DE69117889T2 - Verfahren zur Einführung und Diffundierung von Platin-Ionen in einem Siliziumplättchen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen und Diffundieren von Platinionen in eine Siliziumscheibe, die Halbleiterbauelemente aufweist.
• Das Erfordernis, die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern in Halbleiterbauelementen zu verringern, leitet sich aus unterschiedlichen Anwendungs-Erfordernissen für jeden Bauelementtyp ab: Leistungs-MOS- FETs, schnelle Dioden, IGBTs, Bipolar-Leistungstransistoren, Tyristoren.
• In jedem Fall besteht das Ziel darin, die Löschzeiten des Bauelements zu reduzieren, um dadurch dessen Energieverluste während des Schaltvorgangs herabzusetzen, ohne seine statischen Kennwerte zu beinträchtigen.
• Die am weitesten verbreiteten Methoden zum Verringern der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer bei Halbleiterbauelementen sind das Aufbringen von Gold, das Aufbringen von Platin und die Elektronenbestrahlung.
• Das Aufbringen von Gold wird häufig benutzt, es führt jedoch zu zwei unerwünschten Effekten: Erstens bewirkt es eine beträchtliche Zunahme des Leckstroms, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Außerdem verursacht es eine wesentliche Zunahme des spezifischen Widerstands des Siliziums.
• Soweit die Elektronen-Bestrahlung betroffen ist, ruft sie, wenngleich sie auch nicht zu hohen Leckströmen flihrt, eine beträchtlichte Beschädigung der Si-SiO&sub2;-Grenzfläche hervor, was sich in einer Absenkung der Schwellenspannung bei MOS-Bauelementen bemerkbar macht. Sie ist möglicherweise auch empfindlich gegenüber thermischen Prozessen bei geringer Temperatur (von etwa 400 bis 500º C), beispielsweise dem Prozeß des Befestigens des Bauelements an seiner Unterlage, üblicherweise als Chipbefestigung bezeichnet.
• Das Aufbringen von Platin liefert mehrere Vorteile.
• Tatsächlich weist es einen geringen Leckstrom auf, ferner Stabilität gegenüber thermischen Prozessen bei geringer Temperatur (unterhalb 700º C), und darüber hinaus besitzt es im Vergleich zu dem Prozeß mit Gold-Niederschlagung geringere Schwankungen des spezifischen Widerstands des Siliziums.
• Der derzeit im Stand der Technik eingesetzte Prozeß besteht aus dem Einbringen von Platin in die Siliziumscheibe mit Hilfe eines Niederschlagungsprozesses von der Rückseite der Scheibe her, gefolgt von einem Diffusionsprozeß bei einer Temperatur von etwa 900º C.
• Bei diesem Prozeß wird während der Diffusion eine dünne Schicht aus Siliziumoxid gebildet, die die weitere Diffusion des Platins selbst stoppt.
• Ein erstes Verfahren zum Entfernen der Siliziumoxidschicht sieht, vor, daß vor dem Aufbringen von Platin eine Paladium-Schicht über die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht wird, die den Zweck hat, das Diffundieren von Platin zu erleichtern. Als eine Alternative erfolgt die Bildung der Si-Pt-Grenzfläche von Platinsiliziden, die geeignet sind, die Diffusion des Platins in dem Halbleiter zu fördern. Beide Verfahren sind in der US-A-4 925 812 beschrieben.
• In jedem Fall ist das Aufbringen von Platin beträchtlichen Beschränkungen unterlegen, auch wenn komplizierter Prozesse angewendet werden.
• An erster Stelle bestimmt sich die Menge des in das Silizium eindiffundierten Platins durch den thermischen Diffusionsprozeß und durch die Feststofflösbarkeit des Platins in dem Silizium.
• An zweiter Stelle verhält sich die Oberfläche wie eine unendliche Quelle, und die Verteilung von Platin über die Länge der Scheibe ist stark ungleichmäßig, da die Platinkonzentration der Feststofflöslichkeit gleicht.
• Schließlich läßt sich das Niederschlagen von Platin nur auf der Rückseite der Halbleiterscheibe ausführen und ermöglicht nicht das Einbringen von Platin in solche Siliziumbereiche, die durch Maskierung begrenzt sind.
