungs träger durch einen gezielten Einbau von Schwermetallatomen, wie Gold oder Platin, in den Kristall einzustellen. Ferner ist es bekannt, Störstellen im Kristall durch Bestrahlung mit .~chn<lien elektronen herzustellen. Nachteilig bei der Schwermetall-Diffusion ist die ungenügende Reproduzierbarkeit sowie die Tatsache, daß es sich dabei um einen Hochtemperaturprozeß handelt. Außerdem liefern die Schwermetall-Diffusion ebenso wie die Elektronenbestrahlung eine angenähernd homogene Verteilung der Störstellen im Volumen mit einer starken Überhöhung an der Oberfläche.
Aus der DE-OS 29 17 786 ist ein Verfahren zur Verringerung der Freiwerdezeit von Thyristorelementen durch Einstellung einer niedrigen Träqerlebensdauer bekannt, bei der das Thyristorelement einer EiektronEnstrahlung mit einer Energie > 1 MeV ausgesetzt wird. Die Thyristorelemente sind zuvor in herkömmlicher Technik mit Gold oder Platin diffundiert worden und die Bestrahlung mit Elektronen dient lediglich zur weiteren Herabsetzung der Ladungsträgerlebensdauer in lokal begrenzten Bereichen. Die Steuerung der Elektronenstrahlung soll dabei so getroffen werden, daß die betriebswirksamen pn-Übergänge zwischen p-Basis- und n-Basis-Zone sowie zwischen n-Basis- und p-Emitterzone nicht beeinflußt werden.
Demgegenüber hat die Verwendung von schweren Teilchen, wie Protonen wesentliche Vorteile. Protonen haben eine scharf begrenzte, energie abhängige Reichweite im Festkörper mit einem stark ansteigenden Ionisationsvermögen gegen Ende der Eindringtiefe. Protonen im Energiebereich von einigen MeV werden beim Eindringen in den Festkörper hauptsächlich durch elastische Stöße mit den Gitterelektronen abgebremst; ein kleiner Teil der Energie wird durch Coulomb-Wechselwirkung auf Rückstoßatome, die dabei den Gitterplatz verlassen, übertragen.
Es ist deshalb möglich, durch Protonenbeschuß ein Profil mit verminderter Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in einer vorgewählten Tiefe des Bauelementes zu erzeugen.
Es ist bekannt, daß Defekte im Silizium-Gitter ausheilen können zum Teil bereits bei Raumtemperatur, im wesentlichen jedoch bei erhöhten Temperaturen, wie sie beim Betrieb von Halbleiterschaltern, wie Thyristoren auftreten. Verfahren, die ohne eine Stabilisierung der Rekombinationszentren arbeiten, sind deshalb mit äußerster Vorsicht zu verwenden. Ferner ist ohne weiteres einzusehen, daß der Ort, an dem die Zone mit erhöhter Rekombinationszentrenzahl gebildet wird, von besonderem Einfluß auf die elektrischen Daten des so behandelten Halbleiterschalters ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art inzugeben,welches es erlaubt, die Sperrverzugsladung und die Rückstromspitze sowie die Sperrverzögerungszeit gezielt zu verringern, ohne daß andere elektrische Parameter, wie Sperrstrom, Durchlaßspannungsabfall und Zündfähigkeit verschlechtert werden, das die Herstellung von langzeitstabilen Elementen gestattet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die fertig diffundierten und zur Kontaktierung metallisierten Elemente von der Anodenseite her mit Protonendosen zwischen ca. 3 und ca.
13 x 101l H+/cm2 und von der Kathodenseite mit Protonendosen zwischen ca. 1 und ca. 20 x 1011 H+/cm2 bestrahlt werden, daß die Energie der Protonen so eingestellt wird, daß die Konzentrationsmaxima der Rekombinationszentren hinter dem anoden- bzw. kathodenseitigen pn-Übergang in der niedrigdotierten Basiszone liegen, und daß die bestrahlten Elemente abschließend in einer Inertgasatmosphäre getempert werden.
