DE3511363A1 - Verfahren zum herstellen von bereichen mit einstellbarer, gleichfoermiger dotierung in siliziumkristallscheiben durch neutronenbestrahlung sowie verwendung dieses verfahrens zur herstellung von leistungsthyristoren - Google Patents
Verfahren zum herstellen von bereichen mit einstellbarer, gleichfoermiger dotierung in siliziumkristallscheiben durch neutronenbestrahlung sowie verwendung dieses verfahrens zur herstellung von leistungsthyristorenInfo
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Description
Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 85 P 1 1 8 9 OE
Verfahren zum Herstellen von Bereichen mit einstellbarer, gleichförmiger Dotierung in Siliziumkristallscheiben
durch Neutronenbestrahlung sowie Verwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Leistungsthyristoren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von geometrisch begrenzten Bereichen mit einstellbarer,
gleichförmiger Dotierung in Siliziumkristallscheiben durch Neutronenbestrahlung, wobei die Dotierung des_
Silizium nach der Kernreaktion 30Si (n, V* ) 31Si-^i31P
(= Phosphor) erfolgt und wobei während der Bestrahlung auf der Siliziumkristallscheibe bestimmte Bereiche mit
Neutronen absorbierenden Materialien bedeckt werden.
Es ist bekannt, Siliziumkristalle mit homogener n-Leitfähigkeit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen
herzustellen. Dabei wird das im Silizium vorhandene natürliche Isotop Si unter Aufnahme eines thermischen
Neutrons und Abgabe von Gamma-Strahlung in das instabile Isotop Silizium übergeführt, welches unter Aussendung
von /^Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden
in das stabile Phosphor-Isotop P übergeht.
Die Möglichkeit der Dotierung und Kernumwandlung wird in der US-PS 3.255.050 zur Herstellung von pn-Übergängen in
Halbleiterbauelementen beschrieben. Dabei wird eine mit Absorbermaterial bis auf den umzudotierenden Bereich bedeckte
Halbleiterkristallscheibe vorbestimmter Leitfähigkeit einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt und auf diese
Weise der unbedeckte Bereich des Kristalles umdotiert. Nach dem Ausheilen der Strahlungsschäden werden in der
Edt 1 Plr/25.2.1985
35113 P Π 89
-Z- VPA 85 P Π 89
Kristallscheibe scharfe pn-Ubergänge erhalten. Als Absorbermaterialien
werden die Elemente Bor und Cadmium verwendet.
Aus der deutschen Patentschrift 25 52 621 ist ein Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliziumeinkristallen
mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstandes durch Bestrahlen mit thermischen
Neutronen zu entnehmen, bei dem der Siliziumeinkristallstab während der Bestrahlung gedreht und zu seiner Mitte
hin einem intensiveren oder weniger abgeschwächten Strahl aus thermischen Neutronen ausgesetzt wird als an seinem
Rand. Die unterschiedliche Bestrahlung wird zum Beispiel dadurch erreicht, daß vor den stabförmigen Siliziumeinkristall
eine schlitzförmige, in ihrer Schlitzbreite verstellbare Blende aus Neutronen absorbierendem Material,
zum Beispiel aus Cadmiumblech oder Borglas, angeordnet wird. Der auf diese Weise großflächig mit einer ungleichförmigen
Dotierung versehene Siliziumeinkristall wird für die Herstellung von großflächigen, hochsperrenden Leistungsthyristoren
verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gezielt gleichförmige Dotierung kleinster Flächenbereiche (kleiner 0,5 mm) mit
hoher geometrischer Genauigkeit und großer Eindringtiefe (im Bereich von 1 mm) in Siliziumkristallscheiben (100 cm2)
für die Fertigung einer speziellen Art von Leistungsthyristoren herzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, unnötig auftretende Radioaktivitäten während oder nach der Bestrahlung zu vermeiden (Strahlenschutzvorschriften).
