CH670332A5

CH670332A5 -

Info

Publication number: CH670332A5
Application number: CH3727/86A
Authority: CH
Inventors: Bruno Dr Adam; Andre A Dr Jaecklin; Thomas Vlasak
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1986-09-17
Filing date: 1986-09-17
Publication date: 1989-05-31
Also published as: US4806497A; JPS6381856A; DE3728170A1

Description

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitertechnologie. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung grossflächiger Leistungs-Halbleiterbauelemente, welches die folgenden Schritte umfasst:

(a) Erzeugung eines Halbleitersubstrats mit einer Grunddotierung;

(b) Erzeugung eines tiefliegenden p-n-Übergangs im Halb-leitersubstrat durch eine Belegung des Halbleitersubstrats mit Fremdatomen und anschliessendes Eintreiben der Fremdatome in das Halbleitersubstrat; und

(c) Einstellen der Trägerlebensdauer durch Einbringen von Rekombinationszentren in das Halbleitersubstrat.

Stand der Technik

Grundlage für die Herstellung von Halbleiterbauelementen im Allgemeinen bildet das gezielte Einbringen von Störstellen und Rekombinationszentren in Form von Fremdatomen (bei

Störstellen z.B. Al, As, B, Ga, P; bei Rekombinationszentren z.B. Au oder Pt).

Speziell bei Leistungs-Halbleiterbauelementen für grosse Ströme und hohe Sperrspannungen werden tief im Halbleitersubstrat liegende p-n-Übergänge gefordert. In diesem Fall teilt sich das Einbringen von Fremdatomen üblicherweise in zwei Schritte auf: die oberflächennahe Belegung des Halbleitersubstrats mit den Fremdatomen und das anschlièssende Eintreiben der Fremdatome in das Halbleitersubstrat (drive-in).

Während für das Eintreiben üblicherweise ein Diffusions-prozess verwendet wird, erfolgt die Belegung im Stand der Technik mittels eines Gasphasen-, in speziellen Fällen auch mittels eines Flüssigphasen-Prozesses.

Andererseits werden bei der Herstellung von Leistungs-Halbleiterbauelementen einzeln auch Bestrahlungprozesse verwendet. Hier ist z.B. die Neutronenbestrahlung zu nennen, die über eine Kernumwandlung im Si-Substratmaterial zu einer Phosphor-Grunddotierung führt (sogen, neutron transmutation doping). Aber auch eine Ionenimplantation für die Fremdatom-Belegüng oder eine Elektronen-,y-, oder Protonen-Bestrahlung finden einzeln Anwendung.

Bei Leistungs-Halbleiterbauelementen mit ihren grossen Substratflächen ist eine maximale Ausnützung der Substrate nur dann zu erreichen, wenn sowohl innerhalb eines einzelnen Bauelements, als auch über die gesamte Fertigungsmenge möglichst homogene Eigenschaften erzielt werden.

Besonders kritisch sind die Homogenitätsforderungen dann, wenn die Zielwerte für die dynamischen Daten der Bauelemente sehr hoch liegen, wie dies z.B. beim Abschaltthyristor (GTO = Gate 7\irn Off) der Fall ist, welcher aus einer grossen Zahl (etwa 100 bis über 1000) von Einzelthyristoren besteht, die alle möglichst gleiche Eigenschaften aufweisen sollten.

Konventionelle (d.h Nicht-Bestrahlungs-) Verfahren haben aus den nachstehenden Gründen eine inhomogene Verteilung von Störatomen bzw. Rekombinationszentren zur Folge:

— Dotierungsverfahren mittels Abscheidung aus der flüssigen oder der gasförmigen Phase sind durch Strömungen getragen, die entsprechende Inhomogenitäten zur Folge haben;

— gewisse Fremdatome lagern sich vorzugsweise an bereits im Kristall vorhandene, meist inhomogene Störungen an (siehe z.B. M.J. Hill und P.M. Van Iseghem, «Influence of Carbon Concentration on Gold Diffusion in Silicon», Semiconductor Silicon, 1977, S. 715-724).

Bei den erwähnten Bestrahlungsprozessen sind diese Nachteile — aufgrund der dort herrschenden Statistik — nicht vorhanden.

