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Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, z. B. eines Transistors, mit einem Halbleiterkörper, der stellenweise eine Bor enthaltende rekristallisierte Zone, z. B. eine Emitterzone aufweist, wobei diese Zone dadurch gebildet wird, dass eine Bor enthaltende Elektrodenmaterialmenge auf dem Halbleiterkörper aufgeschmolzen und anschliessend abgekühlt wird.
Es ist bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen häufig erwünscht, eine Zone vorzusehen, die eine hohe Konzentration an Fremdbeimengungen enthält, welche die Leitungsart und die Leitfähigkeit der Zone bedingen. Zum Beispiel ist bei einem Transistor, zwecks Erzielung eines hohen Verstärkungsgrades, eine grosse Konzentration an Fremdbeimengungen in der Emitterzone erwünscht. Man kann einen Diffusionsvorgang anwenden, der eine hohe Oberflächenkonzentration der Fremdbeimengungen ergibt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die grösste Konzentration der Fremdbeimengungen sich an der Oberfläche und demnach vom pn-Übergang entfernt befindet.
Ein zweites Verfahren besteht im Legieren unter Verwendung einer Fremdbeimengung, die bei der Legierungstemperatur einen hohen nützlichen Segregationskoeffizienten aufweist. Bor hat einen hohen Segregationskoeffizienten und ist ein günstiger Zusatz für Silicium und Germanium.
Es hat sich ergeben, dass bei Siliciumtransistoren Al-B-Si Legierungen zum Erzielen einer hohen Fremdbeimengungskonzentration in der Emitterzone verwendbar sind, aber die Zunahme gegenüber der mit Aluminium allein erzielten Fremdbeimengungskonzentration beträgt nur etwa einen Faktor 4. Dieser Wert ist geringer als theoretisch erwartet wurde und es scheint, dass die nützliche Konzentration des Bors in der Schmelze durch das Aluminium verringert wird (möglicherweise durch die Bildung einer B-AI Verbindung oder durch einen ähnlichen Mechanismus). Bei Verwendung einer Al-B-Si Legierung als Material zur Herstellung einer Fremdbeimengung in einem Siliciumkörper kann eine mittlere Borkonzentration von etwa 2 X 1019 Atome/cms erzielt werden.
Bor wurde bisher im allgemeinen nicht zum Dotieren von Germaniumkörpern benutzt, da es sich ergeben hat, dass Bor schwer in eine rekristallisierte Germaniumzone eingebracht werden kann. "Bei Germanium ist es möglich, eine mittlere Fremdbeimengungskonzentration von etwa 5 x 1019 Atome/crrf durch das Auflegieren von Indium zu erzielen, und durch Zusatz von Gallium oder Aluminium zum Indium kann diese Konzentration auf etwa 5 x 1020 Atome/cm* erhöht werden.
Die Erfindung bezweckt, ein neues Verfahren zur Erzielung rekristallisierter Zonen mit einer hohen Fremdbeimengungskonzentration zu schaffen und dabei Bor als Fremdsubstanz anzuwenden. Dazu wird nach der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art ein Kupfer und Bor enthaltendes Elek- trodenmaterial auf den Halbleiterkörper aufgeschmolzen. Es wurde festgestellt, dass hiedurch eine rekristallisierte Zone mit einer hohen Borkonzentration erzielt wird. Der mittlere Borgehalt der rekristallisierten Zone kann wenigstens 3 X 1019 Atome/cm3 betragen.
Das Material kann in mehreren Phasen legiert werden. So kann das Kupfer als erste Phase legiert werden und der so erzielten Schmelze kann Bor als zweite Phase zugesetzt werden.
Bei dem als"Aufschmelzen"oder"Legieren"bekannten Verfahren wird an der Oberfläche des Körpers eine flüssige Zone gebildet, die aus Material, das mit dem Körper legiert werden soll, und aus aus
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dem Körper gelöstem Material besteht. Bei Kühlung wird zunächst eine rekristallisierte Zone gebildet, die im wesentlichen aus dem aus dem Körper gelöstem Material mit einer geringen Dotierung des zu legierenden Materials besteht, welche eine Verlängerung des Kristallgitter des nicht gelösten Teiles dieses Körpers bildet, worauf der Rest der Flüssigkeit auf dieser Zone eine erstarrte Zone bildet, die im wesentlichen aus dem zu legierenden Material mit einem kleinen Gehalt an dem aus dem Körper gelösten Material besteht. Der Legierungsvorgang kann zur Bildung eines pn-Überganges oder einer ohmschen Verbindung mit dem Körper führen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist bei Körpern aus Silicium, aus Germanium, aus Silicium/Germanium und auch bei andern Körpern mit einem binären oder mit einem ternären Charakter anwendbar.
