DE3913123A1 - Verfahren zur reduktion der ladungstraeger-lebensdauer - Google Patents

Verfahren zur reduktion der ladungstraeger-lebensdauer

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DE3913123A1
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Franz Dr Beeler
Marcel Hueppi
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ABB AB
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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der Ladungsträger-Lebensdauer in einem Halbleiterbauelement, bei welchem ein Halbleitersubstrat zur Erzeugung von Rekombinationszentren einer Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen und zur Sicherung der thermischen Langzeitstabilität einer Temperung unterworfen wird.
Stand der Technik
Zur gezielten Einstellung der Ladungsträger-Lebensdauer in Leistungs-Halbleiterbauelementen werden einerseits Diffusionen mit Au oder Pt und andererseits Bestrahlungen mit Protonen oder Elektronen durchgeführt. Die bei der Au- resp. Pt-Diffusion erreichbare Reproduzierbarkeit ist jedoch unbefriedigend. Dies ist darin begründet, daß das Diffusionsverhalten von Au bzw. Pt von einer Vielzahl makroskopischer und mikroskopischer Kristalleigenschaften (mechanische Gitterspannungen, Oberfläche, Dotierung etc.) abhängt, welche schlecht reproduzierbar sind. Die Bestrahlungsverhalten hingegen sind deutlich besser reproduzierbar.
Die Elektronenbestrahlung wird darum zunehmend anstelle einer Au- bzw. Pt-Diffusion verwendet. Im Gegensatz zur Protonenbestrahlung, welche sehr lokal wirkt, führt die Elektronenbestrahlung zu Rekombinationszentren, welche über einen relativ breiten Tiefenbereich verteilt sind. Die Bestrahlung mit Elektronen ist deshalb in jenen Fällen vorteilhaft, in denen über breite Regionen (≈100 µm) die Lebensdauer der Ladungsträger reduziert werden soll.
Zur Sicherung der thermischen Langzeitstabilität der strahlungsinduzierten Rekombinationszentren müssen die Bauelemente nach der Bestrahlung einem Temperungsprozeß unterzogen werden.
Um die genannte Lebensdauereinstellung im Rahmen eines bekannten, großtechnischen Herstellungsverfahrens durchführen zu können, müssen gewisse Randbedingungen beachtet werden.
Die Lebensdauereinstellung mittels Protonenbestrahlung ist ein Prozeßschritt, der erst gegen das Ende des gesamten Herstellungsverfahrens durchgeführt werden kann. Dies hat seinen Grund darin, daß die induzierten Rekombinationszentren bei allzu hohen Temperaturen (600°C bis 700°C und mehr) vollständig ausheilen. Nach der Bestrahlung dürfen somit keine Hochtemperaturprozesse wie Diffusion oder Oxidation mehr folgen.
Im Gegensatz zur Protonenbestrahlung kann die Elektronen­ bestrahlung aber durchaus auch nach dem sogenannten Packaging- Schritt stattfinden. Wegen des geringen Wirkungsquerschnitts mit Materie vermögen die Elektronen die Verpackung des Chips leicht zu durchdringen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Temperung einerseits die thermische Langzeitstabilität der Rekombinationszentren unter typischen Arbeitstemperaturen von Leistungs-Halbleiter­ bauelementen (ca. 125°C) garantiert und andererseits deren Effizienz bezüglich Lebensdauerkontrolle nicht unnötig reduziert.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß die Temperung bei einer Temperatur zwischen 260°C und 300°C während mindestens 30 Minuten erfolgt.
Hinsichtlich der Einbettung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den gesamten Herstellungsprozeß ergibt sich, daß die Bestrahlung nach dem Aufbringen einer Metallisierung erfolgen muß. Der erfindungsgemäße Temperaturbereich liegt nämlich deutlich unter den Temperaturen, welche üblicherweise zum Sintern beispielsweise einer Aluminium-Metallisierung (400°C < T < 550°C) verwendet werden. Um die Oxidation der Metallisierung zu verhindern, muß außerdem die Temperung im Vakuum erfolgen.
Entsprechend den in den abhängigen Patentansprüchen definierten, bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Temperung wahlweise vor, nach oder gar gleichzeitig mit dem Passivierungsprozeß, abhängig von der Art der aufzubringenden Passivierungsschichten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1a-d eine Darstellung der Schritte eines Verfahrens zur Reduktion der Ladungsträger-Lebensdauer.
Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend tabelliert.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bevor auf einzelne Ausführungsformen eingegangen wird, soll der Hintergrund der Erfindung beleuchtet werden.
Bis anhin waren die Kriterien für den Temperaturbereich bei der Temperung nach einer Elektronenbestrahlung einerseits gegeben durch die Arbeitstemperatur, bei welcher die Langzeitstabilität gewährleistet sein muß, und andererseits durch die vollständige Ausheiltemperatur, bei welcher die induzierten Rekombinationszentren wieder vollständig verschwinden. In diesem breiten Temperaturbereich wurde die Temperung weitgehend nach Belieben angesiedelt.
Im Gegensatz dazu gibt die Erfindung einen genau definierten, relativ engen Temperaturbereich an, der optimal ist: Bei gesicherter Langzeitstabilität führen nämlich sowohl höhere als auch niedrigere Temperungstemperaturen zu einer geringeren Reduktion der Ladungsträger-Lebensdauer.
