DE4026797A1 - Verfahren zur erzeugung von rekombinationszentren in dem halbleiterkoerper eines halbleiterbauelements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Rekombinationszentren in dem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements, wobei Ionen in den Halbleiterkörper implantiert werden.

Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus "Archiv für Elektrotechnik", 72, 1989, Seiten 133 bis 140, bekannt. Durch die Ionenimplantation, insbesondere die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Protonen, werden Rekombinations- Zentren in einer definierten Tiefe erzeugt, die durch die Reichweite der Ionen bestimmt ist.

Für Halbleiterbauelemente, insbesondere Halbleiterleistungsbauelemente, ist die Einstellung einer bestimmten Ladungsträgerlebensdauer der Minoritätsla­ dungsträger von entscheidender Bedeutung für die Eigenschaften des Bau­ elements. Neben anderen Parametern, wie z. B. dem Dotierungsprofil, werden durch Rekombinationszentren sowohl das Durchlaß- und Sperrverhalten als auch die dynamischen Eigenschaften des Bauelements wesentlich beeinflußt. In vielen Fällen ist neben einem vertikalen Profil der Ladungsträger- Lebensdauer auch ein laterales Profil in dem Halbleiterkörper wünschenswert, beispielsweise für den Fall, daß eine Diode in einem Thyristor integriert ist und für jedes der beiden Bauelemente die Parameter unabhängig voneinan­ der eingestellt werden müssen.

Die klassische Methode zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer stellt die Eindiffusion von Schwermetallen, wie Gold oder Platin, dar (IEEE Transactions on Electron Devices, Band 24, Nr. 6, 1977, Seiten 685 bis 688). Mit dem Diffusionsverfahren wird eine Verteilung der Rekombinationszentren erzeugt, bei der die Konzentration der Rekombinationszentren von der Oberfläche des Halbleiterkörpers hin zum Halbleiterinneren abnimmt. Dieses Profil kann durch Wahl der Diffusionstemperatur, der Diffusionszeit und auch der Oberflächenkonzentration an der Oberfläche des Halbleiterkörpers beeinflußt werden. Abgesehen davon, daß es sich bei den Diffusionsverfah­ ren um einen Hochtemperaturverfahrensschritt handelt, der in der Regel nur an der reinen Halbleiterscheibe durchführbar ist, treten bei dem Dif­ fusionsverfahren auch weitere Nachteile auf. So ist es z. B. bekannt, daß eindiffundiertes Gold in stark n-dotierten Zonen gegettert wird und sich in diesen Zonen in unerwünschter Weise erheblich anreichert, was anderseits zu einer Verarmung an Goldatomen in den benachbarten Bereichen führt. Außerdem treten Probleme bezüglich der Reproduzierbarkeit des Profils auf, und auch die erzielte Homogenität erfüllt nicht immer die an ein Bauelement zu stellenden technischen Anforderungen.

Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Rekombinationszentren besteht in der Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Elektronen hoher Energie, thermischen Neutronen oder Gammastrahlung (Phys. Stat. Sol. 100, 113, 1987). Da die Reichweite dieser Strahlung gegenüber den Abmessungen des Halbleiter­ körpers groß ist, wird der Halbleiterkörper praktisch mit konstanter Energie durchstrahlt, was dazu führt, daß die Ladungsträgerlebensdauer in dem gesamten Halbleiterkörper gleichmäßig herabgesetzt wird. Die Einstel­ lung eines vertikalen Ladungsträgerlebensdauerprofils in dem Halbleiterkör­ per ist daher nicht möglich. Eine laterale Lebensdauereinstellung ist in beschränktem Masse nur bei Elektronenbestrahlung durch eine Maskierung, mit z. B. Molybdän, möglich.

