DE3912056A1 - Verfahren zum axialen einstellen der traegerlebensdauer - Google Patents

Verfahren zum axialen einstellen der traegerlebensdauer

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum axialen Einstellen der Trägerlebensdauer in einem Halbleiterbauelement mit einem kristallinen Halbleitersubstrat.
Stand der Technik
Leistungshalbleiterbauelemente sollen einerseits eine möglichst kurze Schaltzeit (Übergang vom Durchlaß- in den Sperrzustand) und andererseits möglichst geringe Schalt­ verluste (geringer Spannungsabfall im Durchlaßzustand) aufweisen. Diese gegensätzlichen Forderungen ("Trade-off") können durch gezielte Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer optimiert werden. Gegenwärtig werden dafür zwei grundsätzlich verschiedene Methoden eingesetzt.
Die eine ist die kontrollierte Eindiffusion von Fremdatomen, meist Übergangsmetallen wie z.B. Au, Pt, etc. Die Rekombinationsspezies (Fremdatom) ist dabei wählbar, das resultierende Konzentrationsprofil dagegen ist im wesentlichen durch das Diffusionsverhalten der Fremdatome im Halbleiterkristall bestimmt.
Die andere Methode ist die Bestrahlung mittels hochenerge­ tischer Partikel (Elektronen, Protonen, Helium etc.). Hier ist das Konzentrationsprofil durch Vorgabe von Energie und Dosis der Teilchen relativ frei wählbar. Die Art der dabei erzeugten Rekombinationszentren sind aber durch die Bestrahlung als solche vorgegeben. Auch wird dabei der Kristall teilweise unnötig zerstört, da nur ein Teil der durch die Bestrahlung induzierten Defekte als Rekombinationszentren wirken.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum axialen Einstellen der Trägerlebensdauer in einem Halbleiterbau­ element mit einem kristallinen Halbleitersubstrat zu schaffen, bei welchem sowohl die Eigenschaften der Rekombinationszentren als auch das dazugehörige Konzentrationsprofil relativ frei vorgegeben werden können.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß ein Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte umfaßt:
  • a) Eindiffundieren von solchen Fremdatomen in das Halbleitersubstrat, welche die Eigenschaft haben, daß sie (i) auf einem Gitterplatz rekombinationsinaktiv und auf einem Zwischengitterplatz rekombinationsaktiv sind und daß sie im wesentlichen (ii) interstitiell und via Leerstellen-Mechanismus, aber nicht via Kick-out- Mechanismus diffundieren;
  • b) Bestrahlen des Halbleitersubstrats mit hoch­ energetischen, schweren Teilchen, sodaß in einer vorgegebenen Tiefe ein gewünschtes Konzentrationsprofil von Strahlungsdefekten entsteht;
  • c) thermisches Entaktivieren der eindiffundierten Fremdatome in jenen Bereichen des Halbleitersubstrats, in welchen das gewünschte Konzentrationsprofil von Strahlungsdefekten vorhanden ist.
Vorzugsweise wird ein Siliziumsubstrat verwendet, in welches als Fremdatome Ti-, V-, Zr- oder Nb-Atome eindiffundiert werden. Zum Bestrahlen eignen sich He+, He++, Protonen oder Neutronen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1a-1f eine Darstellung der wesentlichen Verfahrens­ schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend tabelliert. Grundsätzlich werden für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen zunächst einige zugrunde liegende Prinzipien diskutiert werden.
Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren sind Fremdatome mit folgenden Rekombinations- und Diffusions­ eigenschaften:
  • 1. Rekombinationsinaktiv auf einem Gitterplatz (substitutionell)
  • 2. Rekombinationsaktiv auf einem Zwischengitterplatz (interstitiell).
  • 3. Diffusion erfolgt interstitiell und via Leerstellen­ mechanismus (d.h. dissoziativ), aber im wesentlichen nicht via Kick-out-Mechanismus.
Welche Eigenschaften ein gegebenes Fremdatom in einem bestimmten Halbleiterkristall hat, läßt sich aufgrund energetischer Überlegungen eruieren.
Fremdatome mit den oben genannten Eigenschaften in einem Siliziumkristall sind z.B. Ti-, V- , Zr- oder Nb-Atome. Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft am System Ti in Silizium erläutert.
Interstitielles Ti ist, ähnlich wie substitutionelles Au, ein gekoppeltes 2-Niveau-System, jedoch mit dem Unterschied, daß bei Ti die Rekombination über das einfache und das doppelte Donatorniveau erfolgt, anstatt (wie bei Au) über das einfache Akzeptor- und Donatorniveau. Ti diffundiert vorwiegend interstitiell wie die übrigen 3d Elemente in Silizium. Im Gegensatz zu Au, Ag und Pt ist Ti auf dem interstitiellen Platz (Tetraeder-Symmetrie) rekombinationsaktiv und auf dem Gitterplatz elektrisch inaktiv und somit nicht rekombinationsaktiv.
