WO1995028009A1 - Halbleiterelement mit passivierter oberfläche und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Rolf Brendel
Jürgen Werner
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Definitions

  • the invention relates to methods for producing a semiconductor element according to the preamble of claim 1 and methods for measuring the electron life in semiconductor materials.
  • the lifespan of free charge carriers, such as electrons and holes in semiconductors, is an important factor for material characterization and for potential applications, such as the manufacture of components.
  • the lifespan of electrons and holes is determined by band-band recombination, Auger recombination and recombination via defects.
  • the lifespan of electrons and holes is determined by band-band recombination, Auger recombination and recombination via defects.
  • direct semiconductors it is of the order of magnitude in the ns range, for semiconductors with an indirect band gap in the ⁇ s range.
  • the recombination time of the charge carriers is limited by the radiating band-band recombination or the Auger recombination.
  • the recombination via the impurities acting as recombination centers increases.
  • Unsaturated bonds appear on the surface itself.
  • the recombination lifetime in a layer close to the surface is therefore considerably lower than in volume and reaches a minimum directly on the surface.
  • surface passivation is usually carried out in the prior art. This can be done, for example, by thermally applying an oxide layer to the semiconductor surface, such as silicon dioxide (SiO-,) on silicon.
  • an oxide layer such as silicon dioxide (SiO-,) on silicon.
  • the general rule here is that the quality of the surface passivation increases at higher process temperatures of thermal growth. The use of high temperatures is however the processing of many semiconductor components is undesirable.
  • Another method is hydrogen passivation, in which the electronic defects lying on the surface are saturated by the application of hydrogen. This method is widely used, for example, in solar cell research.
  • the disadvantage of this method is that the sample is subjected to hydrofluoric acid (HF) treatment, which is very dangerous on the one hand and is not permanent on the other because the hydrogen only adheres to the sample surface for a limited time.
  • HF hydrofluoric acid
  • the methods mentioned have further disadvantages.
  • the application of a thermal oxide layer is only possible with semiconductor materials that form a natural oxide, such as silicon, but not e.g. GaAs.
  • the hydrogen passivation process is also not suitable for all semiconductor materials.
  • the methods mentioned are only effective with regard to the defects lying in a very thin surface layer near the surface, while defects lying somewhat deeper in the material usually remain unaffected. The surface recombination can thus only be reduced inadequately and with a disproportionately high outlay in terms of process technology by means of the methods mentioned.
  • Fig. 1 the operation of the invention is shown schematically using a preferred embodiment.
  • an oxide 2 in this case silicon dioxide (SiO “) is first deposited on a semiconductor sample 1, for example from silicon (Si).
  • the deposition can be carried out at a low temperature. It can be accepted that a higher density of interface states occurs at the Si / SiO interface than would be expected if the process were carried out at high temperature.
  • Another insulator material for example glass, photoresist or plastics
  • the conduction and valence band of the semiconductor are bent upward by the negative charge carriers. This creates an electric field in the interior of the semiconductor element, by means of which electrons located in the conduction band are drawn from the area near the surface into the interior of the sample. Depending on the sign of the electrical charges and the band bending, the surface zone becomes depleted on a certain type of charge carrier. In the present case, these are the electrons as miniature carriers in p-conducting Si.
  • the arrows drawn in FIG. 1B schematically indicate how electrons are excited from the valence band into the conduction band by light absorption, for the sake of simplicity only the absorption near the band edges is shown.
  • the charge carriers are partially generated in the band-bent surface layer of the semiconductor when the light falls from the front. Under the influence of the electric field, these charge carriers then drift very quickly into areas far from the surface of the semiconductor in which the density of recombination centers is low. In some cases, the charge carriers are also generated in lower-lying regions of the semiconductor with a non-bent band structure. From the outset, the band bending prevents these charge carriers from diffusing into areas close to the surface.
  • the charge carriers can be applied very effectively by a corona discharge. With such corona discharges, a tip lying at a negative or positive potential is positioned at a distance from the surface of the sample, so that charged air molecules are sprayed onto the oxide surface.
  • the measured effective charge carrier lifetime (excitation wavelength 1.046 ⁇ m) rose from 17 ⁇ s (with surfaces uncharged on both sides of the wafer) to 833 ⁇ s (with surfaces charged on both sides). The latter value is probably a good approximation of the volume life of charge carriers in the sample used.