Wie oben gesagt, kann die Vorrichtung ein Transistor und die rekristallisierte Zone die Emitterzone sein.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei der Herstellung von Kristalldioden oder andern Vorrichtungen als Transistoren mit pn-Übergängen, bei denen eine hohe Fremdbeimengungskonzentration in einer rekristallisierten Zone an einer Seite eines pn-Überganges erwünscht ist. Bei der Bildung eines ohmschen Kontaktes ergibt eine hohe Fremdbeimengungskonzentration eine rekristallisierte Zone mit niedrigem Widerstand.
Im allgemeinen ist es erwünscht, eine gegenüber der Kupfermenge relativ grosse Menge an Bor zu verwenden : die Forderung nach einem befriedigenden Legiervorgang begrenzt die zur Verwendung gelangende Bormenge. Bei Körpern aus Silicium ist eine Kupfer-Bor-Legierung, die bis zu 5 Gew. % Bor enthalten kann und vorzugsweise 0, 3 - 2 Gew. % Bor enthält, vorteilhaft anwendbar.
In einem bestimmten Fall wurde bei der Legierung einer Cu-B Legierung mit einem Borgehalt von ZGew.-mit einem Siliciumkörper eine mittlere Borkonzentration von etwa 3 X 102 (1 Atomen/cm sin der entstandenen rekristallisierten Zone erzielt.
Kupfer-Bor-Legierungen, die auf ähnliche Art wie reines Kupfer walzbar und bearbeitbar sind, sind ohne weiteres mit einem Borgehalt von etwa 2Gew.-% herstellbar. Eine solche Legierung wurde mit Sili-
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kann. Aber auch geringere Gehalte an Bor im Kupfer sind brauchbar und die damit erzielten Borkonzentrationen von mehr als 5 X zo Atomen/cm sind noch beträchtlich grösser als diejenigen, welche mit Al-B-Si Legierungen erzielbar sind (3 X 1019 Atome/cm3).
Das Legierungsmaterial kann einen zusätzlichen Bestandteil enthalten, wodurch die Sprungneigung verringert wird. Der zusätzliche Bestandteil (X) kann vor dem Legieren zugesetzt werden, so dass ein Cu-B-X Material legiert wird man kann ihn aber auch der Kupfer-Bor enthaltenden Schmelze während des Legierens zusetzen. Beispiele geeigneter zusätzlicher Bestandteile (X) sind Ag, Pb, In, Sn, Au und Ni-Pb. Der Bestandteil (X) kann auch aus demselben Halbleitermaterial bestehen wie der Halbleiterkörper (nicht notwendigerweise dotiert oder nicht notwendigerweise dotiert auf dieselbe Weise wie das Material des Körpers) ; z. B. kann der Bestandteil (X) Silicium sein, wenn der Körper aus Silicium besteht.
Ein anderes Verfahren zur Herabsetzung der Sprungneigung besteht darin, denjenigen Teil der Schmelze, der sonst auf dem rekristallisierten Material erstarrt, auf mechanischem oder chemischem Wege zu entfernen, und etwa mit Hilfe einer geeigneten bekannten Technik auf der rekristallisierten Zone einen Kontakt anzubringen.
Durch den erwähnten Zusatz eines zusätzlichen Bestandteiles, z. B. Zinn, wird die Legierungstemperatur herabgesetzt. Kupfer-Bor (2Gew.-% Bor) legiert mit Silicium bei Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 810 C, während Kupfer-Bor-Zinn (2Gew.-% Bor, 10 Gew.-% Zinn) mit Silicium bei 7800C legiert.
Es sei bemerkt, dass bei der Legierungstemperatur das Kupfer-Bor und das Kupfer-Bor-Zinn nicht schmelzen, sondern es tritt zunächst eine Diffusion an den Kontaktpunkten zwischen dem zu legierenden Material und dem Silicium an der Oberfläche des Siliciumkörpers auf. Wenn die Diffusion die Bildung eines niedrigeren Schmelzpunktes bewirkt, entsteht eine geringe Menge flüssiges Material an der Stelle der Kontaktpunkte und die Verflüssigung schreitet weiter fort, je mehr von dem zu legierenden Material und von dem Material des Halbleiterkörpers von der bereits gebildeten Schmelze gelöst wird. Besteht der Halbleiterkörper aus Silicium und wird als zusätzlicher Bestandteil des zu legierenden Materials Zinn verwendet, beträgt dessen Menge vorzugsweise weniger als lOh.