Im Fall der Bildung von Rekombinationszentren durch Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen, Neutronen oder Gammastrahlen werden die Rekombinationszentren durch Gitterdefekte gebildet, die durch die Strahlung hervorgerufen werden. In diesem Fall spricht man auch von Strahlenschäden, die als Rekombinationszentren wirken. Der Nachteil derartiger Rekombina­ tionszentren ist darin zu sehen, daß sie bei erhöhter Temperatur ausheilen und somit instabil sind. Da einige Rekombinationszentren auch bereits bei der Betriebstemperatur des Bauelementes instabil werden, muß der Halblei­ terkörper bzw. das Bauelement einem Temperprozeß unterworfen werden, so daß nur die bei der Betriebstemperatur des Halbleiterbauelementes stabilen Rekombinationszentren erhalten bleiben. Prinzipiell ist davon auszugehen, daß die Strahlenschäden bei höherer Temperatur in Abhängigkeit von der Art des Strahlenschadens ausheilen und damit die Ladungsträgerlebensdauer wieder erhöht wird. Die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer kann daher nur bei einem bereits kontaktierten Halbleiterbauelement bzw. kontaktierten Halbleiterkörper durchgeführt werden.

Bei der eingangs erwähnten Ionenimplantation werden die Rekombinationszen­ tren durch hochenergetische Bestrahlung mit Ionen bzw. Atomkernen erzeugt. Die bisherigen Anwendungen beschränken sich jedoch auf den Einsatz von Wasserstoffkernen und Heliumkernen. Auch bei dieser Bestrahlungsart werden die Rekombinationszentren durch Gitterdefekte gebildet. Im Gegensatz zu der Bestrahlung mit Elektronen, Neutronen oder Gammastrahlen tritt hier jedoch die Bildung der Rekombinationszentren im wesentlichen in der Reichweite der Partikel auf. Wenn die Reichweite der Partikel durch ihre Energie so eingestellt wird, daß sie in einer bestimmten Tiefe des Halbleiterkörpers liegt, wird in diesem Bereich eine Zone gebildet, in der die implantierten Partikel verbleiben, wobei diese Zone dann eine Zone mit erhöhter Rekom­ binationszentrendichte und damit verminderter Lebensdauer darstellt. Über die Bestrahlungsenergie lassen sich also Zonen in vorbestimmter Tiefe in dem Halbleiterkörper erzeugen, so daß man in diesem Sinne auch bei dieser Bestrahlungsart von der Möglichkeit sprechen kann, ein vertikales Rekom­ binationszentrenprofil einzustellen. Ferner lassen sich durch Verwendung von Masken laterale Profile erzeugen.

Da die Rekombinationszentren bei der Bestrahlung mit Atomkernen auch durch Gitterdefekte bzw. Strahlenschäden entstehen, sind sie auch bei höherer Temperatur instabil, d. h. die Rekombinationszentren können bei erhöhter Temperatur wieder ausgeheilt werden. Somit ist es auch bei diesem Bestrah­ lungsverfahren nicht möglich, eine Bestrahlung durchzuführen vor weiteren Verfahrensschritten, die eine erhöhte Temperatur erfordern, wie beispiels­ weise die Bildung einer legierten Zone oder die Kontaktierung der Halblei­ teroberfläche. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Rekombinationszen­ tren mit unterschiedlichem Rekombinationsniveau in der Bandlücke des Halbleiters erzeugt werden. Zur Optimierung der Bauelementeeigenschaften ist es jedoch wünschenswert, wenn nur ein bestimmtes Rekombinationsniveau mit vorbestimmter energetischer Lage in der Bandlücke des Halbleiters vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung von Rekombinations­ zentren mittels Ionenimplantation derart weiterzubilden, daß nur Rekom­ binationszentren mit einem vorbestimmten Rekombinationsniveau erzeugt werden und die Rekombinationszentren auch bei höheren Temperaturen stabil sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiterkör­ per zunächst mit Ionen vorbestimmter Energie bestrahlt wird und daß anschließend als Rekombinationszentren wirkende Atome in den Halbleiter mindestens bis zur Eindringtiefe der Ionen eindiffundiert werden.