  • the method described can be used to first determine the volume lifetime for any semiconductor material sample very precisely and then for one and the same sample, using the known volume lifetime, the surface lifetime of the charge carriers on a metal deposited on the sample. or insulator layer.
  • the wafer is first provided on both sides with an insulator or oxide layer, to which, as already described, electrical charges are then applied.
  • a lifetime measurement is then carried out, which essentially provides the volume lifetime. If, for example, the surface service life is to be measured on one of the oxide layers already present, then only the electrical charges present there need to be removed again, after which a new service life measurement is carried out. This measurement then provides an effective service life, from which the surface service life of the oxide layer in question can be determined relatively easily over the known volume service life.
  • the oxide layer must be etched off on one side of the sample, to which, for example, a metal layer or another insulator layer is applied instead of the oxide layer. If a lifetime measurement is carried out again, the effective lifetime and the known volume lifetime, as already described above, can also be used to determine the surface lifetime on the newly applied layer relatively easily.
  • the method described so far is therefore already fully usable for lifetime measurements.
  • care must still be taken to ensure that the sprayed-on charges remain adhering to the surface of the oxide for a relatively long time.
  • This can be ensured, for example, by applying an additional cover layer 4, as shown in FIG. 1A.
  • the cover layer 4 can be thermally grown, for example. It can also consist of an insulator plate which is applied to the insulator layer 2 and is connected to it, for example by bonding.
  • the cover layer 4 can, for example, also be a plastic film.
  • the Cover layer 4 also consist of a material with a large band gap, such as SiC or diamond.
  • the described method is not only important for solar cells, but in general for all components whose function can be improved by adjusting the surface recombination, e.g. Photodiodes or high frequency components.
  • a decisive advantage of the method is that the semiconductor sample is not mechanically impaired during the passivation and at the same time the surface recombination is effectively suppressed.
  • any insulator such as silicon dioxide or glass
  • any insulator such as silicon dioxide or glass
  • the electrets mostly have disordered electrical dipole moments in the initial state, which e.g. can be aligned by an electric field, with which a permanent electric dipole moment is generated. However, the alignment can also be brought about by a corona discharge, in which case the applied charges can then be removed again.
  • the band bending should be brought and charged electret are enabled (the size of the band bending depends on the density of the rechargeable states in the surface).
  • Silicon wafers e.g. in steps of Elementary charges have shown that the lifetime f measured after each step shows a characteristic course (Q). Specifically, the lifespan of p-silicon was initially shorter and then drastically increased after passing through a minimum until it saturated (if the surface passivation was sufficiently good). The interpretation of this result is the following: As is known, thermal oxides on silicon always carry positive oxide charges in the volume of the oxide. As a result, the semiconductor strips near the surface are already bent in the direction of depletion in p-silicon. A standard method for determining this oxide charge, which plays an important role in components, is contacting CV measurement.

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Abstract

Bei einem Halbleiterelement (1) wird die Oberfläche dadurch passiviert, daß auf eine auf der Oberfläche des Halbleiterelements abgeschiedene Isolatorschicht (2), wie z.B. eine Oxidschicht, elektrische Ladungen (3) durch eine Koronaentladung aufgesprüht werden. Die Ladungen bewirken eine Verbiegung der elektronischen Bänder des Halbleiters in der Nähe der Oberfläche, durch die eine Verarmung eines Typs von Ladungsträgern in der defektreichen Oberflächenzone bewirkt werden kann. Alternativ dazu kann auch auf die Oberfläche des Halbleiters ein Elektret aufgebracht werden. Bei derart präparierten Halbleiterelementen kann die Volumenlebensdauer der Elektronen mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Anwendungen ergeben sich auch in der Solarzellenherstellung.

Description

Halbleiterelement mit passivierter Oberfläche und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Halb¬ leiterelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zur Messung der Elektronenlebensdauer in Halb¬ leitermaterialien.