Bei Verwendung eines zusätzlichen Bestandteiles kann die Menge an Kupfer und Bor im zu legierenden Material gering sein. Im allgemeinen ist es zur Erzielung eines hohen Emitterwirkungsgrades not-
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Materials herabgesetzt werden.
Es wurde gefunden, dass einige Gehaltbereiche des zusätzlichen Materials, hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des erstarrten Materials, günstiger als andere sind.
Es ist einleuchtend, dass der zusätzliche Bestandteil derart gewählt wird, dass er auf die elektrischen
Eigenschaften der rekristallisierten Zone wenig oder gar keine Wirkung ausübt.
Es kann im allgemeinen festgestellt werden, dass die Verwendung von Kupfer neben der Fremdbei- mengung Bor das Einbringen einer grösseren Borkonzentration in die flüssige Zone ermöglicht. Bei Silicium wird die Konzentration der Fremdbeimengung in der rekristallisierten Schicht vergrössert und sogar bei
Germanium, für welches zur Zeit Materialien wie Aluminium und Gallium als Zusätze zur Verbesserung der Dotierung verwendet werden, kann Bor eine Verbesserung ergeben, da sein Segregationskoeffizient etwa 17 beträgt.
Ein Beispiel des Verfahrens nach der Erfindung folgt nachstehend :
9,8 g Kupfer und 0,2 g Bor werden in einem Quarztiegel 10 Minuten lang unter Vakuum auf 12000C mittels Hochfrequenz erhitzt und dann durch Eintauchen des Tiegels in Wasser abgekühlt.
Der so erzielte Stab von 10 g Kupfer-Bor-Legierung wird mit 1 g Zinn in einem Quarztiegel 10 Mi- nuten lang unter Vakuum auf 1100 C mittels Hochfrequenz erhitzt und dann durch Eintauchen des Tie- gels in Wasser abgekühlt.
Der so erzielte Stab einer Zinn-Kupfer-Bor-Legierung wird dann auf eine Stärke von etwa 100 Mikron ausgewalzt und aus dem gewalzten Metallblech werden runde Scheibchen mit etwa 1 mm Durchmesser gestanzt.
Ein solches Scheibchen wird auf eine Siliciumscheibe vom n-Typ gebracht, mit einer Tantalscheibe von 1 mm im Durchmesser bedeckt und mit einem Eisen- oder Quarzgewicht von etwa 1/2 g beschwert, worauf das Scheibchen zur Bildung einer Emitterzone vom p-Typ mit der Siliciumscheibe dadurch legiert wird, dass das Ganze 5 Minuten lang in einer Wasserstoffatmosphäre auf 7800C erhitzt wird. Der mittlere
Borgehalt der Emitterzone beträgt dann etwa 3 x 10l1li Atome/cm8.
DasVerfahren nach der Erfindung schafft die Möglichkeit, in Silicium rekristallisierte Zonen mit ei- ner höheren Fremdbeimengungskonzentration als es bisher möglich war zu erzielen, was besonders für die Herstellung von Emitterzonen wichtig ist. Für Germanium und andere Halbleitermaterialien schafft die Erfindung ein nützliches neues Dotierungsverfahren. Nach diesem Verfahren hergestellte Leistungs- transistoren weisen einen höheren Verstärkungsgrad auf, was im Zusammenhang mit der Kupferbeimen- gung überraschend ist.
Das oben gegebene Beispiel betrifft das Legieren eines Cu-B-Sn-Scheibchens. Gegebenenfalls kann auch das Cu-B, welches auf die im Anfang des Beispiels beschriebene Weise erhalten wird, legiert wer- den. Weiterhin kann ein anderes Material oder können andere Materialien zur Herabsetzung der Sprung- neigung, auf die im zweiten Teil des Beispiels beschriebene Weise, mit dem Cu-B legiert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, z. B. eines Transistors, mit einem Halb- leiterkörper, vorzugsweise aus Silicium, der stellenweise eine Bor enthaltende rekristallisierte Zone, z. B. eine Emitterzone, aufweist, wobei diese Zone dadurch gebildet wird, dass eine Bor enthaltende
Elektrodenmaterialmenge auf dem Halbleiterkörper aufgeschmolzen und dann abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupfer und Bor enthaltende Elektrodenmaterialmenge auf dem Halbleiterkörper aufgeschmolzen wird.
