DE3339393C2 - Verfahren zur Herstellung einer unterhalb einer äußeren hochdotierten Zone liegenden s-n-Zonenfolge einer Halbleiterstruktur aus Silicium - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer unterhalb einer äußeren hochdotierten Zone liegenden s-n-Zonenfolge einer Halbleiterstruktur aus Silicium

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer unterhalb der äußeren hochdotierten Zone liegenden n-dotierten Zone einer Halbleiterstruktur; derartige Zonen sind u. a. bei Halbleiter-Leistungsbauelementen, wie Thyristoren o. dgl. erforderlich und werden in Tiefen von einigen 10 μm bisher mittels aufwendiger Diffusions- und Epitaxieverfahren erzeugt. Gemäß der Erfindung erfolgt die Erzeugung einer derartigen n-dotierten Zone (5) mittels Protonenbestrahlung sowie Temperung; durch Temperung wird ein Teil der zusätzlich erzeugten, als Rekombinationszentren wirkenden Strahlungsdefekte, die sich im Bereich (10) von der bestrahlten Oberfläche (11) der Struktur (1) bis einschließlich der durch die Bestrahlung erzeugten n-dotierten Zone (5) bilden, ausgeheilt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß sich in einkristallinem Silicium durch Protonenbestrahlung und nachfolgende Temperung eine η-dotierte Zone in der Tiefe bis zu einigen 10 μπι herstellen läßt (Phys. Stat. Sol. (a), Bd. 22, Seiten K 55-K 57/1974. Verwendet werden hierfür Beschleunigungsenergien von 6 MeV und es erfolgt eine anschließende Temperung, wobei die maximale Konzentration nach Temperung bei 4750C einer Elektronenkonzentration 20% der Anzahl der Protonen entspricht. Untersuchungen über das Rekombinationsverhalten sind der Druckschrift nicht zu entnehmen. Es ist auch bekannt, daß mittels Protonenbestrahlung und anschließender Temperung in begrenzter Tiefe Rekombinationszentren erzeugt werden (DE-OS 31 17 202). Hauptanwendungsgebiet dafür sind Thyristoren, bei denen damit die Ladungsträgerlebensdauer auf die gewünschten Werte und die elektrischen Eigenschaften beeinflußt werden.
Es sind ferner Thyristorstrukturen von n+pinp+-Typ bekannt, bei denen die Hauptbasis aus einer undotierten (intrinsischen) oder schwach n- oder p-dotierten Zone besteht (IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED 23, 1976, S. 823—825). Dieser Hauptbasiszone schließen sich kathodenseitig eine p-Steuerbasiszone und eine äußere n+-Emitterzone, sowie anodenseitig eine η-Basiszone und eine äußere ρ+-Emitterzone an. Der Vorteil dieser Struktur besteht in der hohen Sperrfähigkeit der pin-Basisstruktur, die erlaubt, mit kleineren Basiszonendicken eine vorgegebene Sperrfähigkeit der Thyristoren und damit bessere Durchlaßeigenschaften oder dynamische Daten zu erreichen. Es ist schließlich bekannt, daß eine schwach dotierte Zone zwischen der Emitterzone und der Steuerbasiszone Vorteile für die Sperrstabilität, die du/dt-Festigkeit und die Schalteigenschaften von Thyristoren bringt (DE-OS 29 41 021); dies liegt daran, daß die Stromverstärkung des dem betreffenden Emitter zugehörigen Teiltransistors bei kleinen Strömen vermindert ist, insbesondere wenn die Lebensdauer im betreffenden Gebiet abgesenkt wird. Dadurch lassen sich auch ohne Emitternebenschlüsse bessere dynamische Daten erreichen.
π+ pinp+-Thyristoren sind in der Technologie aufwendig, weil die präzise Einstellung des Dotierungsprofils der an die p-Emitterzone angrenzenden η-Zone notwendig ist. Diese η-Zone wird in der Regel durch Epitaxic einer η-Schicht auf die schwach dotierte Basiszone erzeugt, oder durch eine Diffusion, beispielsweise nach Vorbelegung mittels Ionenimplantation. Die Epitaxie von relativ dicken η-dotierten Schichten auf schwach dotiertem Silicium ist ein — verglichen mit Diffusionsverfahren — aufwendiger Prozeß, bei dem das einhalten einer genauen, relativ schwachen Dotierung problematisch ist Es entsteht eine konstant dotierte Zone, in die durch bekannte Diffusionsverfahren dann eine p-Emitterzone eindiffundiert wird (IEEE Transactions aaO).