Die Lebensdauer freier Ladungsträger, wie Elektronen und Löcher in Halbleitern ist eine wichtige Größe für die MaterialCharakterisierung und für potentielle Anwendungen, wie die Herstellung von Bauelementen. Bei einkristallinem Halbleitermaterial wird die Lebensdauer von Elektronen und Löchern durch Band-Band-Rekombination, Auger-Rekombination und Rekombination über Störstellen bestimmt. Sie liegt bei direkten Halbleitern größenordnungsmäßig im ns-Bereich, bei Halbleitern mit indirekter Bandlücke im μs-Bereich. Bei der Materialcharakterisierung ist man bestrebt, die Lebensdauer möglichst eindeutig zu bestimmen und mit anderen Material¬ größen wie Ladungsträgerkonzentration, Störstellenkon¬ zentration oder Bandabstand etc., in Beziehung zu setzen. In Bezug auf potentielle Anwendungen, also die Herstellung von Halbleiterbauelementen kommt es zumeist darauf an, die Rekombination nach Möglichkeit zu vermeiden, also die Lebensdauer freier Ladungsträger zu erhöhen, um die Eigen¬ schaften eines Bauelements, z.B. den Wirkungsgrad einer Solarzelle zu steigern. Bei Solarzellen und Photodioden stellt die Rekombination optisch generierter Ladungsträger, ob direkt (Band-Band) oder über Rekombinationszentren einen Verlustfaktor dar, der den Wirkungsgrad des Bauelements erniedrigt. In bestimmten Fällen, z.B. bei Hochfrequenzbauelementen, besteht andererseits das Bestreben, die Rekombination zu erhöhen. Wünschenswert sind deshalb insbesondere Verfahren, die es gestatten, Lebensdauern von Ladungsträgern einzu¬ stellen, z.B. dadurch, daß die Rekombination an der Ober¬ fläche kontrolliert und reversibel modifiziert wird.
Im Volumen des Halbleitermaterials ("bulk") ist je nach Material die Rekombinationszeit der Ladungsträger durch die strahlende Band-Band-Rekombination oder die Auger-Rekom¬ bination nach oben begrenzt. Mit zunehmender Konzentration an Störstellen nimmt die Rekombination über die als Re¬ kombinationszentren wirkenden Störstellen zu. An der Oberfläche selbst treten unabgesättigte Bindungen ("dangling bonds") auf. Bei einem Halbleiterelement mit freiliegender Oberfläche ist daher die Rekombinations-Lebensdauer in einer oberflächennahen Schicht erheblich niedriger als im Volumen und erreicht ein Minimum direkt an der Oberfläche.
Neben der bei Bauelementen wie Solarzellen abnehmenden Energieausbeute ist dies bei Lebensdauermessungen auch deshalb von Nachteil, da der gemessene zeitliche Abfall einer instantan, z.B. durch laseroptische kurzzeitige Anregung erzeugten Ladungsträgerkonzentration nicht nur die Volumenlebensdauer, sondern auch die Oberflächenlebensdauer enthält und die jeweils interessierende Lebensdauer wenn überhaupt dann nur durch aufwendige Anpassungsprogramme ermittelt werden kann.
Um diesem Problem zu begegnen, wird im Stand der Technik meist eine Oberflächenpassivierung durchgeführt. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß auf die Halbleiteroberfläche thermisch eine Oxidschicht aufgebracht wird, wie Silicium- dioxid (SiO-,) auf Silicium. Hierbei gilt jedoch, daß im allgemeinen die Qualität der Oberflächenpassivierung bei höheren Prozeßtemperaturen des thermischen Aufwachsens zunimmt. Die Verwendung hoher Temperaturen ist jedoch bei der Prozessierung von vielen Halbleiterbauelementen uner¬ wünscht. Ein anderes Verfahren ist die Wasserstoffpassi- vierung, bei der die an der Oberfläche liegenden elektroni¬ schen Defekte durch Aufbringen von Wasserstoff abgesättigt werden. Dieses Verfahren findet z.B. in der Solarzellen¬ forschung breite Anwendung. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Probe einer Flußsäure-(HF)Behandlung ausgesetzt wird, die zum einen sehr gefährlich und zum anderen nicht dauerhaft ist, da der Wasserstoff nur eine begrenzte Zeit an der Probenoberfläche haften bleibt.