Wird nun ein einzelner inhomogener, herkömmlicher Prozess durch einen Bestrahlungsprozess ersetzt (z.B. bei der Belegung für die Dotierung der P-Basis eines Thyristors die Abscheidung aus der Gasphase durch Ionenimplantation), kann der damit prinzipiell erzielbare Vorteil grösserer Homogenität nicht realisiert werden, weil nach wie vor Inhomogenitäten durch die restlichen, herkömmlichen Prozesse verursacht werden.

Gerade die von der Herstellung her kritischen Leistungs-Halbleiterbauelemente wie der GTO sind jedoch auf eine möglichst grosse Homogenität in der Verteilung der Störstellen und Rekombinationszentren angewiesen. Die verbleibende Inhomogenität sollte bei diesen Bauelementen wenigstens kleiner gleich 5%, möglichst kleiner gleich 2% sein.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Leistungs-Halbleiterbauelemente mit einer hinreichend grossen Homogenität in der Verteilung der Fremdatome und Rekombinationszentren hergestellt werden können, um auch hohe Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften zu erfüllen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann5

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ten Art dadurch gelöst, dass wenigstens bei zweien der drei Schritte (a) bis (c) ein Bestrahlungsprozess verwendet wird.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, nicht länger die herkömmlichen inhomogenen Prozesse für sich genommen oder in Kombination mit einem isolierten Bestrahlungsprozess einzusetzen, sondern wenigstens zwei, vorzugsweise sogar alle drei Schritte mittels eines weitgehend homogenen Bestrahlungsprozesses durchzuführen.

Als Bestrahlungsprozesse, die — jeder für sich — zu homogenen Verteilungen innerhalb des gewünschten Streubereichs führen, werden bevorzugt:

(1) Für die Erzeugung der Grunddotierung eine Neutronenbestrahlung in Form einer Neutronen-Umwandlungs-Dotierung (neutron transmutation doping), die über eine Kernreaktion zu einer homogenen Phosphordotierung des gesamten Si-Substrats führt. Eine Begrenzung der Homogenität ergibt sich hierbei aus der Störstellenverteilung vor der Bestrahlung und der Intensitätsverteilung der Neutronenquelle.

(2) Für die Belegung des Halbleitersubstrats mit Fremdatomen für die Erzeugung eines tiefliegenden p-n-Übergangs eine Ionenimplantation von z.B. Al, As, B, Ga oder P in Form einer oberflächennahen Belegung. Eine Begrenzung der Homogenität ergibt sich hierbei durch die meist rechnergesteuerte Führung des Ionenstrahls, dessen Durchmesser klein ist im Vergleich zum Durchmesser der Substratscheibe.

(3) Für das Einstellen der Trägerlebensdauer eine Elektronen-, y-, oder Protonenbestrahlung des Halbleitersubstrats zur Erzeugung von Rekombinationszentren. Auch hier ist die Ho-mögenitätsbegrenzung durch die Strahlführung bedingt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Wie bereits erwähnt, werden bei erfindungsgemässen Herstellungsverfahren wenigstens zwei der aufgeführten Bestrahlungsprozesse, vorzugsweise jedoch alle drei angewendet.

Die Ionenimplantation und die Elektronen-, y-, oder Protonenbestrahlung gehören zu den geläufigen Techniken und sollen hier nicht weiter erläutert werden.

Bezüglich der Neutronenbestrahlung wird wegen näherer Einzelheiten z.B. auf einen Artikel von E.W. Haas und M.S. Schnöller, «Phosphorus Doping of Silicon by Means of Neutron Irradiation», IEEE Trans. Electron Devices ED-23 (8), S. 803-805 (1976) verwiesen.

Für die Herstellung selbst ist festzuhalten, dass beim Thyristor mehrere Belegungen notwendig sind (mindestens drei, je

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nach Verfahren bis zu sechs). Besonders kritisch ist hierbei — vor allem beim GTO — die mittlere p-dotierte Schicht der Vierschichtanordnung, die sogenannte p-Basis. Dasselbe gilt, insbesondere bei hohen Blockierspannungen, für eine in den Thyristor eingelagerte, an sich bekannte n-Stoppschicht. In beiden Fällen müssen sowohl die Querleitfähigkeit (bzw. der Schichtwiderstand) als auch das Diffusionsprofil möglichst exakt eingestellt werden.