Bol dem erfintlungsyemäBen Verfahren wird somit im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren von beiden Seiten, d.h.
von der Anoden- und der Kathodenseite her nacheinander bestrahlt und die Strahlung wird so gesteuert, daß beide Konzentrationsmaxima der Rekombinationszentren hinter den anoden- bzw. kathodenseitigen pn-Übergang zu liegen kommen, d.h. im Falle von Thyristoren in der niedrigdotierten anodenseitigen Basiszone. Außerdem werden die bestrahlten Elemente getempert, wobei die wenig stabilen Rekombinationszentren beseitigt werden. Durch die Temperbehandlung ist es darüber hinaus möglich, durch Anwendung zu hoher Protonendosen entstandene strahlungsdefekte wieder auszuheilen, so daß eine im VeErglelch zur bekannten Schwermetall-Diffusion wesentlich exaktere Einstellung der Parameter des fertigen Halbleiterschalters möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung liegen die Konzentrationsmaxima etwa 10 bis 20 Zm hinter den jeweiligen pn-Übergängen. Dies hat den Vorteil, daß der wesentliche Teil der hochohmigen Basiszone, der für die Sperrspannungsfestigkeit sowie für den Durchlaflspannungsabfall verantwortlich ist, unveränderlich bleibt.
Vorzugsweise werden die Elemente etwa 1 Stunde bei Temperaturen bis ca. 400 0c vorzugsweise in Helium getempert.
Die Temperatur muß immer über der maximalen Betriebstemperatur liegen.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einstellung der Sperrverzögerungszeit bei schnellen Thyristoren wird die Anodenseite der Elemente vorzugsweise mit Dosen von 5 bis 12,5 x 1011 H+/cm2 und die Kathodenseite vorzugsweise mit Dosen von 8 bis 20 x 1011 14+/cm2 bestrahlt.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einstllung der Sperrverzugsladung und der Rückstromspitze bei Netz-Thyristoren wird die Anodenseite der Elemente vorzugsweise mit Dosen von 3,5 bis 13 x 1011 in +/cm2 und die Kathodenseite mit Dosen von 1 bis 2 x 1011 H+/cm2 bestrahlt.
Die Energie der Protonen wird jeweils so eingestellt, daß das Konzentrationsmaximum der Rekombinationszentren etwa 10 bis 20 Zm tiefer als der jeweilige pn-Übergang liegt.
Die angegebenen Protonendosen ergeben zusammen mit der nachfolgenden Temperung Bauelemente, bei denen die gewünschten Parameter gezielt niedrig eingestellt werden können, ohne daß die anderen elektrischen Parameter verschlechtert werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 die Abhängigkeit des Durchlaßspannungsabfalls UT von der Sperrverzögerungszeit tq von nach verschiedenen Verfahren hergestellten F#requenz-Thyristoren, Fig. 2 die Abhängigkeit der Sperrverzugsladung Qrr vom Durchlaßspannungsabfall UT bei nach verschiedenen Verfahren hergestellten Netz-Thyristoren, Fig. 3 die Abhängigkeit der Rückstromspitze Irr vom Durchlaßspannungsabfall UT für nach verschiedenen Verfahren hergestellten Netz-Thyristoren, Fig. 4 einen auszugsweisen Querschnitt durch ein Thyristorelement und Fig. 5 den Einfluß der Temperbehandlung bei verschiedenen Temperaturen auf die durch die Protonenstrahlung gebildeten Rekombinationszentren.
Beispiel 1: Die Einstellung der Sperrverzöyerungszeit tq an Frequenz-Thyristoren wurde wie folgt vorgenommen: Die Thyristoren wurden im fertig diffundierten und zur Kontaktierung metallisierten Zustand von der Anodenseite her mit Protonendosen von 5 bis 12,5 x 1011 14 H+/cmZ bestrahlt. Die Protonenenergie war derart gewählt, daß das Konzentrationsmaximum der Rekombinationszentren ca. 1() bis 20 Zm hinter dem anodenseitigen pn-Übergang in der niedrig dotierten Basiszone der Thyristoren zu liegen kam. Dies entsprach in dem konkreten Fall einer Tiefe von ca. 90 µm und damit einer Strahlenergie von ca. 3,0 MeV. Von der Kathodenseite her wurden die Elemente mit Protonen derselben Energie bestrahlt.
Die kathodenseitig çplizierten Dosen lagen im Bereich von 8 bis 20 x 1011 H+/cm2. Daran anschließend wurde eine Temperbehandlung bei 400 0c während einer Stunde unter Inertgas durchgeführt.
r)ie Fig. 1 zeigt anhand eines Diagrammes, in dem die Abhängigkeit des Durchlaßspannungsabfalls UT von der Sperrv<r zöcJerunqsz#it tq dargestellt ist, die Ergebnisse einer Versuchsreihe mit Protonenbestrahlung im Vergleich zu den Ergebnissen, wie sie mit der herkömmlichen Gold-Diffusion erreichbar sind. Mit Kreuzen sind die Meßergebnisse von Gold-diffundierten Thyristoren dargestellt, mit Dreiecken, Kreisen und Punkten die Meßergebnisse von Protonen-bestrahlten Thyristoren derselben Baureihe. Die anodenseitige Strahlungsdosis betrug jeweils 5 x 1011 H4+/cm. Die kathodenseitige Protonendosis betrug 19 x 1011 H+/cm2 (Dreiecke), 12,66 x 10 (Kreise) und 8,44x 101l H+/cm2 (Punkte).