Die genannten Verfahren haben darüber hinaus weitere Nachteile. Das Aufbringen einer thermischen Oxidschicht ist nur bei solchen Halbleitermaterialien möglich, die ein natürliches Oxid bilden, wie Silizium, nicht jedoch z.B. GaAs. Auch das Verfahren der Wasserstoffpassivierung eignet sich nicht bei allen Halbleitermaterialien. Zudem sind die genannten Verfahren auch nur in Bezug auf die in einer sehr dünnen, oberflächennahen Randschicht liegenden Defekte wirksam, während etwas tiefer im Material liegende Defekte meist unbeeinflußt bleiben. Durch die genannten Verfahren kann die Oberflächenrekombination somit nur unzureichend und unter unverhältnismäßig großem prozeßtechnischem Aufwand vermindert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver¬ fahren zur Herstellung eines Halbleiterelements anzugeben, bei dem die Oberflächenrekombination wirkungsvoller als bei den bekannten Verfahren unterdrückt wird und durch das die zu bearbeitende Probe möglichst wenig beeinträchtigt wird. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein verbessertes Verfahren zur Messung der Elektronenlebensdauer in Halbleitermateria¬ lien anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 10, 11 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausge¬ staltungen sind in den ünteransprüchen angegeben. Die Erfindung wählt im Gegensatz zum Stand der Technik nicht den bisweilen aufwendigen und zumeist nicht sehr effektiven Weg einer strukturellen Veränderung der im oberflächennahen Bereich liegenden Defekte des Halbleiterelements. Gemäß der Erfindung können diese Defekte im Prinzip unverändert bleiben. Verhindert wird jedoch, daß im Halbleiter frei bewegliche Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) in die defektreiche, oberflächennahe Zone eindringen und dort bei den als Rekombinationszentren wirkenden Defekten rekombi¬ nieren. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf der Oberfläche des Halbleiterelements eine Isolatorschicht abgeschieden wird und auf dieser dann elektrische Ladungen aufgebracht werden. Durch diese Maßnahmen wird die Dichte der Ladungsträger (wahlweise Elektronen oder Löcher) an den Orten einer hohen Zustandsdichte an Trap- oder Rekombi¬ nationszentren verringert.
In Fig. 1 ist die Wirkungsweise der Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt.
Wie in Fig. 1A dargestellt ist, wird zunächst auf einer Halbleiterprobe 1, z.B. aus Silicium (Si) ein Oxid 2, in diesem Fall also Siliciumdioxid (SiO„) abgeschieden. Die Abscheidung kann bei niedriger Temperatur durchgeführt werden. Dabei kann in Kauf genommen werden, daß an der Grenzfläche Si/SiO„ eine höhere Dichte an Grenzflächen- zuständen entsteht, als sie bei einer Prozeßführung mit hoher Temperatur erwartet werden würde. Es kann auch, ins¬ besondere bei einem Halbleitermaterial, das kein natürliches Oxid bildet, wie GaAs, ein anderes Isolatormaterial (z.B. Glas, Photolack oder Kunststoffe) aufgebracht werden. Dies kann zum Beispiel auch dadurch geschehen, daß der Isolator nicht in einem Wachstumsprozeß auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, sondern zunächst davon gesondert her¬ gestellt wird, mit elektrischen Ladungen beaufschlagt wird und erst dann auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht wird. Auf der Isolatorschicht 2 werden dann elektrische Ladungen 3, z.B. Elektronen, aufgebracht. Wie Fig. 1B schematisch zeigt, werden durch die negativen Ladungsträger das Leitungs- und Valenzband des Halbleiters nach oben gebogen. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld im Inneren des Halbleiterelements, durch das im Leitungsband befind¬ liche Elektronen aus dem oberflächennahen Bereich in das Innere der Probe gezogen werden. Die Oberflächenzone verarmt je nach dem Vorzeichen der elektrischen Ladungen und der Bandverbiegung an einem bestimmten Typ von Ladungsträgern. Im vorliegenden Fall sind dies die Elektronen als Minori¬ tätsträger in p-leitendem Si.