Der erfindungsgemäße Temperaturbereich liegt um 150°C bis 200°C über den üblichen Arbeitstemperaturen von Leistungs­ Halbleiterbauelementen. In Anbetracht der Tatsache, daß protonen-/elektronenbestrahlte Bauelemente gemäß dem Stand der Technik typischerweise bei eher niedrigeren Temperaturen getempert werden, ist zu erwarten, daß die Langzeitstabilität von erfindungsgemäß hergestellten Bauelementen sogar eher besser ist, als diejenige von herkömmlichen Bauelementen.
Im folgenden werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Fig. 1a-d zeigen eine Darstellung eines Verfahrens, bei welchem der Passivierungsprozeß nach der Temperung erfolgt.
Ausgangspunkt ist ein fertig diffundiertes und oxidiertes Halbleitersubstrat 1, welches in seinem Innern eine oder mehrere PN-Strukturen aufweist. Die PN-Strukturen bilden z.B. ein für Thyristoren oder Dioden typisches Dotierungsprofil. Das Halbleitersubstrat 1 ist außerdem mit einer Metallisierung 2, z.B. aus Aluminium, versehen (Fig. 1a).
Als erstes wird nun das Halbleitersubstrat 1 mit Elektronen 3 bestrahlt, sodaß in einem gewünschten Bereich Rekombinations­ zentren 4 erzeugt werden (Fig. 1b). Im bestrahlten Bereich sind die Rekombinationszentren 4 gleichmäßig über die ganze Dicke des Halbleitersubstrats 1 verteilt. Bei Bedarf wird die Verteilung der Rekombinationszentren 4 z.B. mit einer Maske 5 lateral strukturiert.
Wegen der hohen Eindringtiefe der Elektronen genügt bereits eine relativ bescheidene Energie von weniger als 1 MeV. Da die Bestrahlung von Halbleiterbauelementen mit Elektronen als solche aus der Literatur bekannt ist, soll an dieser Stelle nicht weiter auf Einzelheiten eingegangen werden.
Als zweites wird das bestrahlte Halbleitersubstrat 1 einer Temperung unterworfen (Fig. 1c). Dazu wird es in einem Hochvakuum, d.h. bei einem Druck von weniger als etwa 10-5 Torr, für mindestens 30 Minuten auf einer Temperatur zwischen 260°C und 300°C gehalten. Die genaue Zeitdauer der Temperung ergibt sich aus der gewählten Bestrahlungsdosis und der gewünschten Ladungsträger-Lebensdauer.
Als drittes wird schließlich das Halbleitersubstrat 1 einem als solchen bekannten Passivierungsprozeß unterzogen, bei welchem ein oder mehrere Passivierungsschichten 6 aufgebracht und ausgebacken werden (Fig. 1d). Dabei ist zu beachten, daß die zum Ausbacken verwendeten Temperaturen unter denjenigen der Temperung liegen, damit die Ladungsträger-Lebensdauer nicht wieder verändert wird.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Bestrahlung erst nach dem Passivierungsprozeß durchgeführt. In diesem Fall sollten die Ausbacktemperaturen über dem erfindungsgemäßen Temperaturbereich liegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Temperung gleichzeitig mit einem Passivierungsschritt durchgeführt wird, da auf diese Weise ein Heißprozeß eingespart wird. Voraussetzung ist allerdings, daß die Passivierungsschicht im Temperaturbereich zwischen 260°C und 300°C ausgebacken werden kann. Eine in diesem Sinn geeignete Schicht stellt z.B. eine Polyimidschicht dar.
In den meisten Fällen wird eine Temperzeit von etwa 30 Minuten genügen, um die thermische Stabilität der Rekombinationszentren zu gewährleisten.
Die Erfindung kann für die verschiedensten Bauelemente verwendet werden. Sie eignet sich grundsätzlich für Herstellungsprozesse, bei welchen eine Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer über einen großen Tiefenbereich erwünscht ist.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Erfindung einen Temperprozeß für elektronenbestrahlte Bauelemente schafft, der den bekannten, bei großtechnischen Herstellungsverfahren gegebenen Randbedingungen optimal angepaßt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Reduktion der Ladungsträger-Lebensdauer in einem Halbleiterbauelement, bei welchem ein Halbleitersubstrat (1)
  • a) zur Erzeugung von Rekombinationszentren (4) einer Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen (3) und
  • b) zur Sicherung der thermischen Langzeitstabilität einer Temperung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • c) die Temperung bei einer Temperatur zwischen 260°C und 300°C während mindestens 30 Minuten erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das Halbleitersubstrat (1) vor der Bestrahlung mit einer Metallisierung (2) versehen wird und
  • b) die Temperung im Hochvakuum bei einem Druck von weniger als 10-5 Torr erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) nach der Temperung einem Passivierungsprozeß unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) vor der Bestrahlung einem Passivierungsprozeß unterworfen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung gleichzeitig mit einem Passivierungsschritt erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) mit einer Polyimidschicht passiviert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung etwa 30 Minuten dauert.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen aus Silizium bestehendes Halbleiter­ substrat (1) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat mit einem für Thyristoren typischen Dotierungsprofil versehen wird bevor die Metallisierung aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat mit einem für Dioden typischen Dotierungsprofil versehen wird bevor die Metallisierung aufgebracht wird.
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