Der dissoziative Mechanismus, d.h. die Diffusion via Leerstelle Ti(int) + Vac → Ti(sub), bei welchem ein interstitielles Ti-Atom auf einen substitutionellen Platz übergeht (und damit rekombinationsinaktiv wird), erfolgt lediglich in jenen Bereichen, in welchen ein Überangebot von Leerstellen besteht. Das Konzentrationsprofil von rekombinationsrelevantem Ti (interstitielles Ti: Ti(int)) ist also mit dem Konzentrationsprofil der Leerstellen (Vacancy: Vac) indirekt korreliert.
Durch Bestrahlen mittels schwerer Teilchen (Protonen, Neutronen, Helium etc.) ist es möglich, an einer beliebig vorgegebenen Stelle im Halbleiterbauelement Leerstellen und Doppelleerstellen zu erzeugen. Es kann also ein axiales Konzentrationsprofil vorgegeben werden.
Wenn nun hintereinander die Prozeßschritte
  • 1. Prädeposition und Eindiffusion von Ti,
  • 2. Bestrahlung mit hochenergetischen, schweren Teilchen und
  • 3. thermisches Aktivieren des dissoziativen Mechanismus ausgeführt werden, dann läuft in der durch die Bestrahlung erzeugten Defektzone (Überangebot an Gitterleerstellen) der Prozeß Ti(int) + Vac → Ti(sub) ab. Das durch die Bestrahlung erzeugte Leerstellenprofil wird in ein Konzentrationsprofil von substitutionellem Ti umgewandelt. Die Rekombinationszentren werden in der bestrahlten Zone somit entaktiviert.
Der erfindungsgemäße Prozeß hat gegenüber einer einfachen Diffusion von Au-Atomen unter anderem folgende Vorteile:
  • 1. Das Konzentrationsprofil kann durch eine geeignet ausgeführte Bestrahlung nahezu beliebig variiert werden.
  • 2. Die resultierenden Sperrströme sind sehr gering, da beide rekombinationsrelevanten Niveaus rund 0.3 eV von der Bandmitte entfernt sind.
Es muß betont werden, daß die Wirkung der erfindungsgemäß eingebrachten Fremdatome völlig verschieden ist zu derjenigen von gewöhnlichen Donator- oder Akzeptoratomen (zur Erzeugung von PN-Übergängen). Dies geht schon aus der Liste von genau definierten Eigenschaften hervor, welche die erfindungsspezifischen Fremdatome im Halbleiterkristall aufweisen müssen.
Im folgenden wird nun anhand der Fig. 1a bis 1f eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. In den Figuren sind jeweils entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
Ausgangspunkt stellt ein Halbleitersubstrat 1 z.B. aus Silizium (Fig. 1a) nach den Diffusions- und Oxidations­ prozessen (Temperatur größer als ca. 500°C) dar. D.h., daß beispielsweise alle Diffusionsprozesse, welche zum Herstellen eines oder mehrerer PN-Übergänge und der dadurch bestimmten Schalteigenschaften nötig sind, abgeschlossen sind. Wenn nämlich nach den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten das Halbleitersubstrat allzustark erhitzt wird, heilen die Stör­ stellen aus, womit auch die Lebensdauereinstellung zunichte gemacht wird.
Andeutungsweise ist in Fig. 1a eine Diodenstruktur gezeigt. Von einer ersten Hauptfläche 2 a dringt eine hochdotierte Emitterzone 3 in das niedrigdotierte Halbleitersubstrat 1 ein und bildet mit einer Basiszone 4 einen PN-Übergang 5. Von einer zweiten Hauptfläche 2 b dringt außerdem eine hochdotierte Kontaktierungszone 9 in das Halbleitersubstrat 1 ein.
Als erstes wird eine Vorbelegung von Fremdatomen einer der oben genannten Spezies, z.B. Ti, vorgenommen (Fig. 1b). Auf beiden Hauptflächen 2 a, 2 b des Halbleitersubstrats 1 wird z.B. eine Schicht 6 aus Ti deponiert. Dies wird durch ein an sich bekanntes Verfahren wie z.B. Aufdampfen im Ultrahochvakuum, Aufsputtern, CVD, galvanisches Abscheiden erreicht. Zum Vorbelegen eignet sich insbesondere auch die Ionenimplantation, wobei die Fremdatome in einen hauptflächennahen Bereich des Halbleitersubstrats eingebracht werden.