Die in Fig. 1B eingezeichneten Pfeile deuten schematisch an, wie durch Lichtabsorption Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden, wobei der Einfachheit halber nur die Absorption nahe der Bandkanten dargestellt ist. Je nach der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe des Lichts werden die Ladungsträger bei frontalem Licheinfall teilweise in der bandverbogenen Oberflächenschicht des Halbleiters erzeugt. Diese Ladungsträger driften dann unter dem Einfluß des elektrischen Feldes sehr schnell in Bereiche fern der Oberfläche des Halbleiters, in denen die Dichte an Re¬ kombinationszentren niedrig ist. Teilweise werden die Ladungsträger auch in tiefer liegenden Bereichen des Halb¬ leiters mit nichtverbogener Bandstruktur generiert. Die Bandverbiegung hindert diese Ladungsträger von vornherein daran, in oberflächennahe Bereiche zu diffundieren. Bei Lebensdauermessungen wird somit im wesentlichen nur noch die Ladungsträgerlebensdauer des Volumenhalbleiters gemessen. Die Oberflächenrekombination wird durch dieses Verfahren wirkungsvoll unterdrückt, ohne daß die oberflächennahen Defekte selbst strukturell verändert werden müssen. Die Oxidschicht 2 kann daher auch bei niedrigen Temperaturen aufgewachsen werden. Auch können andere Passivierschichten (z.B. Nitride) als Oxide eingesetzt werden. Wie Experimente gezeigt haben, können die Ladungsträger sehr wirkungsvoll durch eine Koronaentladung aufgebracht werden. Bei derartigen Koronaentladungen wird eine auf negativem oder positivem Potential liegende Spitze in einem Abstand zu der Oberfläche der Probe positioniert, so daß geladene Luftmoleküle auf die Oxidoberfläche aufgesprüht werden. Hierbei ist zum Beispiel auch vorstellbar, daß andere Elemente oder Verbindungen in ionisierter Form auf die Isolatoroberfläche aufgebracht werden, wenn das Verfahren in der Atmosphäre einer gewünschten Spezies durchgeführt wird. Bei den Experimenten wurden p-leitende Si-Wafer mit einer Dicke von 280 μm und einem spezifischen Widerstand von etwa 1.0.cm verwendet, auf die ein thermisches Oxid in einem Temperaturbereich um 1000° aufgebracht wurde. Dieses Oxid wurde jedoch anschließend nicht weiter optimiert hinsicht¬ lich der Qualität der Grenzfläche Si/Si02. Jedoch konnten durch negative wie positive Aufladung der Isolatorschicht mit Hilfe der Koronaentladung elektrische Felder von mehr als lMV/c in der Nähe der Oberflächenzone des Halbleiters erzeugt werden. Die gemessene effektive Ladungsträgerlebens¬ dauer (Anregungswellenlänge 1,046 μm) stieg dabei von 17 μs (mit auf beiden Seiten des Wafers ungeladenen Oberflächen) auf 833 μs (mit auf beiden Seiten geladenen Oberflächen) . Der letztgenannte Wert stellt wahrscheinlich in guter Näherung die Volumenlebensdauer von Ladungsträgern in der verwendeten Probe dar.
Es können also auch positive Ladungen aufgebracht werden, wobei die elektronischen Bänder sich dann natürlich in umgekehrter Richtung verbiegen.
Für Lebensdauermessungen kann das beschriebene Verfahren dafür verwendet werden, bei einer beliebigen Halbleiter¬ materialprobe zunächst die Volumenlebensdauer sehr genau zu bestimmen und dann bei ein und derselben Probe mit Hilfe der bekannten Volumenlebensdauer die Oberflächenlebensdauer der Ladungsträger an einer auf der Probe abgeschiedenen Metall- oder Isolatorschicht zu bestimmen. Hierfür wird der Wafer zunächst beidseitig mit einer Isolator- oder Oxidschicht versehen, auf die dann, wie schon beschrieben, elektrische Ladungen aufgebracht werden. Dann wird eine Lebensdauer¬ messung durchgeführt, die im wesentlichen die Volumenlebens- dauer liefert. Soll nun beispielsweise die Oberflächen¬ lebensdauer an einer der schon vorhandenen Oxidschichten gemessen werden, so müssen lediglich die dort vorhandenen elektrischen Ladungen wieder entfernt werden, worauf eine neue Lebensdauermessung durchgeführt wird. Diese Messung liefert dann eine effektive Lebensdauer, aus der über die bekannte Volumenlebensdauer verhältnismäßig einfach die Oberflächenlebensdauer an der betreffenden Oxidschicht bestimmt werden kann. Wenn hingegen die Rekombinationseigen¬ schaften an einer gänzlich neuen, noch aufzubringenden Schicht ermittelt werden sollen, so muß auf einer Seite der Probe die Oxidschicht abgeätzt werden, worauf anstelle der Oxidschicht je nach Wahl beispielsweise eine Metallschicht oder eine andere Isolatorschicht aufgebracht wird. Wenn nun wieder eine Lebensdauermessung durchgeführt wird, kann aus der effektiven Lebensdauer und der bekannten Volumenlebens¬ dauer, wie schon oben beschrieben, auch die Oberflächen¬ lebensdauer an der neu aufgebrachten Schicht relativ einfach ermittelt werden.