Wird die η-Zone durch Vordiffusionsverfahren hergestellt, so ist die genaue Einstellung des n-Profilverlaufes noch kritischer, da sich die endgültige Zone als Differenz zwischen dem n-Diffusionsprofil und dem p-Emitter-Ditfusionsprofil ergibt.
Die zusätzliche Erzeugung einer schwach dotierten Zwischenzone zwischen der zur pin-Struktur gehörigen η-Zone und der ρ+ -Emitterzone ist wünschenswert, da sich auf diese Weise analog zum Verfahren nach der vorher genannten DE-OS 29 41 021 die Stabilität der Thyristoren gegen unerwünschte Zündungen verbessern läßt und sich dadurch auch verbesserte Freiwerdezeiten ergeben. Die Herstellung dieser schwach dotierten Zwischenzone erfordert einen erheblich größeren Aufwand, denn entweder muß ein weiterer Epitaxieprozeß nach der Erzeugung der η-Zone angeschlossen werden, oder durch die Vordiffusion, beispielsweise mit Aluminium, muß durch Gegendotierung diese n-Dotierung wieder abgesenkt werden. Letzteres führt zu einer Kombination von Diffusionen, die die Einstellung der endgültigen Profile besonders aufv/cndig macht und die auch den Produktionsausschuß erhöht.
Die zusätzlich erwünschte Absenkung der Trägerlcbensdauer im Bereich der vor der p-Emitterzone liegenden Zone ist zwar prinzipiell durch das bekannte Verfahren der Golddiffusion möglich, jedoch wird diese Weise auch in der gesamten Thyristorstruktur die Trägerlebensdauer sehr stark abgesenkt, so daß sich relativ schlechte Durchlaßeigenschaften ergeben. Insbesondere für gateabschallbare Thyristoren ist eine starke Ab-Senkung der Trägerlebensdauer direkt vor dem Anodenemitter wünschenswert. Die Absenkung der Trägerlebensdauer in der der p-Emitterzone vorgelagerten Zone kann auch mittels Bestrahlung mit Protonen oder Alphateilchen erfolgen.
Somit sind die Erzeugung der η-Zone, die Erzeugung der schwach dotierten Zwischenzone und die Absenkung der Trägerlebensdauer in dieser Zwischenzone jeweils aufwendige Prozeßschritte, die zudem noch verschiedenartig spezielle Produktionsanlagen erfordern (Epitaxiereaktoren und Teilchenbeschleuniger bzw. implantationsanlage für hohe Teilchenenergie).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der genannten Art zu vereinfachen, wobei die Ladungsträgerlebensdauer auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann, ohne daß die anderen Eigenschaften des Halbleiterbauelements, z. B. der Durchlaßwiderstand, beeinträchtigt werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der genann-
3 4
ten Art erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des zahl ihrer Donatoren ist auf 5 · 1012/cm2 angestiegen.