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
35
a) als Neutronen absorbierende Materialien Isotope von Elementen mit hohem Absorptionsquerschnitt ·
barn) verwendet werden, deren Kernreaktionen , stabile Isotope oder Radionuklide mit geringer und/oder
kurzlebiger Aktivität ergeben,
b) die Dotierung der Bereiche in bezug auf Konzentration durch die Schichtdicke und/oder Art der Absorbermaterialien
eingestellt wird und
c) zur Festlegung der mit dem Absorbermaterial zu bedeckenden Bereiche fotolithographische Prozesse durchgeführt
werden.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, als Absorbermaterialien die Isotope BorlO, Cadmiumll3, Samariuml49 und
Gadoliniuml55 und Gdl57 zu verwenden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Um möglichst dünne Schichten neutronenabsorbierender Materialien zu erzielen, sind nur solche Materialien einsetzbar,
die extrem hohe Absorptionseigenschaften aufweisen, solche sind zum Beispiel
| Bor | = 760 barn |
| Cadmium | = 2 450 barn |
| Samarium | = 5 800 barn |
| Gadolinium | = 49 000 barn |
Die genannten Elemente bestehen jeweils aus mehreren Isotopen mit sehr unterschiedlichen Neutronen-Absorptionseigenschaften.
Da die Isotopenanreicherung heute Stand der Technik ist, sind die Isotope mit den höchsten Absorptionseigenschaften
in nahezu reiner Form käuflich verfügbar, zum Beispiel
BIO O3 = 3 840 barn
| & = | f · | VPA | 85 | 351 | 1363 | |
| if = | Iy _ | 910 barn | P 11 | 8 9 0E | ||
| Cdll3 | ($ = | 19 | 000 barn | |||
| Sml49 | ο = | 41 | 000 barn | |||
| Gdl55 | 61 | 000 barn | ||||
| Gdl57 | 254 | |||||
Werden nun diese angereicherten Isotope anstelle der natürlichen Isotopengemische eingesetzt, sinken die erforderlichen
Absorberdicken proportional zum Absorptionsquerschnitt, zum Beispiel für Gdl57 gegenüber natürlichem
Gd um den Faktor 5, bei Sml49 um den Faktor 7. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von solchen reinen Isotopen ist,
daß solche ausgewählt werden, die beim Neutroneneinfang kein radioaktives, sondern ein stabiles Isotop ergeben.
Dies ist zum Beispiel für obige Isotope gegeben. Wenn auch mit geringen Verunreinigungen durch radioaktive Nuklide
bildende Isotope zu rechnen ist, sinkt die entstehende Radioaktivität doch entscheidend ab. Gdl57 zum Beispiel
kann in einer Reinheit von 99,7 % hergestellt werden, so daß die Aktivität gegenüber natürlichem Gd um rund den
Faktor 300 sinkt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
und den Figuren 1 bis 4 noch näher beschrieben. Dabei zeigen
die Figur 1 in einem Diagramm die erforderliche Schichtdicke von Neutronenabsorbern zur Schwächung
einer gegebenen Neutronenflußdichte -ψ ,
30
die Figuren 2 und 3 im Schnittbild Siliziumkristallscheibenanordnungen,
die gemäß der Lehre der Erfindung mit unterschiedlich hoch dotierten Bereichen versehen werden sollen, und
35
die Figur 4 im Schnittbild einen unter Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergestellten
Thyristor.