Als zweites wird ein Drive-in-Prozeß durchgeführt (Fig. 1c), welcher dafür sorgt, daß die Ti-Atome gleichmäßig im Halbleitersubstrat 1 verteilt werden (angedeutet durch schräge Schraffur). Da üblicherweise bei der Herstellung von Leistungs-Halbleiterbauelementen noch weitere Heißprozesse erfolgen, kann dieser Schritt unter Umständen sogar gleichzeitig mit nachfolgenden, sowieso benötigte Heißprozesse durchgeführt werden, welche ebenfalls für eine Gleichverteilung des Ti sorgen.
Die Vorbelegung bestimmt beim Drive-in-Prozeß die Konzentration des interstitiellen Ti. Es muß also dafür gesorgt werden, daß die gewünschte Konzentration von Fremdatomen über die ganze Waferdicke hinweg vorhanden ist.
Danach wird ein nach dem Drive-in-Prozeß zurückgebliebener Teil der Schicht 6 entfernt. Es liegt damit ein Halbleiter­ substrat 1 mit einer Zone mit interstitiellen Fremdatomen (im vorliegenden Fall Ti) vor. Diese reduzieren im gesamten Halbleitersubstrat die Lebensdauer der Ladungsträger, und zwar sowohl in der breiten Basiszone 4, wo dies wünschenswert ist, als auch in der Emitterzone 3.
Als drittes wird das Halbleitersubstrat 1 mit hochenerge­ tischen Teilchen 7, vorzugsweise mit H+, He+, He++ oder Neutronen - also Teilchen mit einem Molekulargewicht von mindestens etwa eins -, bestrahlt (Fig. 1d). Die Bestrahlung wird so ausgeführt, daß ein vorgegebenes, gewünschtes Konzentrationsprofil von Strahlungsdefekten in der gewünschten Tiefe entsteht. Innerhalb der Zone mit interstitiellen Fremdatomen wird also eine Zone hoher Leerstellendichte 8 erzeugt. Die Bestrahlungsdosis und die Konzentration von interstitiellen Fremdatomen müssen aneinander angepaßt werden, d.h. es müssen genügend Leerstellen für eine nachfolgende Entaktivierung zur Verfügung stehen.
Im vorliegenden Beispiel wird die Bestrahlung so durchgeführt, daß zumindest in der Emitterzone 3 und in der Kontaktierungszone 9 unter der zweiten Hauptfläche 2 b eine hohe Konzentration von Gitterleerstellen entsteht.
Die Bestrahlung von Halbleitersubstraten ist als solche bekannt. Es wird deshalb an dieser Stelle nicht weiter auf diesen Verfahrensschritt eingegangen.
Schließlich werden in der Zone hoher Leerstellendichte 8 die interstitiellen Fremdatome durch einen Temperprozeß elektrisch entaktiviert (Fig. 1f). Wie bereits erläutert, gehen dabei die Fremdatome von einem Zwischengitterplatz auf einen Gitterplatz über und verlieren so ihre Wirkung als Rekombinationszentren. Dadurch daß die Fremdatome so ausgewählt sind, daß sie die Eigenschaft haben, nicht via Kick-out-Mechanismus zu diffundieren, findet die Entaktivierung nur in der Zone hoher Leerstellendichte statt.
Der Temperprozeß kann auf verschiedene Arten im gesamten Herstellungsverfahren des Halbleiterbauelements integriert werden.
In einer ersten Variante erfolgt das thermische Entaktivieren gleichzeitig mit dem Sintern einer Metallisierung. Die Bestrahlung wird also vor den Metallisierungsschritten ausgeführt.
In einer zweite Variante wird nach dem Entfernen der Vorbelegung und vor dem Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen 7 eine Metallisierung aufgebracht. Nach dem Bestrahlen wird dann eine Passivierung des Halbleiterbauelements durchgeführt (aufbringen von Passivierungsschichten), bei welcher gleichzeitig das thermische Entaktivieren der Fremdatome erfolgt.
In einer dritten Variante schließlich wird nach dem Entfernen der Vorbelegung und vor dem Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen 7 eine Passivierung des Halbleiterbauelements durchgeführt. Nach dem Bestrahlen erfolgt das thermische Entaktivieren durch Glühen bei einer Temperatur zwischen 200°C und 400°C.
Die zweite und dritte Variante haben gegenüber der ersten den Vorteil, daß eine Beeinträchtigung der durchstrahlten Hauptfläche vor dem Aufbringen einer Metallisierung vermieden wird. Eine primär bei höheren Bestrahlungsdosen mögliche Schädigung kann nämlich negative Auswirkungen auf die Qualität der Metallisierung haben.