• Falls es erwünscht ist, das Niederschlagen von Platin in genau definierten Bereichen auf der Vorderseite der Scheibe vorzunehmen, ist ein solches Niederschlagen im Stand der Technik unmöglich.
• Die FR-A-22 41 141 offenbart ein Verfahren zum Steuern der Ladungsträger-Lebensdauer in einem Halbleiterkörper, welches das Implantieren und Diffundieren von Platinionen in eine Siliziumscheibe beinhaltet, die mit PN-Übergängen ausgestattet ist. Der Diffusionsschritt wird in einer Atmosphäre aus inertem Gas, beispielsweise Wasserstoff, ausgeführt.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile mit einem Prozeß zu überwinden, der das Einbringen einer gesteuerten Menge Platinionen in eine Scheibe eines Halbleitermaterials von der Rückseite oder von der Vorderseite her in durch Maskierung genau definierte Bereiche vorsieht, wobei die Menge geringer ist als die Feststofflöslichkeit, und ihre Verteilung in gleichförmiger Weise im Inneren des Scheibenmaterials und verteilt über die gesamte Scheibe hinweg erfolgt, um solche Widerstandsprofile zu erzielen, die über die Gesamtdicke und die Oberfläche der Halbleiterscheibe konstant sind.
• Ein weiteres Ziel besteht in der Herstellung von Haibleiterbauelementen mit verbesserten dynamischen Eigenschaften.
• Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit Hilfe eines Verfahrens nach Anspruch 1 erreicht.
• Gemäß einer seiner möglichen Ausführungsformen sieht der erfindungsgemäße Prozeß das Implantieren von Platinionen von der Rückseite der Siliziumscheibe her und vor der Ausbildung der Kontakte sowie dem Metallisierungsschritt vor.
• Als eine Alternative wird der erfindungsgemäße Prozeß zum Implantieren von Platinionen von der Vorderseite der Siliziumscheibe her nach der Bildung der Kontakte und vor dem Metallisierungsschritt ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, in das Silizium eine perfekt gesteuerte und definierte Menge Platin einzubringen, wobei entweder von der Rückseite oder von der Vorderseite der Siliziumscheibe her solche Bereiche bearbeitet werden, die durch Maskierung perfekt definiert sind. Im Fall der Ionenimplantation von der Rückseite her ist die erhaltene Platinverteilung perfekt gleichförmig (ohne Diskontinuitäten) über der gesamten Oberfläche einer Scheibe mit einer Größe von 10 - 20 cm (4 bis 8 Zoll). Es wurde außerdem experimentell gezeigt, daß im Fall der Inonenimplantation sämtliche Bauelemente in der Scheibe selbst die gleiche Menge Platinionen aufnehmen.
• Es folgt eine Diffusion bei einer Temperatur von 850º C bis 1000º C in einer Stickstoffatmosphäre, um zu verhindern, daß ein Teil des Platins von der Oberfläche "abdampft". Es wurde tatsächlich herausgefunden, daß eine Oberflächen-"Nitrifizierung" stattfindet, die das Platin im Inneren des Siliziums einfriert.
• Die Diffusionstemperatur ist derart gewählt, daß sie überhaupt keinen Einfluß auf die bereits in dem Silizium ausgebildeten Übergänge hat, deren Tiefe völlig unverändert bleibt.
• Der erfindungsgemäße Prozeß läßt sich beispielsweise mit der Anlage durchführen, die in der italienischen Patentanmeldung 19 134 A/90 vom 23. Januar 1990 beschrieben ist.
• Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich besonders gut für Leistungs-MOS- und IGBT-Bauelemente, ist jedoch auch anwendbar auf bipolare Strukturen und weist zahlreiche Vorteile gegenüber den üblichen Methoden auf:
• a) Es vereinfacht wesentlich die Prozeßschritte;
• b) es erlaubt das Einbringen einer perfekt gesteuerten Menge Platinionen, die geringer ist als die Feststofflöslichkeit, mit sehr hoher Gleichförmigkeit in eine Scheibe; dies bedeutet eine endliche Quelle von Platinionen an der Oberfläche, die einzige Möglichkeit, perfekt "flache" Konzentrationsprofile über die Dicke der Scheibe zu erhalten;
• c) wenn die Ionenimplantation von der Rückseite her vorgenommen wird, ermöglicht sie eine gleichförmige Verteilung von Platin über die gesamte Oberfläche einer Scheibe mit einer Größe von 10 bis 20 cm (4 bis 8 Zoll);
• d) schließlich hat es den Vorteil, daß es die Platinionen auch von der Vorderseite der Scheibe her über Maskierungsfenster einbringt.