Aus Figur 1 ist ersichtlich, welche Reduzierung der erforderlichen
Schichtdicke zur Erzielung einer bestimmten Neutronenflußerhöhung oder -absenkung möglich ist. AJLs
Ordinate ist der Quotient der Neutronenflußdichte -*£ ,
als Abszisse die Absorberdicke in pm aufgetragen. Esegilt
folgende Zuordnung:
Gerade I = BorlO-Isotop
Gerade II = Cadmiumll3 -Isotop (96 % angereichert) Gerade III = Samariuml49-Isotop (97 % angereichert)
Gerade IV = Gadolinium (natürliche Isotopenzusammensetzung)
Gerade V = Gadoliniuml57-Isotop (91 % angereichert)
Die Aufbringung der dünnen Schichten kann durch Aufdampfen, als Fotolackauftrag oder vorteilhaft durch Ionenimplantation
erfolgen.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem von einer bereits durch Neutronenbestrahlen homogen
dotierten Siliziumkristallscheibe 2 ausgegangen wird; es sollen bestimmte Bereiche 5 und 8 mit einer höheren Dotierung
versehen werden. Mit 1 sind die Absorbermaterialstrukturen bezeichnet, bei denen die öffnungen 3 durch
Masken und/oder Stztechniken, wie sie in der Halbleitertechnik bekannt sind, erzeugt worden sind. Zur Erzielung
einer geometrisch gleichmäßigen Änderung der Dotierung durch die gesamte Schichtdicke sind die Absorberschichten
1 auf beiden Scheibenflächen (2) aufgebracht. Die zur Höherdotierung vorgesehenen thermischen Neutronen sind
als "Neutronengas" 4 dargestellt. Mit dem Bezugszeichen sind Randabdeckungen aus Absorbermaterial bezeichnet. Mit
dem Bezugszeichen 7 soll eine Abschwächung im Absorbermaterial dargestellt werden, welche demzufolge eine höhere
bzw. niedrigere Dotierung in der Zone 8 als in den nicht
-X- VPA οί)
mit Absorbermaterialien bedeckten Bereichen 2 bzw. gegenüber diesen höher dotierten Bereichen 5 zuläßt.
Figur 3: In diesem Ausführungsbeispiel werden Bereiche 15, 18 einer Siliziumkristallscheibe 12 mit unterschiedlich
hoher Dotierung in einem Bestrahlungsgang versehen. Hier sind die Absorbermaterialstrukturen 11, 21 in der Siliziumkristallscheibe
12 durch Ionenimplantation von zum Beispiel Gadoliniuml57-Isotop eingebracht, wobei durch unterschiedlich
hohe Implantationsdosen unterschiedlich dicke Strukturen 11, 21 erzeugt werden. So ist zum Beispiel zur
Erzeugung einer bereichsweisen 10 %igen Dotierungsdifferenz entweder ein Gadoliniuml57-Metallfim 1 (Figur 2) von
0,14 pm Dicke als Absorbermaske erforderlich; im Falle der Implantation von Gadoliniuml57 als Maske 11 muß die Dosis
auf 5 χ 10 /cm2 eingestellt werden. Mit dem Bezugszeichen
4 ist das "Neutronengas", mit 3 die Maskenöffnungen bezeichnet. Wenn die Siliziumkristallscheibe 12 vordotiert
ist, ist es auf diese Weise möglich, in einem Bestrahlungsgang drei unterschiedlich hochdotierte Bereiche 12,
15, 18 in einer Siliziumkristallscheibe zu erzeugen.
Ein Thyristor mit zwei unterschiedlich dotierten Bereichen 12, 15 ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Durch
eine nachfolgende Aluminium-Diffusion können in die Bereiche 13 abhängig von der Absorberdichte und der Maskenstrukturen
pn-Übergänge 14 und 16 mit definiertem gekrümmten Verlauf ausgebildet werden. Dadurch kann zum Beispiel
der Durchbruch des Thyristors an einem definierten Ort und bei definierter Spannung abhängig von den Phosphordotierungsunterschieden
erzielt werden. Mit dem Bezugszeichen 17 ist der phosphordotierte Bereich, mit 14 der pnübergang
für die Kippspannung, mit 16 der pn-übergang für die Sperrspannung und mit 19 sind und die Kathoden-Emitter
bezeichnet.
