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Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, wie z. B. eines Transistors, einer Diode oder einer photoelektrischen Zelle mit einem halbleitenden Körper, bei dem in einem an die Oberfläche angrenzenden Teil dieses Halbleiterkörpers eine Änderung des Konzentrationsverlaufes einer wirksamen Störstelle unter Anwendung einer Temperaturbehandlung durchgeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung.
Derartige Verfahren werden in der Halbleitertechnik beispielsweise oft angewendet, um in einem vorgegebenen Körperteil, meistens in einem beschränkten Oberflächenteil des Halbleiterkörpers, die physikalischen Eigenschaften zu beeinflussen, wie z. B. die Leitfähigkeit, den Leitfähigkeitstyp, die Lebensdauer der Ladungsträger, die Photo empfindlichkeit oder Lumineszenzfähigkeit. Die Änderung des Konzen-
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kann bekanntlich in der Weise durchgeführt werden, dass die wirksame Verunreinigung,perteil entfernt wird.
Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, dass auf dem betreffenden Körperteil eine die wirksame Verunreinigung enthaltende Substanz aufgeschmolzen wird, und mit dem Körper legiert wird, worauf beim Abkühlen während der Rekristallisation auch die wirksame Verunreinigung in dem rekristallisier- ten Körperteil abgelagert wird. Bei derartigen bekannten Verfahren wird der halbleitende Körper immer in einem Ofen auf die zur Feststoffdiffusion oder zum Legieren erforderliche Temperatur erhitzt.
Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen hat es sich ergeben, dass bei den bekannten Verfahren dadurch, dass dabei der ganze Körper in einem Ofen der Temperaturbehandlung unterworfen wird, oft die Eigenschaften der hergestellten Anordnung ungünstig beeinflusst werden, oder sogar die gewünschten Eigenschaften manchmal nicht erreicht werden können. So ist es z. B. in einem Ofen nicht möglich, sehr rasche Temperaturänderungen vorzunehmen. Dadurch ist es, insbesondere bei polykristal- linen Halbleiterkörpern, äusserst schwierig oder sogar praktisch unmöglich, in dünnen Oberflächenschichten scharfe Änderungen des Konzentrationsverlaufes herzustellen. Auch können bei den bekannten Verfahren in dem zu behandelnden Körperteil störende Umwandlungen stattfinden, welche bei rascheren Temperaturänderungen vermieden werden können.
Weiter können dadurch, dass auch die nicht zu behandelnden Teile des Körpers auf dieselbe Temperatur erhitzt werden, in diesen Teilen bereits erzielte Eigenschaften geschädigt werden. Es kann dadurch beispielsweise eine ungewünschte Verkürzung der Lebensdauer in andern Teilen auftreten.
Ausgehend von der Überlegung, dass es zur Änderung des Konzentrationsverlaufes in einem Teil eines Halbleiterkörpers nicht nötig ist, den ganzen Körper derselben Temperaturbehandlung zu unterwerfen, sondern dass es genügt, wenn in erster Linie der betreffende Teil den gewünschten Temperaturzyklus durchläuft, schafft die Erfindung ein besonders einfaches neues Verfahren zur Änderung des Konzentrationsverlaufes in einem Teil eines Halbleiterkörpers, das ausserdem ermöglicht, derartige Nachteile, wie oben erwähnt, gewünschtenfalls beträchtlich zu verringern oder sogar weitgehend aufzuheben.
Dazu wird gemäss der Erfindung bei dem anfangs beschriebenen Verfahren der betreffende Körperteil wenigstens einem Teil des Temperaturzyklus der Behandlung unterworfen durch Anblasen der Oberfläche
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des betreffenden Teiles mit einem Gasstrom, dem zuvor eine den betreffenden Zyklusteil hervorrufende
Temperatur oder ein entsprechender Temperaturverlauf erteilt wird, während der Körper sich übrigens in einerUmgebungverschiedenerTemperaturbefindet. Dadurch, dass der Gasstrom direkt auf die Oberfläche des zu behandelnden Körperteiles einwirkt, und die Wärmekapazität des Körperteiles relativ gering ist, ! kann der betreffende Körperteil den angelegten Temperaturänderungen rasch folgen.
Durch Anblasen mit einem vorerhitzten Gasstrom kann der Körperteil rasch erwärmt werden, während umgekehrt durch An- blasen mit einem vorgekühlten Gasstrom eine rasche Abkühlung erzielt werden kann, was manchmal zum
Einfrieren eines Aktivierungszustandes gewünscht sein kann.
Die Temperaturbehandlung kann einfach aus Anblasen mit einem auf eine gewünschte Temperatur gebrachten Gasstrom bestehen, der zeitweise auf die Oberfläche gerichtet und dann wieder entfernt wird.