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Method of manufacturing a semiconductor device
The invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, e.g. B. a transistor, with a semiconductor body, the recrystallized zone containing boron in places, z. B. has an emitter zone, this zone being formed in that a boron-containing amount of electrode material is melted on the semiconductor body and then cooled.
In the manufacture of semiconductor devices, it is often desirable to provide a zone which contains a high concentration of extraneous impurities which determine the type of conduction and the conductivity of the zone. For example, in the case of a transistor, in order to achieve a high degree of amplification, a large concentration of foreign impurities is desired in the emitter zone. A diffusion process can be used which results in a high surface concentration of foreign matter.
This method has the disadvantage that the greatest concentration of foreign additions is on the surface and therefore away from the pn junction.
A second method is alloying using an impurity which has a high useful coefficient of segregation at the alloy temperature. Boron has a high segregation coefficient and is a beneficial additive for silicon and germanium.
It has been found that Al-B-Si alloys can be used in silicon transistors to achieve a high concentration of foreign substances in the emitter zone, but the increase compared to the concentration of foreign substances achieved with aluminum alone is only about a factor of 4. This value is lower than theoretically expected and it appears that the useful concentration of boron in the melt is reduced by the aluminum (possibly by the formation of a B-Al compound or by some similar mechanism). If an Al-B-Si alloy is used as the material for producing a foreign addition in a silicon body, an average boron concentration of about 2 × 10 19 atoms / cms can be achieved.
Boron has hitherto generally not been used for doping germanium bodies, since it has been found that boron can hardly be introduced into a recrystallized germanium zone. "In the case of germanium, it is possible to achieve an average impurity concentration of about 5 x 1019 atoms / cm * by alloying indium, and by adding gallium or aluminum to the indium this concentration can be increased to about 5 x 1020 atoms / cm *.
The aim of the invention is to create a new method for achieving recrystallized zones with a high concentration of foreign admixtures and to use boron as a foreign substance. For this purpose, according to the invention, in a method of the type mentioned at the outset, an electrode material containing copper and boron is melted onto the semiconductor body. It was found that this results in a recrystallized zone with a high boron concentration. The mean boron content of the recrystallized zone can be at least 3 X 1019 atoms / cm3.
The material can be alloyed in several phases. The copper can be alloyed as the first phase and boron can be added as the second phase to the melt obtained in this way.
In the process known as "melting" or "alloying", a liquid zone is formed on the surface of the body, which is made up of material that is to be alloyed with the body and from
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the body consists of dissolved material. When cooling, a recrystallized zone is formed, which consists essentially of the material dissolved from the body with a low doping of the material to be alloyed, which forms an extension of the crystal lattice of the undissolved part of this body, whereupon the rest of the liquid on this zone forms a solidified zone which consists essentially of the material to be alloyed with a small content of the material dissolved from the body. The alloying process can lead to the formation of a pn junction or an ohmic connection with the body.
The method according to the invention can be used with bodies made of silicon, of germanium, of silicon / germanium and also with other bodies with a binary or with a ternary character.
As stated above, the device can be a transistor and the recrystallized region can be the emitter region.
The invention can also be used in the production of crystal diodes or other devices than transistors with pn junctions, in which a high concentration of foreign impurities is desired in a recrystallized zone on one side of a pn junction. When an ohmic contact is formed, a high concentration of foreign matter results in a recrystallized zone with low resistance.
In general, it is desirable to use a relatively large amount of boron compared to the amount of copper: the requirement for a satisfactory alloying process limits the amount of boron that can be used. In the case of bodies made of silicon, a copper-boron alloy which can contain up to 5% by weight of boron and preferably contains 0.3-2% by weight of boron can advantageously be used.
In a certain case, when alloying a Cu-B alloy with a boron content of ZWW.- with a silicon body, an average boron concentration of about 3 × 10 2 (1 atom / cm in the resulting recrystallized zone was achieved.
Copper-boron alloys, which can be rolled and machined in a similar manner to pure copper, can easily be produced with a boron content of around 2% by weight. Such an alloy was made with silicon
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can. However, lower boron contents in the copper can also be used and the boron concentrations of more than 5 × 10 atoms / cm that are achieved with them are still considerably greater than those that can be achieved with Al-B-Si alloys (3 × 10 19 atoms / cm3).