Da die angereicherten Isotopen teuer sind, die Neutro-
3511 -7- VPA 85 P 1189
nenfluenzen für die bei Thyristormaterial üblicherweise
erforderlichen Dotierungskonzentrationen niedrig sind, also nur ein geringer Verbrauch an isotopen Kernen resultiert
(geringer Abbrand), ist es von Vorteil, die nach der Bestrahlung abzutragende, angereicherte isotopenhaltige
Deckschicht (1, 6, 7, 11, 21) wieder aufzubereiten und erneut dem Verfahren zuzuführen.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Absorberschicht von der Siliziumkristalloberfläche durch eine Zwischenschicht
zu trennen. Diese Zwischenschicht hat insbesondere die Eigenschaft fotostruktierbar zu sein und ohne Beeinträchtigung
des aus Silizium bestehenden Grundmaterials entfernbar zu sein. Vorzugsweise wird dies erreicht durch
Implantation in eine SiO2-Schicht (zum Beispiel borimplantierte
SiO2-Schicht 11 und 21 in Figur 3), durch Abscheiden
des Absorbers, zum Beispiel Gadoliniuml57-Isotop auf eine SiO^-Schicht (1 in Figur 2) bzw. durch Einbetten des
Absorbers zum Beispiel Gadoliniuml57 in fotosensitive Schichten (in diesem Fall besteht die Absorbermaterialschicht
1 in Figur 2 aus einer solchen Fotolackstruktur). Letztere begünstigt die Rückgewinnung der Absorbermaterialien
in hohem Maße.
■ Im folgenden werden die Vorteile der einzelnen Absorberschichten
anhand von Ausführungsbeispielen kurz erläutert.
Bereichsweise soll der Neutronenfluß bis auf 0,1 % abgehalten
werden, da das bereits vordotierte Material nur an gezielten Stellen eine um 10 % höhere Dotierung erhalten
soll.
Die 10 fcige Dotierungs-Erhöhung an unbedeckten Stellen
wird durch eine vorausberechenbare Neutronenfluenz rea-
- β - VPA 85 P 1 \ 3 9 OE
lisiert.
a) Berechnung der erforderlichen Schichtdicke von Borglas
mit 10 % Bor-Gehalt (natürliche Isotopenzusammensetzung) zur Neutronenabsorption
♦x 1θ1° e- CT- .M.x
- e
φο ίο
1013
1010
in 7^
χ = 1U = = 0,96 cm
χ = 1U = = 0,96 cm
wobei
φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen/cm2
. see am Ort χ in Si
φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen/cm2
· sec an der Absorberoberfläche ο = Absorptionskoeffizient für Neutronen in cm
N = Atome des Absorbermaterials/cm x= Schichtdicke in cm
b) Borglas mit 10 % Bor-Gehalt als reines B-IO Isotop
(nach der Erfindung).
Zur totalen Neutronenabsorption sind ca. 0,2 cm Borglas erforderlich.
c) Gdl57 (91 %) wird als Metallfilm entsprechend der Erfindung
eingesetzt.
- 6,9
x= = 0,001 cm = 10 pm
x= = 0,001 cm = 10 pm
5 -24 22
-2,3.10 .10 .3.10ZZ
-2,3.10 .10 .3.10ZZ
- p - . VPA
Die erforderliche Materialdicke beträgt hier nur 10 pm.
Ausführungsbeispiel 2:
5
5
Mit einer Bestrahlung soll die Gesamtdotierung erfolgen,
das heißt, es muß nur die zur Erzielung einer 10 SSigen
Dotierungsdifferenz erforderliche Absorberdicke erzeugt werden.
10
10
a) Borglas mit 10 % B (natürliche Isotopenzusammensetzung)
In _1_
pm
- CH
- CH
b) Borglas mit 10 % BIO-Isotop
^^ erforderliche Dicke 20 pm
^^ erforderliche Dicke 20 pm
c) Gdl57 als Metallfilm
erforderliche Dicke 0,14 pm
d) wird die bei c) erforderliche Gdl57-Menge als Metallfilm durch Ionenimplantation aufgebracht, ist eine
Dosis von rund 5.10 /cm2 erforderlich, wenn von einer
21
dotierten Schicht mit 5 . 10 Atome/cm3 ausgegangen wird.
dotierten Schicht mit 5 . 10 Atome/cm3 ausgegangen wird.
