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Dokumentenidentifikation DE10207339A1 11.09.2003
Titel Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger in einem Halbleiterkörper
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Niedernostheide, Franz-Josef, Dr., 48157 Münster, DE;
Kartal, Veli, 81371 München, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 21.02.2002
DE-Aktenzeichen 10207339
Offenlegungstag 11.09.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.09.2003
IPC-Hauptklasse H01L 21/332
IPC-Nebenklasse H01L 21/322   H01L 21/324   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger in einem Halbleiterkörper, das folgende Merkmale aufweist:
- Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit einer hochenergetischen Strahlung,
- Ausheilen von durch die Bestrahlung entstehenden effektiven Rekombinations- und/oder Generationszentren in dem Halbleiterkörper mittels einer Temperaturbehandlung.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit von freien Ladungsträgern in einem Halbleiterkörper.

Die in einem Halbleitermaterial natürlich vorhandene Beweglichkeit ist bestimmt durch das Halbleitermaterial und eine bei einer Betriebstemperatur des Halbleiterkörpers vorhandene Gitterschwingung. Mit zunehmender Temperatur nehmen die Gitterschwingungen zu und die Beweglichkeit nimmt ab, da die freien Ladungsträger häufiger mit den Gitteratomen kollidieren und abgebremst werden.

Es ist bekannt, dass diese Beweglichkeit freier Ladungsträger die Durchbruchspannung eines in dem Halbleiterkörper realisierten Bauelements beeinflusst. Ein Spannungsdurchbruch in einem Halbleiterkörper tritt dann auf, wenn die Feldstärke in einem Halbleiterkörper aufgrund einer angelegten Spannung so hoch ist, dass freie Ladungsträger derart beschleunigt werden, dass sie bei einem Aufprall auf ein Gitteratom mehrere freie Ladungsträger generieren, die wieder freie Ladungsträger losschlagen. Ist die Beweglichkeit in einem Halbleiterkörper gegenüber der "natürlichen Beweglichkeit" reduziert, so kollidieren die freien Ladungsträger häufiger mit Streuzentren und werden damit häufiger abgebremst. In der DE 100 30 381 A1 ist daher vorgeschlagen, ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper zu realisieren, der zumindest in solchen Bereichen, in denen die Feldstärken während des Betriebs des Bauelements besonders hoch sind, eine reduzierte Beweglichkeit für freie Ladungsträger aufweist, um eine erhöhte Durchbruchspannung zu erzielen.

Bezüglich der Erzeugung von Streuzentren in dem Kristallgitter, die die Beweglichkeit reduzieren, ist in der DE 100 30 381 A1 die Möglichkeit genannt, den Halbleiterkörper einer Elektronen- oder Protonenbestrahlung auszusetzen, wobei dies allerdings eine erhöhte Rekombination und Generation in einem durch die Bestrahlung geschädigten Bereich des Halbleiterkörpers mit sich bringt.

Diese erhöhte Rekombination/Generation ist bei vielen Halbleiterbauelementen allerdings unerwünscht, da hieraus ein erhöhter Leckstrom und eine erhöhte Durchlassspannung resultiert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger in einem Halbleiterkörper zur Verfügung zu stellen, das diesen Nachteil nicht aufweist.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger in einem Halbleiterkörper, ist vorgesehen, den Halbleiterkörper mit einer hochenergetischen Strahlung zu bestrahlen und anschließend die in dem Halbleiterkörper durch die Bestrahlung entstehenden Rekombinationszentren mittels einer Temperaturbehandlung auszuheilen.

Versuche haben gezeigt, dass die Durchbruchspannung eines Halbleiterbauelements, das in einem derart behandelten Halbleiterkörper realisiert ist, deutlich höher ist als die Durchbruchspannung eines in einem "unbehandelten" Halbleiterkörper realisierten Halbleiterbauelements, ohne dass sich die elektrischen Eigenschaften des Bauelements, wie der Wert des auftretenden Leckstromes, signifikant verschlechtert haben.

Die Anmelderin geht deshalb davon aus, dass durch die Bestrahlung elektrisch aktive und elektrisch inaktive Defekte in dem Halbleiterkörper erzeugt werden, wobei die elektrisch aktiven Defekte, die beispielsweise einen Einfluss auf den Leckstrom und die Durchlassspannung haben und die insbesondere Rekombinationszentren oder Generationszentren sind, durch den Ausheilschritt ausgeheilt werden und wobei die elektrisch inaktiven Defekte, die lediglich die Beweglichkeit der freien Ladungsträger begrenzen, erhalten bleiben.

Die Temperatur während des Ausheilschritts ist so gewählt, dass solche durch die Bestrahlung erzeugten Defekte, die für eine ausgeprägte Ladungsträger-Rekombination bzw. Generation erforderlich sind, ausgeheilt werden. Solche Defekte sind z. B. sogenannte A-Zentren oder Doppelleerstellen, die in der bislang unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 100 48 437.9-33 beschrieben sind.