H+/cm2 und 8,44 x 1011 + 2 Man erkennt, daß die mit Protonen bestrahlten Thyristoren bei gleicher Sperrverzögerungszeit # tq einen niedrigeren Durchlaßspannungsabfall riT bzw. bei gleichem Durchlaßspannungsabfall UT eine geringere Sperrverzögerungszeit tq aufweisen.
Beispiel 2: An Netz-Thyristoren wurden instellungen der Sperrverzugsladunq Qrr und der Rückstromspitze Irr wie folgt vorgenommen: Die Thyristoren wurden im fertig diffundierten und zur Kontaktierung metallisierten Zustand von der Anodenseite her mit Protonendosen von 3,5 bis 13 x 1011 14+/cm2 bestrahlt. Die Protonenenefljie war so gewählt, daß das Konzentrationsmaximum der Rekombinationszentren ca. 10 bis 20 hinter dem anodenseitigen pn-Übergang in der niedrig dotierten Basiszone des Thyristors zu liegen kam. Dies entsprach in dem konkreten Fall einer Tiefe von ca. 110 Zm und damit einer Strahlenergie von ca. 3,4 MeV. Von der Kathodenseite her wurden die Elemente mit Protonen einer Energie von 3,4 bis 4 MeV bestrahlt, was einer Tiefe der maximalen Konzentration der Rekombinationszentren von 110 bis 140 Zm entsprach. Die Dosis lag hier in einem Bereich von 1 bis 2 x 1011 H+/cm2. Daran anschließend wurde eine Temperbehandlung bei 400 0c über eine Zeitdauer von 1 Stunde unter Heliumatmosphäre durchgeführt. Schließlich wurden die so behandelten Thyristor-Aktivteile in herkömmlicher Technik weiter verarbeitet und verkapselt.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm, welches die Abhängigkeit der Sperrverzugsladung Q vom Durchlaßspannungsabfall UT darstellt, die Ergebnisse der Protonenbestrahlung im Vergleich zur herkömmlichen Gold-Diffusion. Die Ergebnisse der Gold-Diffusion sind wieder durch Kreuze dargestellt; die Ergebnisse der Protonenbestrahlung mit Dreiecken, Kreisen und Punkten. In diesem Beispiel wurden die anodenseitig apiizierten Protonendosen variiert, während die kathodenseitiqen Dosen jeweils konstant gehalten sind. Die anodenseitigen Dosen betrugen im einzelnen 8,44 x 1011 H+/cm2 (Dreiecke), 5,625 x 1011 H+/cm2 (Punkte) und 3,75 x 101t /cm2 (Kreise). Die kathodenseitige Dosis lag in allen drei Fällen bei 1 x 1011 H+/cm2.
Man erkennt, daß mit Hilfe der Protonenbestrahlung wesentlich geringere Werte der Sperrverzugsladung Qrr bei noch tCij(ri<irbarCm i)urchlaBspannungsabfall UT erreichbar sind al mit zwar hesrkömmLichen Gold-Diffusionstechnik.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Rückstromspitze Irr in Abhängigkeit vom Durchlaßspannungsabfall UT, wie sie mit den erläuterten Versuchsbedingungen erreichbar sind. Man erkennt, daß auch hier die Rückstromspitze durch die erfindungsgemäße Protonenbestrahlung gesenkt werden konnte, ohne daß der Durchlaßspannungsabfall übermäßig ansteigt. Auffallend ist, daß diel rr -Meßwerte der mit Gold diffundierten Elemente wesentlich stärker streuen als die Meßwerte der mit Protonen bestrahlten Elemente.