Bei diesem Verfahren werden zunächst Gitterdefekte durch die Ionenbestrah­ lung erzeugt und dann anschließend als Rekombinationszentren wirkende Atome, wie beispielsweise Gold oder Platin, in den Halbleiterkörper eindiffundiert, wobei sich die eindiffundierten Atome bevorzugt an den Stellen der Gitterdefekte einlagern. Die Verteilung der eindiffundierten Atome paßt sich also der ursprünglichen Verteilung der Gitterdefekte an. Damit wird eine Zone mit erhöhter Rekombinationszentrendichte erzeugt, deren Tiefe im wesentlichen durch die Reichweite der Ionen festgelegt wird. Da letztlich die Rekombinationszentren nicht die Gitterdefekte, sondern die eindiffundierten Goldatome sind, wird eine Rekombinationszentrenverteilung erhalten, die auch bei höherer Temperatur stabil ist. Nach der Einstellung des vertikalen Rekombinationszentrenprofils lassen sich sowohl Legierungs­ schritte bei Temperaturen von 700 bis 800°C und selbstverständlich auch Kontaktierungsschritte bei niedrigerer Temperatur durchführen, ohne daß sich praktisch etwas an der Verteilung der Rekombinationszentren ändert.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Wie bereits erwähnt, werden die Rekombinationszentren, die im Halbleiter­ bauelement wirksam sind, durch die eindiffundierten Atome, wie beispiels­ weise Gold, gebildet, so daß sich nicht nur ein vorbestimmtes, sondern auch ein einheitliches Rekombinationsniveau in der Bandlücke des Halbleiters einstellen läßt. Da die Eindiffusion der Rekombinationszentren bei Temperaturen erfolgt, bei denen doch schon eine gewisse Ausheilung der Strahlenschäden stattfindet, ist es vorteilhaft, die Diffusionstemperatur zu einem vorgegebenen Halbleitervolumen so gewählt wird, daß die Anzahl der ausheilenden Gitterdefekte kleiner als die Anzahl der eindiffundierenden Atome ist.

Mit dem Verfahren läßt sich auch ein laterales Rekombinationsprofil einstellen. Zu diesem Zweck wird in den Strahlengang der Ionen vor der Halbleiteroberfläche eine Maske geschaltet, die in der Lage ist, die Energie der Partikel voll abzubremsen. Es werden dann nur Strahlenschäden in den Bereichen erzeugt, in denen die Maske für die Ionen durchlässig ist, so daß bei der nachfolgenden Eindiffusion die Rekombinationszentren auch nur in diesen Bereichen eingelagert werden.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Halbleiterkörper mit zwei eindiffundierten Halbleiterzonen,

Fig. 2 den Halbleiterkörper nach Fig. 1 mit einer zusätzlichen Zone, in der Gitterdefekte erzeugt sind, und

Fig. 3 den kontaktierten Halbleiterkörper mit einer Zone mit erhöhter und stabiler Rekombinationszentrendichte, die durch die Zone vorbe­ stimmt ist, in der Gitterdefekte erzeugt wurden.

In Fig. 1 wird ausgegangen von einem n-leitenden Halbleiterkörper aus Silicium, in den auf der einen Seite eine n⁺-leitende Zone 1 und auf der gegenüberliegenden Seite eine p-leitende Zone 2 in bekannter Weise eindif­ fundiert wird, wobei der mittlere Teil 3 des Halbleiterkörpers in dem n- leitenden Zustand verbleibt.