Die Temperatur, bei welcher diese Ausheilung eintritt, ist abhängig von dem verwendeten Halbleiterbauelement und dem Fachmann allgemein bekannt. Diese Temperatur beträgt bei Silizium etwa 340°C. Die Ausheiltemperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich knapp oberhalb dieser Temperatur, um ein sicheres Ausheilen solcher Defekte zu gewährleisten, und liegt für Silizium deshalb vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 350°C bis 470°C.

Für die Bestrahlung wird insbesondere eine Elektronenstrahlung eingesetzt, wobei die Energie der Elektronen vorzugsweise zwischen 5 MeV und 20 MeV beträgt. Die Elektronendichte in der Strahlung, das heißt die Strahlungsdosis beträgt vorzugsweise mehr als 1013 Elektronen/cm2.

Neben einer Elektronenstrahlung kann auch eine Protonen- oder Heliumbestrahlung zur Bestrahlung des Halbleiterkörpers verwendet werden, wobei gegebenenfalls mehrere Bestrahlungsschritte mit unterschiedlichen Bestrahlungsenergien durchgeführt werden, um abhängig von der Bestrahlungsenergie unterschiedliche Tiefen des Halbleiterkörpers zu behandeln.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der nachfolgenden Tabelle erläutert, in der die Sperrspannungen verschiedener Halbleiterbauelemente wiedergegeben sind, wobei die Durchbruchspannungen einmal vor der erfindungsgemäßen Behandlung und einmal nach der erfindungsgemäßen Behandlung des gesamten Halbleiterkörpers, in dem die Bauelemente realisiert sind, ermittelt wurden.



Die zweite Zeile der Tabelle gibt die Messergebnisse für eine PIN-Diode mit einer Basisdicke von 120 µm wieder, die bei Verwendung eines nicht erfindungsgemäß behandelten Silizium- Halbleiterkörpers mit einer Grunddotierung von 7.1013 cm-3 eine Sperrspannung von 1200 V bei einem Sperrstrom von 5 mA aufweist. Bei Verwendung eines erfindungsgemäß behandelten Silizium-Halbleiterkörpers wurde eine um 25% höhere Sperrspannung von 1500 V bei gleichem Sperrstrom ermittelt.

Die für die Versuchsreihe verwendeten Halbleiterkörper wurden mit einer Elektronenstrahlung einer Dosis von zwischen 500 kGy/cm2 bestrahlt. Übliche Werte für derartige Dosen liegen zwischen 200 kGy/cm2 und 2000 kGy/cm2. Die Temperatur während des anschließenden Ausheilprozesses betrug zwischen 360°C und 440°C, wobei mehrere Temperaturschritte mit unterschiedlichen Temperaturen hintereinander durchgeführt wurden oder die Ausheiltemperatur während eines einzigen Schrittes stufenweise erhöht wurde. Die Dauer des Ausheilprozesses beträgt üblicherweise zwischen 30 Minuten und einigen Stunden.

Die dritte Zeile der Tabelle gibt die Messwerte für eine PIN- Diode mit einer Basisdicke von 635 µm wieder, wobei deren Durchbruchspannung bei nicht erfindungsgemäß behandeltem Halbleiterkörper 7500 V betrug. Nach der Behandlung des Halbleiterkörpers lag diese Durchbruchspannung um 16% höher bei 8700 V.

Schließlich gibt die letzte Zeile der Tabelle die Werte der Durchbruchspannung eines Thyristors wieder, dessen Durchbruchspannung sich um mehr als 25% von 4000 V auf 5090 V bei Verwendung eines erfindungsgemäß behandelten Halbleiterkörpers erhöht.

Bei den anhand der Tabelle erläuterten, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten Bauelemente ergab sich ein geringer, unkritischer Anstieg der Durchbruchspannung gegenüber dem unbehandelten Zustand.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit, das die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mittels hochenergetischer Strahlung und die anschließende Ausheilung von Rekombinationsdefekten/Generationsdefekten mittels eines Temperaturverfahrens umfasst, ist insbesondere einfach durchführbar.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch auf solche Bauelementbereiche beschränkt werden, in der die höchste elektrische Feldstärke auftritt, wie z. B. in den Bereichen von Randabschlüssen von pn-Übergängen. Hierbei wird die Bestrahlung nur auf diese Bauelementbereiche beschränkt, wozu die Anwendung einer Maske vorgesehen ist - beispielsweise einer einige cm dicken Metallmaske -, die die nicht zu bestrahlenden Bauelementbereiche schützt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger in einem Halbleiterkörper, das folgende Merkmale aufweist:

    Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit einer hochenergetischen Strahlung,

    Ausheilen von durch die Bestrahlung entstehenden effektiven Rekombinations- und/oder Generationszentren in dem Halbleiterkörper mittels einer Temperaturbehandlung.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die hochenergetische Strahlung eine Elektronenstrahlung ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Energie der Elektronen zwischen 5 MeV und 20 MeV beträgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem Elektronendichte in der Strahlung mehr als 1013 Elektronen/cm2 beträgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlung einen Protonenstrahlung oder eine Heliumstrahlung ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper aus Silizium besteht und die Ausheiltemperatur größer als 340°C, vorzugsweise zwischen 350°C und 470°C beträgt.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nur ausgewählte Abschnitte des Halbleiterkörpers bestrahlt werden.






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