Für Lebensdauermessungen ist das bis hierhin beschriebene Verfahren also bereits jetzt voll einsetzbar. Bei Anwendun¬ gen auf dem Bereich Solarzellen muß noch dafür gesorgt werden, daß die aufgesprühten Ladungen auch für längere Zeit an der Oberfläche des Oxids haften bleiben. Dies kann zum Beispiel durch Aufbringen einer zusätzlichen Deckschicht 4, wie in Fig. 1A dargestellt, gewährleistet werden. Die Deck¬ schicht 4 kann z.B. thermisch aufgewachsen werden. Sie kann auch aus einer Isolatorplatte bestehen, die auf die Iso¬ latorschicht 2 aufgebracht wird und mit ihr z.B. durch Bonden verbunden wird. Die Deckschicht 4 kann aber zum Beispiel auch eine Kunststoff-Folie sein. Weiterhin kann die Deckschicht 4 auch aus einem Material mit großer Bandlücke bestehen, wie SiC oder Diamant.
Das beschriebene Verfahren ist jedoch nicht nur für Solar¬ zellen wichtig, sondern allgemein für alle Bauelemente, deren Funktion durch Einstellung der Oberflächenrekombi¬ nation verbessert werden kann, z.B. Photodioden oder Hoch¬ frequenzbauelemente.
Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens ist, daß die Halb¬ leiterprobe bei der Passivierung mechanisch nicht beein¬ trächtigt wird und die Oberflächenrekombination zugleich wirkungsvoll unterdrückt wird.
Weiter oben wurde bereits erwähnt, daß man einen beliebigen Isolator wie zum Beispiel das Siliziumdioxid oder Glas verwenden kann, um den Feldeffekt in den oberflächennahen Bereichen des Halbleiters durch Aufladung als Passivierung zu nutzen. Sehr vielversprechend erscheinen jedoch auch sogenannte Elektrete, die z.B. in Mikrofonen zum Einsatz kommen und in der Praxis zumeist aus Kunststoffilmen, etwa aus Polymeren (enorme Vielfalt, z.B. Polypropylen = PP, Polyethylen = PE, Polyester, Polyethylenterephthalat = PET, Hostaphan, Mylar, Teflon AF, usw.) bestehen. Die Elektrete besitzen zumeist im Ausgangszustand ungeordnete elektrische Dipolmomente, die z.B. durch ein elektrisches Feld aus¬ gerichtet werden können, womit ein permanentes elektrisches Dipolmoment erzeugt wird. Die Ausrichtung kann aber auch durch eine Corona-Entladung herbeigeführt werden, wobei die aufgebrachten Ladungen anschließend wieder entfernt werden können. Nach einer geeigneten Vorbehandlung der Halbleiter¬ oberfläche - beispielsweise durch einen gebräuchlichen
HF-dip oder etwas Ähnlichem - zur Verringerung der Ober- flächenzustandsdichte auf schätzungsweise D. <10 13 oder 10 12cm-2eV-1 sollte die Bandverbiegung durch das aufge- brachte und aufgeladene Elektret ermöglicht werden (die Größe der Bandverbiegung ist von der Dichte der umladbaren Zustände in der Oberfläche abhängig) .
