Post-implantation annealing of platinum in silicon

Diffusion von Platin während des Temperns nach der Implantation in Silizium

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-124809
  • Platinum is used to tailor the electrical behavior of silicon power devices, for example of silicon power diodes. Such diodes are typically used in applications in which inductive loads are switched at high power and high frequencies. The platinum can be introduced through diffusion from a Pt-silicide layer, or by ion implantation. Ion implantation is a major technique used for introducing dopants in silicon wafers. For platinum, it is an economically competitive technique which provides an additional design parameter, better reproducibility, and superior dose control compared to diffusion from a Pt-silicide layer. However, a thorough understanding of platinum diffusion duringPlatinum is used to tailor the electrical behavior of silicon power devices, for example of silicon power diodes. Such diodes are typically used in applications in which inductive loads are switched at high power and high frequencies. The platinum can be introduced through diffusion from a Pt-silicide layer, or by ion implantation. Ion implantation is a major technique used for introducing dopants in silicon wafers. For platinum, it is an economically competitive technique which provides an additional design parameter, better reproducibility, and superior dose control compared to diffusion from a Pt-silicide layer. However, a thorough understanding of platinum diffusion during post-implantation annealing is required to fully utilize the capabilities of this technology. Modeling and simulation of devices are standard tools used in development to predict and optimize the device performance. To complete the simulation chain, a model which describes platinum diffusion during post-implantation annealing is needed. Although a previous model exists, it cannot reproduce some of the experimental results presented in this thesis. Accordingly, a new model for post-implantation annealing of platinum in silicon was developed in this work. The development of the new model started by revisiting old experiments of platinum diffusion from a Pt-silicide layer reported in the literature. Even though platinum diffusion from a Pt-silicide layer is considered to be a fairly well-understood process, there are several inconsistencies among the reported data and a quantitative model that can describe all available data does not exist. The mentioned studies have been used in this work, accompanied by new experiments, to calibrate the model parameters. The new experiments were especially designed to estimate suitable initial conditions of the intrinsic point defects in silicon wafers grown with the Czochralski or the float-zone method, and to investigate the influence of preannealing, the processing step typically performed before to eliminate grown-in voids remaining from crystal growth. These investigations resulted in new expressions for the solubility concentration of substitutional platinum, the transport capacity of interstitial platinum, a new upper limit for the equilibrium concentration of self-interstitials, and a parameter set for self-interstitials and vacancies. The calibrated model parameters are applicable for all considered processing steps, including preannealing of Czochralski-grown silicon wafers, platinum diffusion, and phosphorus-diffusion gettering of platinum in silicon. The results also indicate that the type of substrate material can have a significant influence on the resulting platinum depth profiles. To what extent depends on the preannealing process as well as the temperature and duration used for the platinum-diffusion annealing. Finally, the newly calibrated model for platinum diffusion from a Pt-silicide layer was extended to include platinum precipitation. This effect is used to explain the incomplete activation of the implanted platinum found after post-implantation annealing. The new model was calibrated considering data existing in the literature as well as new post-implantation annealing experiments conducted in this work. The developed model can accurately describe the measured depth profiles of the electrically active platinum concentration after annealing in a wide temperature range from 770 °C to 900 °C for implanted doses in the range from 5E11 cm-2 to 1E13 cm-2. These processing conditions were selected to be compatible with industrial manufacturing conditions. The new model is already used in industry, integrated into a state-of-the-art simulation chain for the development of platinum-diffused silicon power diodes.show moreshow less