Bevorzugt werden beim Thyristor jedoch nicht nur die Belegungen für die p-Basis und die n-Stoppschicht, sondern alle Belegungen mittels Ionenimplantation ausgeführt.

Dennoch werden auch gute Resultate erzielt, wenn die weniger kritischen Schichten eines Thyristors wie z.B. der Anoden-Emitter, eventuell auch der Kathoden-Emitter durch herkömmliche Prozesse realisiert werden.

Die einzelnen Parameter der Bestrahlungsprozesse richten sich naturgemäss nach den Gegebenheiten und Erfordernissen bei der Herstellung und können im übrigen in bekannter Weise gewählt werden.

Zur Überprüfung der mit der Erfindung erreichbaren Vorteile wurden grosse GTO-Thyristoren mit Substratdurchmessern bis zu 50 mm, Vdrm < 2500 V und Itgqm < 1000 A mit Hilfe aller drei aufgezählten Bestrahlungsprozesse hergestellt.

Anschliessend wurde an den Substraten die Oberflächen-Konzentration an der p-Basis mittels eines automatischen, rechnergesteuerten Messgeräts bestimmt (mit einer Genauigkeit von G = 0,16%). Zum Vergleich wurden auf dieselbe Weise auch herkömmlich hergestellte Substrate gemessen.

Während bei den herkömmlich hergestellten Substraten die lokale Bor-Konzentration um ± 5 bis 6% variierte, lag die entsprechende Variation bei den mit Bestrahlungsprozessen hergestellten Elementen bei ± 1 bis 2%.

Vergleichbare Homogenitäten ergaben sich auch bei der Verteilung der Rekombinationszentren im Vergleich zwischen der herkömmlichen Au-Diffusion und der Elektronenbestrahlung.

Darüber hinaus ergab sich bei Anwendung der Bestrahlungsprozesse stets auch eine höhere Ausbeute bei den besonders kritischen Prozessen.

Insgesamt führt also die Kombination mehrerer Bestrahlungsprozesse zu deutlich verbesserten Ergebnissen bezüglich der erreichbaren elektrischen Daten wie auch der Ausbeute bei der Herstellung von kritischen Leistungs-Halbleiterbauelemen-ten wie z.B. GTO-Thyristoren.

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Claims

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1. Verfahren zur Herstellung grossflächiger Leistungs-Halb-leiterbauelemente, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Erzeugung eines Halbleitersubstrats mit einer Grunddotierung;

(b) Erzeugung eines tiefliegenden p-n-Übergangs im Halbleitersubstrat durch eine Belegung des Halbleitersubstrats mit Fremdatomen und anschliessendes Eintreiben der Fremdatome in das Halbleitersubstrat;

(c) Einstellen der Trägerlebensdauer durch Einbringen von Rekombinationszentren in das Halbleitersubstrat dadurch gekennzeichnet, dass

(d) wenigstens bei zweien der drei Schritte (a) bis (c) ein Be-strahlungsprozess verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei allen drei Schritten (a) bis (c) ein Bestrahlungsprozess verwendet wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung der Grunddotierung eine Neutronenbestrahlung in Form einer Neutronen-Umwandlungs-Dotierung (neutron transmutation doping) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Belegung des Halbleitersubstrats mit Fremdatomen für die Erzeugung eines tiefliegenden p-n-Übergangs mittels Ionenimplantation durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Einstellen der Trägerlebensdauer eine Elektronen-, y-, oder Protonenbestrahlung des Halbleitersubstrats durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungs-Halbleiterbauelement ein Thyristor, insbesondere ein über das Gate abschaltbaren Thyristor (GTO = Gate Turn Off) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die p-Basis des Thyristors mittels Ionenimplantation erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Thyristor eine n-dotierte Stoppschicht mittels Ionenimplantation eingebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle für die Erzeugung der unterschiedlich dotierten Schichten des Thyristors erforderlichen Belegungen mittels Ionenimplantation in das Halbleitersubstrat eingebracht werden.