Anspruches 1 gelöst Die Strahlenschäden der bisherigen Zonen tZ, 13 Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind (F i g. 2) sind zum Teil ausgeheilt und es ist eine einzige
den Unteransprüchen zu entnehmen. Zone 12" entstanden. In einer derart behandelten HaIb-
Durch die Erfindung werden insbesondere folgende 5 leiterstruktur sind Dotierung und Rekombinationsraten Vorteile erzielt bereits für Leistungsbauelemente geeignet Bauelemen- Der Konzentrationsverlauf der mittels Protonenbe- testrukturen, bei denen die p-Emitterzone durchstrahlt
strahlung erzeugten η-leitenden Zone ist bei Verwen- wurde, haben nach einer solchen Temperung günstige
dung in Thyristorstrukturen präzise einstellbar und Durchlaßspannungswerte, und gleichzeitig ist die Trä-
hängt nicht vom Dotierungsprofil der benachbarten p- io gerlebensdauer in gewünschter Weise verringert
Emitterzone ab. Durch die Protonenbestrahlung wird Nach einer weiteren Temperung bei 400°C verbrei-
zwischen der η-leitenden Zone und der benachbarten tert sich die dotierte n-Zone 5 geringfügig, wie aus der
p-Emitterzone eine Zone mit stark verminderter Trä- F i g. 4 ersichtlich, und die Leitfähigkeit der Zone 12"
gerlebensdauer gebildet so daß sich eine Erhöhung der wird stark reduziert
Rekombinationsrate nahe der Anode ergibt wodurch 15 Besteht die Forderung, eine sehr schmale n-dotierte bei Anwendung auf gateabschaltbare Thyristoren eine Zone 5 zu erzeugen, wobei die Ladungsträgerlebens-Verringerung des Schweifstromes nach dem Abschalten dauer hoch sein soll, so wird dies nicht durch Tempeerzielt wird. Wird die mittels Protonenbestrahlung er- rung bei hoher Temperatur und relativ langer Temperzeugte η-leitende Zone durch Wahl der Protonenbe- zeit erreicht da sich diese Zone verbreitert und ihre schleunigungsenergie in einer derartigen Tiefe erzeugt, 20 Leitfähigkeit verringert wird. Um dies zu vermeiden, daß zwischen der p-Emittercone und der so erzeugten erfolgt beispielsweise nach der Protonenbestrahlung ein-Zone eine deutlich ausgebildete schwach dotierte ne Temperung bei relativ niedriger Temperatur, bei-Zwischenzone entsteht, werden unerwünschte Zündun- spielsweise etwa 200 bis 3000C in einer Wasserstoffgen durch kapazitive Störströme weitgehend vermie- glimmentladung für beispielsweise etwa 1 bis 2 h, wobei den, was durch eine stark verminderte Trägerlebens- 25 gleichzeitig sowohl die η-dotierte Zone 5 gebildet wird, dauer in dieser schwach dotierten Zone unterstützt als auch die Strahlenschäden im Einschußbereich ausgewird. Dies ermöglicht die Herstellung rückwärts nicht heilt werden. Eine schmale η-dotierte Zone 5 mit hoher sperrender Thyristoren mit besonders geringer Frei- Ladungsträgerlebensdauer kann auch erzielt werden, werdezeit. indem nach der Protonenbestrahlung und der Tempe-
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der 30 rung zur Erzeugung der Zone 5 bei niedriger Tempera-Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbei- tür eine weitere Temperung bei niedriger Temperatur, Spieles näher erläutert. Es zeigt etwa 200 bis 3000C, in einer Wasserstoffglimmentla-
F i g. 1 die Bestrahlung einer Siliciumscheibe mittels dung für etwa t bis 2 h vorgenommen wird,
hochenergetischer Protonen, Die Temperzeit wird durch Zwischenkontrolle der
F i g. 2 einen Dotierungsverlauf in einer schwach do- 35 Ladungsträgerlebensdauer einer gleichartig bestrahlten
tierten Siliciumscheibe nach Protonenbestrahlung und Testdiode ermittelt
Temperung bei 2500C für 8 h, Der Thyristor Γ nach der F i g. 5a mit einem Dotie- F i g. 3 den gleichen Dotierungsverlauf nach Tempe- rungsprofil entsprechend der F i g. 5b besteht aus einer
rung bei 35O0C für 4 h, n+-Emitterzone 2, einer p-dotierten Steuerbasiszone 3,
F i g. 4 den gleichen Dotierungsverlauf nach Tempe- 40 einer schwach n- oder p-dotierten (s„ oder sp) Hauptba-
rung bei 4000C für V2 h, siszone 4, einer n-Zone 5', einer schwach dotierten (sp
Fig. 5 die Struktur eines η+pinp+-Thyristors, oder Sn) anodenseitigen Zwischenzone 6 und einer Wie in der F i g. 1 angedeutet, wird eine Si-Scheibe 1 p+-Emitterzone 7, sowie aus Kontaktmetallisierungen 8
mittels Protonen P bestrahlt, wobei die Protonen durch und 9.