• Die Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus ihren Ausführungsbeispielen, die ohne beschränkenden Charakter in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
• Fig. 1 - 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prozesses;
• Fig. 4 Prozeßschritte, die Alternativen zu jenen darstellen, die in Figur 2 gezeigt sind.
• Figur 1 faßt all die Prozeßschritte bis zu der Erreichung eines Halbleiterbauelements vom Leistungs-MOS-Typ, allgemein mit 10 bezeichnet, zusammen.
• Diese umfassen insbesondere die Ausbildung einer epitaktischen Schicht 1 vom Typ N- mit hohem spezifischen Widerstand (von 20 bis 100 Ohm-cm) auf einem Siliziumsubstrat 1 mit einer starken Dotierung vom Typ N+.
• Auf Körperzonen 3 vom Typ P+ auf der epitaktischen Schicht 2 ist im Inneren jeder Zone 3 des Typs P+ ein Paar von Zonen des Typs N+ sowie ein Paar von Kanalzonen 13 des Typs P- gebildet.
• Über der epitaktischen Schicht 2 liegt zwischen jedem Paar von Körperzonen 3 mit einer Zwischenlage eines Gateoxids 6 eine Polysiliziumschicht 5, welche die Gateelektrode bildet.
• Über der gesamten Oberseite oder Vorderseite des Bauelements ist schließlich ein Passivierungsoxid 7 aufgebracht, welches die Aufgabe hat, die Gateelektroden 5 von der nachfolgenden Source-Metallisierung zu trennen.
• An dieser Stelle sind sämtliche thermischen Prozesse hoher Temperatur ausgeführt.
• Wie in Figur 2 zu sehen ist, sieht der erfindungsgemäße Prozeß nun die Ausführung einer chemischen Ätzung von der Rückseite des Substrats 1 her vor, um eine Oxidschicht 20 zu beseitigen, die unvermeidlich auf die Unter- oder Rückseite des Substrats 1 aufgewachsen war, gefolgt von einer Implantation von Platinionen (Pt) mit einer Energie von 40 KeV mit einer Dosis, die abhängig von den jeweiligen Bauelementen zwischen 1E12 Atomen/cm² bis 1E14 Atomen/cm² schwankt. Die Auswahl der Dosis hängt ab von dem Wert der gewünschten Minoritätsladungsträger-Lebensdauer und von dem spezifischen Widerstand der epitaktischen Schicht 2 vom Typ N-.
• Eine perfekte Abhängigkeit wurde zwischen der Implantations-Dosis und der Lebensdauer festgestellt. Außerdem erhöht das Einbringen von Platin in Silizium dessen spezifischen Widerstand. Diese Zunahme ist bei einem hohen spezifischen Ausgangswiderstand und bei einer hohen Menge eingebrachten Platins stärker.
• Nach dem Pt-Implantierungsprozeß folgt ein Diffundieren in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 850º C bis 1000º C für eine Zeit zwischen 1 h und 10 h. Die Temperatur und die Diffusionszeit sind so gewählt, daß die Tiefen der bereits fertigen Übergänge nicht geändert werden.
• Dann schließt sich gemäß Figur 3 das Öffnen der Kontakte durch Ätzen des Passivierungsoxids 7 zur Bildung von Fenstern 10 an, die Zugriff zu den darunterliegenden Sourcezonen 4 ermöglichen. Das Oxid 7 bleibt nur deshalb stehen, um die Gateelektroden 5 vollständig gegenüber einer weiteren Schicht einer Source-Metallisierung 9 zu isolieren, die anschließend über die gesamte Oberfläche des Bauelements aufgebracht wird. Danach wird eine weitere Metallisierungsschicht 11 auf die Rückseite des Substrats 1 für die Drain-Metallisierung aufgebracht. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ausgegangen von der in Figur 1 dargestellten Situation, und es wird das Passivierungsoxid 7 in Bereichen 12 fortgeätzt, um Zugriff zu den Sourcezonen 4 zu erhalten. An dieses Ätzen schließt sich gemäß Figur 4 das Implantieren von Platin auf der Vorderseite des Bauelements in Pfeilrichtung an, danach erfolgt seine Diffusion in das Bauelement.