The alloy material can contain an additional component, which reduces the tendency to crack. The additional component (X) can be added before the alloying, so that a Cu-B-X material is alloyed, but it can also be added to the copper-boron-containing melt during the alloying. Examples of suitable additional components (X) are Ag, Pb, In, Sn, Au and Ni-Pb. The component (X) can also consist of the same semiconductor material as the semiconductor body (not necessarily doped or not necessarily doped in the same way as the material of the body); z. B. component (X) can be silicon when the body is made of silicon.
Another method of reducing the tendency to crack is to remove mechanically or chemically that part of the melt which would otherwise solidify on the recrystallized material, and to apply a contact to the recrystallized zone using a suitable known technique.
By the mentioned addition of an additional component, e.g. B. tin, the alloy temperature is reduced. Copper-boron (2% by weight boron) alloys with silicon when heated to a temperature of about 810 ° C., while copper-boron-tin (2% by weight boron, 10% by weight tin) alloys with silicon at 7800 ° C.
It should be noted that at the alloying temperature the copper-boron and the copper-boron-tin do not melt, but rather diffusion initially occurs at the contact points between the material to be alloyed and the silicon on the surface of the silicon body. If the diffusion causes the formation of a lower melting point, a small amount of liquid material arises at the location of the contact points and the liquefaction continues the more of the material to be alloyed and of the material of the semiconductor body is dissolved from the melt already formed. If the semiconductor body consists of silicon and tin is used as an additional component of the material to be alloyed, the amount thereof is preferably less than 10 h.
If an additional component is used, the amount of copper and boron in the material to be alloyed can be low. In general, to achieve a high emitter efficiency it is necessary
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Material can be reduced.
It has been found that some content ranges of the additional material are more favorable than others with regard to the mechanical properties of the solidified material.
It is obvious that the additional component is chosen in such a way that it relates to the electrical
Properties of the recrystallized zone has little or no effect.
It can generally be stated that the use of copper in addition to the external addition of boron enables a greater concentration of boron to be introduced into the liquid zone. In the case of silicon, the concentration of the foreign admixture in the recrystallized layer is increased and even with
Germanium, for which materials such as aluminum and gallium are currently used as additives to improve the doping, boron can give an improvement since its segregation coefficient is about 17.
An example of the method according to the invention follows below:
9.8 g of copper and 0.2 g of boron are heated in a quartz crucible for 10 minutes under vacuum to 12000 ° C. by means of high frequency and then cooled by immersing the crucible in water.
The bar of 10 g of copper-boron alloy thus obtained is heated with 1 g of tin in a quartz crucible for 10 minutes under vacuum to 1100 ° C. by means of high frequency and then cooled by immersing the crucible in water.
The resulting rod of a tin-copper-boron alloy is then rolled out to a thickness of about 100 microns and round disks with a diameter of about 1 mm are punched from the rolled metal sheet.
Such a wafer is placed on a silicon wafer of the n-type, covered with a tantalum wafer of 1 mm in diameter and weighted with an iron or quartz weight of about 1/2 g, whereupon the wafer to form a p-type emitter zone with the The silicon wafer is alloyed by heating it to 7800C for 5 minutes in a hydrogen atmosphere. The middle one
The boron content of the emitter zone is then about 3 x 10111 atoms / cm8.
The method according to the invention makes it possible to achieve zones recrystallized in silicon with a higher foreign admixture concentration than was previously possible, which is particularly important for the production of emitter zones. For germanium and other semiconductor materials, the invention provides a useful new doping method. Power transistors manufactured according to this process have a higher gain, which is surprising in connection with the addition of copper.
The example given above relates to the alloying of a Cu-B-Sn disc. If necessary, the Cu-B, which is obtained in the manner described at the beginning of the example, can also be alloyed. Furthermore, another material or other materials to reduce the tendency to crack can be alloyed with the Cu-B in the manner described in the second part of the example.
PATENT CLAIMS:
1. A method of manufacturing a semiconductor device, e.g. B. a transistor, with a semiconductor body, preferably made of silicon, the recrystallized zone containing boron in places, z. B. has an emitter zone, this zone being formed in that a boron containing
Amount of electrode material is melted on the semiconductor body and then cooled, characterized in that an amount of electrode material containing copper and boron is melted on the semiconductor body.