die Oberfläche 11 in die Scheibe 1 eindringen und dort 45 Die Herstellung der Zonen 2,3 und 7 in dem Grundeine Zone 5 erzeugen, die bei einer Protonenenergie material der Dotierung entsprechend Zone 4 erfolgt von 3 MeV eine Tiefe von ca. 90 μι* hat Im Einstrahlbe- nach bekannten Thyristor-Diffusionsverfahren. Die reich bildet sich außerdem eine Zone 12, die eine hohe p+-Emitterzone 7 wird in geringer Tiefe (etwa 4 bis Konzentration von Strahlungsschäden aufweist Die 7 μπι) durch Bordiffusion erzeugt Das Bauelement wird Strahlungsschäden bilden sich bis in die Zone 5 aus, wie 50 dann einer Protonenbestrahlung mit etwa 2 · 1014 Produrch den Bereich 10 angedeutet ist. tonen/cm2 unterworfen, deren Beschleunigungsenergie
In Fig. 2 ist der Dotierungsverlauf in einer mit 1014 zwischen 03 und 3 MeV liegt, entsprechend der ge- Phosphoratome/cm3 dotierten Siliciumscheibe nach Be- wünschten Tiefe der η-dotierten Zone 5'. Das Bauele-
strahUing mit 1,5 · 1014 Protonen/cm2 einer Energie von ment wird danach einer Temperung bei 350 bis 4000C
3 MeV dargestellt. Die Scheibe ist nach der Bestrahlung 55 für 4 h unterworfen, wobei sich die Zonen 5'' und 6 bil-
für etwa 8 h bei 2500C in Stickstoffatmosphäre getem- den. Temperungen der Bauelemente-Kontaktmetallisie-
pert worden. Es ergibt sich eine ca. 8 μηι breite η-dotier- rungen 8,9 sowie gegebenenfalls das Auflöten auf eine
te Zone 5 (Strichelung), aus deren Flächenwiderstand Trägerscheibe werden in die Ausheiltemperungen ein-
sich eine Dotierung von 1012 Donatoren/cm2 ergibt. bezogen.
befindet sich eine stark gestörte Zone 12', deren Leitfä- ne 5' können erreicht werden, indem, wie auch bereits
higkeit sehr gering ist, und eine Zone 13, die eine höhere aus F ig. 4 ersichtlich, bei höheren Temperaturen ge-
Ladungsträgerkonzentration aufweist. Durch die Tem- tempert wird. Mittels mehrfacher Protonenbestrahlung
perung bei 25O0C sind die Dotierung und die noch sehr mit unterschiedlichen Energien sind weitere Profilfor-
niedrige Trägerlebensdauer bereits stabilisiert. 65 men durch Überlagerungen herstellbar.
In F i g. 3 ist ein Dotierungsprofil dargestellt, daß sich
nach einer Temperung bei 3500C für 4 h ergibt. Die Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
erzeuete n-Zone hat sich verbreitert, und die Gesamt-

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer unterhalb einer äußeren hochdotierten Zone liegenden s-n-Zonenfolge einer Halbleiterstruktur aus Silicium, wobei die Ladungsträgerlebensdauei' in der schwachdotierten s-Zone herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die η-dotierte Zone (5) durch Protonenbestrahlung in einer derartigen Tiefe erzeugt wird, daß zwischen der äußeren hochdotierten Zone (7) und der η-dotierten Zone die schwachdotierte s-Zone (6) mit verminderter Ladungsträgerlebensdauer entsteht und ein Teil der zusätzlichen erzeugten, als Rekombinationszentren wirkenden Strahlungsdefekte durch Tempern ausgeheilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung in einer Wasserstoffglimmentladung bei einer Temperatur zwischen 150 und 45O0C erfolgt und die Temperzeit derart gewählt wird, daß sich eine vorgegebene Ladungsträgerlebensdauer einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonenbestrahlung mit einer Dosis von 2 · 1014 Protonen/cm2 bei einer Protonenenergie von 0,5 bis 3 MeV erfolgt.
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