  • Platin wird zur Anpassung des elektrischen Verhaltens von Silizium-Leistungsbauelementen, z.B. von Silizium-Leistungsdioden, an die jeweiligen Anforderungen verwendet. Solche Dioden werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, in denen induktive Lasten mit hoher Leistung und hohen Frequenzen geschaltet werden. Das Platin kann durch Diffusion aus einer Pt-Silizidschicht oder durch Ionenimplantation eingebracht werden. Ionenimplantation ist eine der wichtigsten Methoden zur Einbringung von Dotieratomen in Siliziumwafer. Für Platin ist es eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Technik, die im Vergleich zur Diffusion aus einer Pt-Silizidschicht einen zusätzlichen Designparameter, besserePlatin wird zur Anpassung des elektrischen Verhaltens von Silizium-Leistungsbauelementen, z.B. von Silizium-Leistungsdioden, an die jeweiligen Anforderungen verwendet. Solche Dioden werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, in denen induktive Lasten mit hoher Leistung und hohen Frequenzen geschaltet werden. Das Platin kann durch Diffusion aus einer Pt-Silizidschicht oder durch Ionenimplantation eingebracht werden. Ionenimplantation ist eine der wichtigsten Methoden zur Einbringung von Dotieratomen in Siliziumwafer. Für Platin ist es eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Technik, die im Vergleich zur Diffusion aus einer Pt-Silizidschicht einen zusätzlichen Designparameter, bessere Reproduzierbarkeit und bessere Dosiskontrolle bietet. Allerdings ist ein gründliches Verständnis der Platindiffusion bei der Ausheilung nach einer Platinimplantation erforderlich, um die Möglichkeiten dieser Technologie voll auszuschöpfen. Modellierung und Simulation von Bauelementen sind Standardwerkzeuge, die in der Entwicklung zur Vorhersage und Optimierung von Bauelementeeigenschaften eingesetzt werden. Um die Simulationskette zu vervollständigen, wird ein Modell benötigt, das die Platindiffusion bei der Ausheilung nach der Implantation beschreibt. Obwohl ein vorheriges Modell existiert, kann es einige der in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Ergebnisse nicht reproduzieren. Dementsprechend wurde in dieser Arbeit ein neues Modell für die Ausheilung von Platin in Silizium nach der Implantation entwickelt. Die Entwicklung des neuen Modells begann mit der Revision der in der Literatur beschriebenen früheren Experimente zur Platindiffusion aus einer Platinsilizidschicht. Obwohl die Diffusion von Platin aus einer Silizidschicht als ein recht gut verstandener Prozess angesehen wird, gibt es doch einige Inkonsistenzen zwischen den berichteten Daten und es existiert kein quantitatives Modell, das alle verfügbaren Daten hinreichend beschreiben kann. Ergänzt durch neue Experimente wurden die genannten Studien in dieser Arbeit verwendet, um die Modellparameter zu kalibrieren. Die neuen Experimente wurden speziell konzipiert, um geeignete Anfangsbedingungen für die intrinsischen Punktdefekte in Siliziumwafern, die mit dem Czochralski- oder Zonenschmelzverfahren gezüchtet wurden, abzuschätzen und den Einfluss von Vorausheilungen zu untersuchen. Letztere sind typische Prozessschritte vor der Platindiffusion, um Voids (eingewachsene Hohlräume, die beim Kristallwachstum entstehen) aufzulösen. Diese Untersuchungen führten zu neuen Ausdrücken für die Löslichkeitskonzentration von substitutionellem Platin und die Transportkapazität von interstitiellem Platin, eine neue Obergrenze für die Gleichgewichtskonzentration von Eigenzwischengitteratomen, sowie einen Parametersatz für Eigenzwischengitteratome und Gitterleerstellen. Die kalibrierten Modellparameter sind für alle betrachteten Prozessschritte verwendbar, einschließlich Vorausheilung von Czochralski-gezogenen Siliziumwafern, Platindiffusion und Gettern von Platin durch Phosphordiffusion. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Art des Substratmaterials einen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Platintiefenprofile haben kann. Inwieweit dies der Fall ist, hängt vom Vorausheilprozess sowie von der Temperatur und Dauer der Platindiffusion ab. Schließlich wurde das neu kalibrierte Modell für die Platindiffusion aus einer Platinsilizidschicht um die Präzipitation von Platin erweitert. Dieser Mechanismus wird zur Erklärung der experimentell gefundenen unvollständigen Aktivierung des implantierten Platins nach Implantation und Ausheilung herangezogen. Das neue Modell wurde unter Berücksichtigung der in der Literatur vorhandenen Daten sowie neuer, in dieser Arbeit durchgeführter Experimente zur Ausheilung von implantiertem Platin kalibriert. Das entwickelte Modell kann die gemessenen Tiefenprofile der elektrisch aktiven Platinkonzentration nach der Ausheilung in einem weiten Temperaturbereich von 770 °C bis 900 °C für implantierte Dosen im Bereich von 5E11 cm-2 bis 1E13 cm-2 genau beschreiben. Diese Prozessbedingungen wurden so gewählt, dass sie mit industriellen Fertigungsbedingungen kompatibel sind. Integriert in eine dem Stand der Technik entsprechenden Simulationskette wird das neue Modell bereits in der Industrie zur Entwicklung von platindiffundierten Silizium-Leistungsdioden eingesetzt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anna JohnssonORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-124809
Referee:Peter Pichler, Robert Weigel
Advisor:Peter Pichler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2019
Date of online publication (Embargo Date):2019/11/28
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2019/11/20
Release Date:2019/12/02
Tag:diffusion; platinum; platinum implantation; process simulation; silicon
Length/size:1-189
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-SA - Namensnennung - Nicht kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International