10 Patentansprüche
4 Figuren
4 Figuren
Claims (10)
1. Verfahren zum Herstellen von geometrisch begrenzten Bereichen mit einstellbarer, gleichförmiger Dotierung in
Siliziumkristallscheiben durch Neutronen-Bestrahlung, wobei die Dotierung des Siliziums nach der Kernreaktion
30Si (n, V^) 31Si-^31P (= Phosphor) erfolgt und wobei
während bei der Bestrahlung auf der Siliziumkristallscheibe bestimmte Bereiche mit neutronenabsorbierenden
Materialien bedeckt werden, dadurch gekennzeichnet , daß
a) als neutronenabsorbierende Materialien (1, 7, 11, 21) Isotope von Elementen mit hohem Absorptionsquerschnitt
( 3000 barn) verwendet werden, deren Kernreaktionen stabile Isotope oder Radionuklide mit geringer und/
oder kurzlebiger Aktivität ergeben,
b) die Dotierung der Bereiche (5, 8, 15, 18) in bezug
auf Konzentration durch die Schichtdicke (1, 7, 11,
21) und/oder Art der Absorbermaterialien eingestellt wird und
c) zur Festlegung der mit dem Absorbermaterial (1, 7, 11, 21) zu bedeckenden Bereiche fotolithographische
Prozesse durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Absorbermaterialien
Cl, 7, 11, 21) die Isotope BorlO, Cadmiumll3, Samariuml49,
Gadoliniuml55 und Gadoliniuml57 verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Absorbermaterialschichten
(1, 7, 11, 21) durch Aufdampfen, in Kombination mit Fotolack oder durch Ionenimplantation der Elemente
direkt oder in SiO2-Schichten aufgebracht werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadur-ch gekennzeichnet, daß zusätzlich zwischen Absorberschicht (1, 11, 21) und Kristallscheibenoberfläche
(2) eine fotostrukturierbare und nach der Dotierung ohne Beeinträchtigung der Kristalloberfläche
(2) von dieser entfernbare Zwischenschicht aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet,
daß als Zwischenschicht eine SiO2-Schicht verwendet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Absorberschichtstruktur (1, 11, 21) auf beiden Seiten der Kristallscheibe (2) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei
Verwendung von Bor als Absorbermaterial (1, 7, 11, 21) Borglas mit 10 % Bor ΙΟ-Isotop verwendet wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei
Verwendung von Gadolinium als Absorbermaterial ein Gado-Iiniuml57-Metallfilm
(1, 11, 21) aufgebracht oder durch Ionenimplantation in der Siliziumoberfläche (2) erzeugt
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung einer bereichsweisen
10 %igen Dotierungsdifferenz ein Gadoliniuml57-Metallfilm von 0,14 pm Dicke als Absorbermaske
(1) verwendet wird, oder die Implantationsdosis auf
5 χ 1017/cm2 eingestellt wird.
10. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der
der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von Leistungsthyristoren, bei denen unterschiedlich hoch dotierte
Flächenbereiche (5, 8, 15, 18) vorbestimmter Geometrie in einer Siliziumkristallscheibe (2) vorhanden sind.
5
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19853511363 DE3511363A1 (de) | 1985-03-28 | 1985-03-28 | Verfahren zum herstellen von bereichen mit einstellbarer, gleichfoermiger dotierung in siliziumkristallscheiben durch neutronenbestrahlung sowie verwendung dieses verfahrens zur herstellung von leistungsthyristoren |
| US06/838,326 US4728371A (en) | 1985-03-28 | 1986-03-11 | Method for manufacturing regions having adjustable uniform doping in silicon crystal wafers by neutron irradiation |
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