Durch Bestrahlung des diffundierten Halbleiterkörpers gemäß Fig. 1 mit beispielsweise Protonen wird eine Zone 4 erzeugt, in der durch die Reich­ weite der Protonen Gitterdefekte bzw. Strahlenschäden gebildet werden. Bei den üblichen Abmessungen der Halbleiterscheibe eines Halbleiterbauelements sind je nach Lage der Zone mit den Gitterdefekten Energien von 0,5 bis 3 MeV erforderlich. Anschließend wird der Halbleiterkörper einer Golddiffusion bei einer Temperatur im Bereich von 550 bis 800°C unterworfen, wobei sich in Fig. 3 die Zone 4 ausbildet, in der die eindiffundierten Goldatome eingelagert sind und damit die Zone 4 eine Zone mit stabiler erhöhter Rekombinationsdichte ist.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird der Halbleiterkörper anschlie­ ßend über eine Siluminfolie 5 mit einer Molybdänscheibe 6 verbunden und die gegenüberliegende Halbleiterscheibe mit einem Kontakt 7 versehen. Bis auf die Konfektionierung mit einem Gehäuse läßt sich mit den beschriebenen Verfahrensschritten eine Diodenstruktur erzeugen, die durch die Zone 4 mit erhöhter Rekombinationsdichte in einer vorbestimmten Tiefe besonders günstige Schalteigenschaften aufweist.

Das Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft zur Herstellung von abschalt­ baren Thyristoren und von schnellen Dioden anwenden. In beiden Fällen ist es nämlich erforderlich, in einer vorbestimmten Tiefe in dem Halbleiterkörper eine stabile Zone mit erhöhter Rekombination zu erzeugen, was gegenüber den bekannten Verfahren nur mit dem Verfahren gemäß der Erfindung möglich ist.

Claims (14)

1. Verfahren zur Erzeugung von Rekombinationszentren in dem Halbleiterkör­ per eines Halbleiterbauelements, wobei Ionen in den Halbleiterkörper implantiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zunächst mit Ionen vorbestimmter Energie bestrahlt wird, und daß anschließend als Rekombinationszentren wirkende Atome in den Halbleiterkörper mindestens bis zur Eindringtiefe der Ionen eindiffundiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionstemperatur für die einzudiffundierenden Atome so gewählt wird, daß in einem vorgegebenen Halbleitervolumen die Anzahl der auszuheilenden Gitterdefekte kleiner als die Anzahl der eindiffun­ dierenden Atome ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionen Protonen- oder Heliumkerne verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Rekombinationszentren Gold- oder Platinatome eindiffundiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Ionen so gewählt ist, daß die durch die Ionenim­ plantation erzeugten Gitterdefekte in vertikaler Richtung in einer vorbestimmten Zone des Halbleiterkörpers liegen, die nach der Eindif­ fusion der als Rekombinationszentren wirkenden Atome eine Zone mit erhöhter und stabiler Rekombination für die Minoritätsladungsträger bildet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang der Ionen vor der Halbleiteroberfläche eine Maske geschaltet ist, um ein laterales Rekombinationsprofil zu erzeugen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Rekombinationszentren im Ablauf der Verfah­ rensschritte zur Herstellung des Halbleiterbauelements vor der Bildung von Halbleiterzonen mittels eines Legierungsprozesses und/oder vor der Kontaktierung des Halbleiterkörpers erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Silicium.

9. Verfahren nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonenbestrahlung mit einer Energie im Bereich von 0,5 bis 3 MeV erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Golddiffusion bei einer Temperatur im Bereich von 650 bis 800°C durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bildung einer Zone mit erhöhter Rekombination in einem abschaltbaren Thyristor zur Verbes­ serung des Schaltverhaltens.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bildung einer Zone mit erhöhter Rekombination im anodenseitigen Bereich der Hauptbasiszone eines abschaltbaren Thyristors.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bildung einer Zone mit erhöhter Rekombination in einer p-n⁻-n⁺-Diode.

14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bildung einer Zone mit erhöhter Rekombination in einem beiderseitig an den p-n⁻ -Übergang angrenzenden Bereich einer p-n⁻-n⁺-Diode.