Während bei den ersten beiden Varianten das thermische Aktivieren gleichzeitig mit dem Sintern der Metallisierung resp. mit dem Ausbacken der Passivierung abläuft, ist bei der dritten der zusätzliche Prozeßschritt des Glühens erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es darum geht, die Ladungsträgerlebensdauer über einen großen axialen Bereich hinweg herabzusetzen. Als Beispiel wurde eine Diode mit einer großen Durchbruchspannung und damit einer breiten intrinsischen Zone angeführt. In diesem Fall wurde also zuerst im ganzen Halbleiterkörper der Diode die Ladungsträgerlebensdauer durch Einbringen von interstitiellen Fremdatomen der bezeichneten Art herabgesetzt. Die Bestrahlung wurde sodann dergestalt ausgeführt, daß in einer hochdotierten Emiterzone des Halbleiterkörpers die interstitiellen Fremdatome entaktiviert werden und die Ladungsträgerlebensdauer wieder erhöht wird.
Was bisher für Ti in Silizium gesagt wurde gilt sinngemäß auch für die ebenfalls bevorzugten Elemente V, Zr und Nb.
Das erfindungsgemäße Einstellen der Trägerlebensdauer beschränkt sich nicht auf einen bestimmten Typus von Halbleiterbauelementen. Es kann sowohl bei einfachen Dioden- wie auch bei komplexen Thyristor-Strukturen angewendet werden.
Ebenso kann die Erfindung auch bei Bauelementen mit einem III-V- oder II-VI-Halbleitersubstrat eingesetzt werden, vorausgesetzt, die eindiffundierten Fremdatome erfüllen die oben genannten Bedingungen (i) und (ii) resp. 1.-3.
Die Bestrahlung kann je nach Bedarf einseitig oder zweiseitig erfolgen. Ebenso kann die bestrahlte Zone im Halbleiter­ substrat seitlich begrenzt werden durch Einsatz geeigneter Bestrahlungsmasken.
Abschließend kann gesagt werden, daß mit der Erfindung ein Verfahren geschaffen wird, welches für einen großen Bereich von Halbleiterbauelement-Typen zur Optimierung der Schalteigenschaften, insbesondere des "Trade-off" zwischen Vorwärtsspannungsabfall und Schaltzeit anwendbar ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum axialen Einstellen der Trägerlebensdauer in einem Halbleiterbauelement mit einem kristallinen Halbleitersubstrat, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • a) Eindiffundieren von Fremdatomen in das Halb­ leitersubstrat, welche die Eigenschaft haben, daß sie (i) auf einem Gitterplatz rekombinationsinaktiv und auf einem Zwischengitterplatz rekombinationsaktiv sind und daß sie (ii) interstitiell und via Leerstellen- Mechanismus, aber nicht via Kick-out-Mechanismus diffundieren;
  • b) Bestrahlen des Halbleitersubstrats mit hoch­ energetischen, schweren Teilchen, sodaß in einer vorgegebenen Tiefe ein gewünschtes Konzentrationsprofil von Strahlungsdefekten entsteht;
  • c) thermisches Entaktivieren der eindiffundierten Fremdatome in jenen Bereichen des Halbleitersubstrats, in welchen das gewünschte Konzentrationsprofil von Strahlungsdefekten vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eindiffundieren von Fremdatomen in das Halbleiter­ substrat
  • a) beide Hauptflächen des Halbleitersubstrats mit einer Vorbelegung von Fremdatomen versehen werden und
  • b) ein Drive-in-Prozeß durchgeführt wird, sodaß im Halbleitersubstrat eine gleichmäßige Konzentration der Fremtatome entsteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelegung mittels Ionenimplantation erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eindiffundieren von Fremdatomen in das Halbleitersubstrat
  • a) die Vorbelegung durch Deponieren von Fremdatomen auf beiden Hauptfläche des Halbleitersubstrats erzeugt wird und daß
  • b) nach dem Drive-in-Prozess ein zurückgebliebener Teil der Vorbelegung entfernt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Entaktivieren gleichzeitig mit dem Sintern einer Metallisierung erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eindiffundieren der Fremdatome und vor dem Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen eine Metallisierung aufgebracht wird und daß nach dem Bestrahlen eine Passivierung des Halbleiterbauelements durchgeführt wird, bei welcher gleichzeitig das thermische Entaktivieren der Fremdatome erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eindiffundieren der Fremdatome und vor dem Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen eine Passivierung durchgeführt wird und daß nach dem Bestrahlen das thermische Entaktivieren durch Glühen bei einer Temperatur zwischen 200°C und 400°C erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fremdatome Ti-, V-, Zr, oder Nb-Atome verwendet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestrahlen He+, He++, Protonen oder Neutronen verwendet werden.
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