Die Erfindung ermöglicht in zweckmässiger Weise auch ein Verfahren, bei dem eine Temperaturprogram- mierung des Gasstromes vorgenommen wird, d. h. also bei dem die Temperatur des Gasstromes entspre- chend dem gewünschten Temperaturverlauf geändert wird. In diesem Zusammenhang erscheint von beson- derem Interesse ein Verfahren, bei dem die Temperaturbehandlung zeitweise gegenüber einander ver- schoben ein Anblasen mit einem oberhalb der Umgebungstemperatur vorerhitzten Gasstrom und ein An- blasen mit einem unterhalb der Umgebungstemperatur vorgekühlten Gasstrom umfasst. Dadurch ist es ins- besondere möglich, einen Körperteil rasch von einer hohen Temperatur bis auf eine tiefe Temperatur ab- zukühlen.
Eine derartige Temperaturprogrammierung kann in zweckmässiger Weise dadurch erreicht wer- den, dass der Gasstrom unter Verwendung eines Vielweghahnes nacheinander durch verschiedene Tempera- turräume geleitet wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann dazu angewendet werden, um in der ganzen Oberflächen- schicht eines Halbleiterkörpers eine Änderung des Konzentrationsverlaufes zu erreichen. Wegen der Mög- lichkeit der Beschränkung des Gasstromes auf einen dünnen Strahl ist das erfindungsgemässe Verfahren ins- besondere geeignet, einen beschränkten Oberflächenteil der Behandlung zu unterwerfen, indem der be- schränkte Oberflächenteil mit dem Gasstrom angeblasen wird. In der Weise ist es auch möglich, durch
Bewegung des Gasstrahles beliebig geformte Oberflächenteile der Behandlung zu unterwerfen.
Da sich der
Körper übrigens in einer Umgebung verschiedener Temperatur befindet, d. h. beim Aufheizen in einer
Umgebung niedrigerer Temperatur befindet, können die übrigen Teile des Körpers, insbesondere bei An- wendung rascher kurzzeitiger Temperaturerhöhungen, auf einer niedrigeren Temperatur verbleiben, wodurch gegebenenfalls erreicht werden kann, dass die physikalischen Eigenschaften in den übrigen Teilen weniger oder praktisch nicht geschädigt werden. Zu diesem Zweck kann gleichzeitig ein nicht durch den vorerhitzten Gasstrom angeblasener Oberflächenteil des Körpers gekühlt werden, z. B. indem dieser Teil mit einem wärmeableitenden Körper in Berührung gebracht wird oder mit einem gekühlten Gasstrom angeblasen wird.
Der Gasstrom, der mittels einer Düse auf den betreffenden Oberflächenteil gerichtet werden kann, enthält oder besteht zweckmässigerweise aus einem inerten oder reduzierenden Gas, wie z. B. Argon, Stickstoff oder Wasserstoff. Gegebenenfalls können auch oxydierende Bestandteile, wie z. B. Sauerstoff oder Wasserdampf hinzugefügt werden, wenn eine gleichzeitige Oxydierung der Oberfläche, z. B. Vermeidung von Abdampfen gewünscht ist. Es hat sich als besonders zweckmässig ergeben, eine Düse mit einem trichterförmigen Ende zum Anblasen des Gasstromes zu verwenden, da hiedurch, insbesondere bei Verwendung dünner Gasstrahlen, die gegebenenfalls infolge Ausdehnung des Gasstromes beim Austreten aus der Düse auftretende zusätzliche Kühlung des Gasstromes und das Ansaugen von in der Umgebung anwesenden gasförmigen Bestandteilen weitgehend verringert werden kann.
Obwohl die Erfindung auch das Abdampfen und Ausdiffundieren einer wirksamen Verunreinigung aus einem an der Oberfläche angrenzenden Körperteil ermöglicht, hat das Verfahren sich als besonders geeignet erwiesen zur Änderung des Konzentrationsverlaufes durch Einbauen einer Störstelle, insbesondere einer wirksamen Verunreinigung. Zweckmässigerweise kann die einzubauende Verunreinigung dem Gasstrom zugegeben werden. Gemäss einer andern zweckmässigen Ausbildung wird die einzubauende Verunreinigung vorher auf dem betreffenden Oberflächenteil angebracht, und dann durch Anblasen mit einem vorerhitzten Gasstrom in den betreffenden Körperteil eingeführt. Der Einbau kann durch Aufschmelzen und Einlegieren eines die wirksame Verunreinigung enthaltenden Elektrodenmaterials erfolgen.
Insbesondere ist das Verfahren nach der Erfindung geeignet, um die Änderung des Konzentrationsverlaufes durch Eindiffundieren (Feststoffdiffusion) einer Verunreinigung durchzuführen, da die vorhandene Möglichkeit der Anwendung rascher kurzzeitiger Temperaturerhöhungen und gegebenenfalls einer Temperaturprogrammierung auch einen von dem normalen durch Diffusion in einem Ofen zu erhaltenden Konzentrationsverlauf abweichenden Verlauf, z. B. einen sehr starken Konzentrationsgradienten, ermöglicht.