Versuche zur schrittweisen Aufladung von Oxiden auf
Siliziumscheiben (beispielsweise in Schritten von
Figure imgf000011_0001
Elementarladungen) haben gezeigt, daß die nach jedem Schritt gemessene Lebensdauer f einen charakteristi¬ schen Verlauf (Q) zeigt. Konkret wurde die Lebensdauer bei p-Silizium zunächst kleiner und nach Durchlaufen eines Minimums drastisch erhöht, bis sie (bei genügend guter Oberflächenpassivierung) sättigte. Die Interpretation dieses Ergebnisses ist die folgende: Bekannterweise tragen ther¬ mische Oxide auf Silizium immer positive Oxidladungen im Volumen des Oxids. Dadurch werden die Halbleiterbänder nahe der Oberfläche bereits in Richtung Verarmung bei p-Silizium verbogen. Eine Standardmethode zur Bestimmung dieser Oxid¬ ladung, die in Bauelementen eine wichtige Rolle spielt, ist die kontaktierende C-V-Messung. Durch die in unserem Fall negative Aufladung der Oxidoberfläche werden zunächst die Bänder des Siliziums aus der Verarmung in den Flachband- zustand gebracht; dadurch steigt die Oberflächenrekombi¬ nation an, d.h. die gemessene Ladungsträgerlebensdauer sinkt. Sobald die Bänder jedoch in die Anreicherung gehen, sinkt die Rekombination, bis sie letztendlich praktisch völlig ausgeschaltet ist. Der Verlauf der Lebensdauer t (Q) sagt somit etwas über die in der Halbleitertechnologie wichtigen Grenzflächenparameter wie Oxidladung, Zustands- dichte, Ladungsträgereinfangquerschnitte der Störstellen, energetische Lage der Rekombinationsniveaus in der Bandlücke des Halbleiters, etc. aus, die durch Modellsimulation zumindest teilweise quantifizierbar sein sollten. Die Charakterisierung von Oxiden von Lebensdauermessungen mit stufenweiser Koronapassivierung scheint demnach eine berührungslose Alternative zu bisherigen Verfahren zu sein.

Claims

10PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements (1) mit passivierter Oberfläche gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Aufbringen einer Schicht (2) aus einem elektrischen Isolator auf die Oberfläche des Halbleiterelements (1) ; b) Aufbringen von elektrischen Ladungen (3) auf die Ober¬ fläche der Isolatorschicht (2) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Aufbringen der elektrischen Ladungen (3) im Verfahrensschritt b in einer oberflächennahen Zone des Halbleiterelements eine Verbiegung des Leitungs- und des Valenzbandes des Halbleiters bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt b die elektrischen Ladungen durch eine Koronaentladung aufgebracht werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ladungen (3) ionisierte Gasmoleküle sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (2) ein Oxid des Halbleitermaterials ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium und die Isolatorschicht (2) Siliciumdioxid ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid im Verfahrensschritt a) in einem Temperaturbereich 0° bis 1200°C aufgewachsen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (2) aus Glas besteht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Verfahrensschritt (c) , in dem auf die Isolatorschicht (2) und auf die auf ihrer Oberfläche befindlichen elektrischen Ladungen (3) eine Deckschicht (4) aufgebracht wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements mit passivierter Oberfläche, gekennzeichnet durch die Verfah¬ rensschritte a) Vorbehandlung mindestens eines Teils der Oberfläche des Halbleiterelements zur Verringerung der Oberflächen- zustandsdichte; b) Aufbringen eines Elektrets auf den vorbehandelten Teil der Oberfläche.
11. Verfahren zur Messung der Volumenlebensdauer von Elektronen in einem Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Aufbringen einer Schicht (2) aus einem elektrischen Isolator auf mindestens einen Teil der Oberfläche einer Probe des Halbleitermaterials; b) Aufbringen von elektrischen Ladungen (3) auf die Ober¬ fläche der Isolatorschicht (2) ; c) Messung der Lebensdauer.
12. Verfahren zur Messung des Volumenlebensdauer von Elektronen in einem Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Vorbehandlung mindestens eines Teils der Oberfläche einer Probe des Halbleitermaterials zur Verringerung der Ober- flächenzustandsdichte; b) Aufbringen eines Elektrets auf den vorbehandelten Teil der Oberfläche; c) Messung der Lebensdauer.
13. Halbleiterelement (1) mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche und einer auf die Oberfläche aufgebrachten Schicht (2) aus einem elektrischen Isolator, gekennzeichnet durch auf die Oberfläche der Isolatorschicht (2) aufgebrach¬ te elektrische Ladungen (3) .
14. Halbleiterelement nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine auf die Isolatorschicht und die elektrischen Ladungen (3) aufgebrachte Deckschicht (4) .
15. Halbleiterelement nach .inspruch 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der elektrische Isolator das Oxid des Halbleitermaterials ist.
16. Halbleiterelement nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silicium und der elektrische Isolator Siliciumdioxid ist.
17. Halbleiterelement, gekennzeichnet durch ein auf seiner Oberfläche aufgebrachtes Elektret mit einem permanenten elektrischen Dipolmoment.
18. Verwendung eines Halbleiterelements nach einem der Ansprüche 13 bis 17 als elektronisches Bauelement.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement eine Solarzelle ist.
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