• An diese Schritte schließt sich das Aufbringen der Metallisierung 9, 11 in einer Weise an, die grundsätzlich ähnlich dem ersten. Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist.
• Allgemein ausgedrückt, sollte beachtet werden, daß die Menge der sowohl von der Rückseite als auch der Vorderseite her implantierten Platinionen, die im Inneren des Siliziums verteilt sind, aufgrund des speziellen Diffusionsmechanismus die Neigung hat, sich vorzugsweise über die Oberflächen zu verteilen.
• Wenn die Pt-Quelle unendlich ist, wie es der Fall beim Niederschlagen von Pt ist, ist das Konzentrationsprofil ein perfekt symmetrisches, U- förmiges Profil.
• Um flache Konzentrationsprofile zu erhalten, sind lange Diffusionszeiten erforderlich (10 bis 20 Stunden), und die Konzentration läßt sich nicht steuern, jedoch hängt dies ab von der Feststofflöslichkeit bei der Diffusionstemperatur.
• Wenn die erfindungsgemäße Pt-Implantierung eingesetzt wird, hat das Konzentrationsprofil noch eine U-Form, es ist aber möglich, die Anzahl implantierter Ionen kleiner zu halten als den Wert der Feststofflöslichkeit bei der Diffusionstemperatur.
• In der Praxis liefert das eine endliche Quelle von Pt, und die Verteilung über die Dicke der Scheibe ist bereits bei sehr kurzen Zeiten (von 0,5 bis 2 Stunden) konstant, wobei sich die Konzentration durch die Implantierungs-Dosis bestimmt.
• Da der spezifische Widerstand des Siliziums durch die Konzentration von Pt heraufgesetzt wird (proportional zur Konzentration des Pt und zu dem spezifischen Widerstand des Siliziums), ergibt sich, daß die Profile des spezifischen Widerstands auch jenen der Konzentration folgen.
• Damit gestattet die Erfindung das Einbringen starker Konzentrationen von Pt in das Silizium (10¹&sup5;-10¹&sup7; Pt/cm³) sogar für hohe spezifische Widerstände (etwa 20 bis 100 Ohm-cm), um perfekt flache und gesteuerte spezifische Widerstandsprofile über die Dicke der Siliziumscheibe zu erhalten.
• Es wurde herausgefunden, daß dies die beste Leistung des Bauelements hinsichtlich des Ausgangswiderstands und Schaltverlusten ergibt.
• Es wurde ebenfalls herausgefunden, daß im Fall der Ionenimplantation sämtliche Bauelemente der Scheibe die gleiche Menge an Siliziumionen empfangen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit verringerter Minoritätsladungsträger-Lebensdauer, bei dem eine Siliziumscheibe nacheinander thermischen Hochtemperatur-Schritten ausgesetzt wird, in die Scheibe durch Inonenimplantation und Diffusion Platinionen eingebracht werden, und anschließende Schritte zum Öffnen von Kontakten und zur Oberflächenmetallisierung folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion von Platin in einer Stickstoffatmosphäre während einer Zeit ausgefuhrt wird, die ausreicht, um ein Widerstandsprofil zu erreichen, welches über die Dicke der Siliziumscheibe konstant ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantierung von Platinionen auf der Rückseite der Siliziumscheibe vor der Bildung der Kontakte und dem Metallisierungsschritt durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantierung von Platinionen auf der Vorderseite der Siliziumscheibe nach der Bildung der Kontakte und vor dem Metallisierungsschritt durchgefuhrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Implantieren von Platinionen mit einer Dosis erfolgt, die geringer ist als die Halbleiter-Feststofflöslichkeit bei der Diffusionstemperatur.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis von 1E12 Atomen/cm² bis 1E14 Atomen/cm² reicht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionszeit von 1 bis 10 Stunden reicht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Haibleiterbauelement ein Leistungs-MOS-Bauelement ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein IBGT-Bauelement (ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate) ist.