Fig. 4 zeigt einen auszugweisen Querschnitt durch den Aktivteil eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Thyristors. Man erkennt auf der Seite der Kathode K eine Metallisierung 1, eine Emitterzone 2, eine emitterseitige Basiszone 3, eine anodenseitige Basiszone 5, eine Anodenzone 7 und eine Metallisierung 8 für die Anode 8. Man erkennt ferner einen sperrenden pn-Übergang 4 zwischen der kathodenseitigen Basiszone 3 und der anodenseitigen Basiszone 5 sowie einen weiteren pn-Übergang 6 zwischen der anodenseitigen Basiszone 5 und der Anodenzone 7. Die anodenseitige Basiszone 5 ist schwach dotiert und besonders dick; ihre wesentliche Aufgabe ist es, die Sperreigenschaft des Thyristors zu gewährleisten. Man erkennt ferner das Konzentrationsmaximum 9 der kathodenseitig erzeugten Rekombinationszentren, welches sich von der Kathode K aus gesehen etwa 10 bis 20 /um hinter dem pn-Übergang 4 befindet. Man erkennt weiterhin das Konzentrationsmaximum 10 der anodenseitig erzeugten Rekombinationszentren, welches sich von der Anode A aus gesehen ebenfalls 10 bis 20 Zm hinter dem pn-Übergang 6 befindet. Man sieht somit, daß durch die b(idseitige Bestrahlung mit Protonen zwei Bereiche mit vermehrten Rekombinationszentren hergestellt werden können, ohne daß der überwiegende Teil der hochsperrenden Basiszone 5 beeinflußt wird.
Fig. 5 zeigt den Einfluß der Temperung bei verschiedenen Temperaturen mit Hilfe der Messung des thermisch stimulierten Stromes (TSC) aus der Raumladungszone eines gesperrten pn-Übergangs. Dieses Meßverfahren ist geeignet zur Untersuchung von Störstellen im Halbleiter mit tief liegenden Energiezuständen. Die Messung beruht darauf, daß freie Ladungsträger durch die tiefen Störstellen eingefangen und durch thermische Anregung wieder emittiert werden. Die Fmissionswahrscheinlichkeit ist stark temperaturabhäncjig und gleichzeitig eine Funktion der Energielage des Störniveaus.
Gemessen wird der Anteil des Sperrstroms, der durch die thermisch freigesetzten Ladungsträger erzeugt wird.
Kurve 0 zeigt die Meßergebnisse unmittelbar nach der Protonenbestrahlung ohne vorherige Temperung, Kurve 1 zeigt die Ergebnisse nach einer einstündigen Temperung bei 2500C Kurve 2 nach einer einstündigen Temperung bei 350 0c und Kurve 3 nach einer einstündigen Temperung bei 400 0c. Man erkennt, daß die Zahl der Rekombinationszentren wie erwartet mit steigender Tempertemperatur abnimmt. Negative Auswirkungen der steigenden Tempertemperaturen auf die elektrischen Parameter der Thyristoren konnten jedoch nicht festgestellt werden, so daß durch zu hohe Protonendosen ausgelöste Kristalldefekte nachträglich wieder auszuheilen sind.

Claims

An sprüche 1. Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in Halbleiterschaltern durch Bestrahlen der Silizium-Elemente mit Protonenstrahlen unter Bildung von lokalen Ladungsträger-Rekombinationszentren in einem Bereich, der an den blockierenden pn-Übergang angrenzt, dadurch gekennzeichnet1 daß die fertig diffundierten und zur Kontaktierung metallisierten Elemente von der Anodenseite (A) her mit Protonendosen zwischen ca. 3 x So 1 H+/cm2 1011 H+ und ca. 13 x 10 H+/cm2 und von der Kathodenseite (K) her 11 H+/cm und 2 mit Protonendosen zwischen ca. 1 x 10 H /cm und ca.

20 x 10 H+/cm2 bestrahlt werden, daß die Energie der Protonen so eingestellt wird, daß die Konzentrationsmaxima (10,9) der Rekombinationszentren hinter dem anoden- bzw.

kathodenseitigen pn-Übergang (6, 4) in der niedrig dotierten Basiszone (5) liegen, und daß die bestrahlten Elemente abschließend in einer Inertgasatmosphäre getempert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzelchn(t, daß die Konzentrationsmaxima (9, 10) etwa 10 bis 20 zum hinter den pn-Übergängen (4, 6) liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente etwa 1 Stunde bei ca. 4000C getempert werden.
4, Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in helium getempert werden.
r>. Anwendung d##s Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur !instellunq der Sperrverzögerungszeit (tq) bei schnellen Thyristoren, gekennzeichnet durch eine Bestrahlung der Anodenseite (A) der Elemente mit Dosen von 5 bis 12,5 x 1011 H+/cm2 und der Kathodenseite (K) mit Dosen von 8 bis 20 x 1011 H+/cm2.
6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Einstellung der Sperrverzugsladung (Qrr) und der Rjjr:kstromspätzr (Irr ) bei Netz-Thyristoren, gekennzeichnet durch eine Bestrahlung der Anodenseite (A) der Elemente 11 H+/cm und der mit Dosen von 3,5 bis 13 x 10 H /cm und der Kathodenseite (K) mit Dosen von 1 bis 2 x 1011 H+/cm2.