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Als besonders geeignet hat sich das Verfahren nach der Erfindung erwiesen, zur Anwendung bei der Umwandlung des Leitungstyps einer Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers, und in diesem Zusammen- hang ist es unter anderem von besonderem Interesse bei der Herstellung von strahlungsempfindlichen An- ordnungen, wie pn-Photodioden und Sonnenzellen, bei denen die Strahlung auf die betreffende Schicht einfällt, so dass diese Schicht zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades äusserst dünn sein soll. Das er- findungsgemässe Verfahren ermöglicht eine solche Umwandlung des Leitungstyps eben bei solchen Ver- bindungen, wie z. B. bei einem Sulfid oder Selenid, bei denen mit den bekannten Temperaturbehand- lungen diese Umwandlung praktisch nicht zu erreichen ist. So ermöglicht die Erfindung z.
B. die Herstel- lung eines p-leitenden Oberflächenteiles (dessen p-Leitung möglicherweise Störbandleitung zuzuschreiben ist) in einem n-leitendenCdS-Körper durch Anbringen einer Akzeptorverunreinigung, wie Cu, Ag oder Ni auf den betreffenden Oberflächenteil und Eintempern mittels Anblasen. In ähnlicher Weise konnte durch Anbringen einer Donatorverunreinigung, wie z. B. Zinn oder Germanium, und nachfolgende Erhitzung mit dem Gasstrom, eine n-leitende Oberflächenschicht in einem p-leitenden GaSe-Körper erzeugt werden.
Zweckmässigerweise wird bei einer derartigen Umwandlung der betreffende Teil durch Temperaturpro- grammierung des Gasstromes zuerst mit einem vorerhitzten Gasstrom rasch aufgeheizt, und nachher mit einem gekühlten Gasstrom wieder rasch abgekühlt. Der Halbleiterkörper kann als Einkristall vorliegen.
Gegenüber dem bekannten Temperaturverfahren ist das erfindungsgemässe Verfahren besonders vor- teilhaft und anwendbar auf polykristalline Halbleiterkörper. Dadurch, dass eine stellenweise Erhitzung an- gewendet wird und eine rasche Temperaturänderung beim Aufheizen und Abkühlen, können die bei einer Ofenbehandlung auftretenden Unregelmässigkeiten der Diffusion und sonstige störende Umwandlungen weit- gehend beseitigt werden.
Es sei noch bemerkt, dass es bereits an sich bekannt ist, bei Zonenschmelzverfahren die geschmolzene Zone zusätzlich mit einem Gasstrom zu beheizen oder an der geschmolzenen Zone mittels eines gezielten Gasstromes eine gasförmige Verunreinigung hinzuzufügen. Ausserdem war es bekannt, auf einem Halbleitergrundkörper eine Halbleiterschicht aus der Gasphase anwachsen zu lassen, dadurch, dass man einen Gasstrom, welcher den Halbleiter enthält, dem Halbleitergrundk5rper hinzufügt.
Bei der Erfindung dagegen handelt es sich um wesentlich andere Verfahren, bei denen eine Temperaturbehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiters vorgenommen wird und die Störstellenkonzentration in einem bereits an der Oberfläche des Körpers vorhandenen Teil des Halble : terkörpers durch Anblasen mit einem vorerhitzten oder abgekühlten Gasstrom durchgeführt wird.
Die Erfindung wird jetzt noch an Hand der Zeichnung und zweier Beispiele näher erläutert. Die Figur stellt schematisch eine Anordnung dar zur Anwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens.
An Hand dieser Figur wird zur beispielsweisen Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens die Her- stellung einer pn-Photodiode beschrieben, wobei ein n-leitender CdS-Körper an einer Seite unter Anwendung einer erfindungsgemässen Diffusion-Temperaturbehandlung mit einer p-leitenden Schicht versehen wird.
Dazu wurde ausgegangen von einem n-leitenden, praktisch einkristallinen CdS-Plättchen 1 mit einer Dicke von etwa 1 mm und einem Längsquerschnitt von etwa 1/4 cm2, das an einer Seite mit einer etwa lu dicken Schicht 2 aus Kupfer bedampft wurde, und dann in der in der Figur angegebenen Weise in der Temperanordnung behandelt wurde.
In dieser Anordnung befand sich ein inertes Gas, wie z. B. Argon, in einem Gefäss 3 unter Druck.
Ausgehend von diesem Gefäss 3 konnte das inerte Gas unter Verwendung eines Dreiweghahnes 4 entweder über den auf Temperatur Tl gehaltenen Raum 5 oder über den auf Temperatur T gehaltenen Raum 6, der Düse 7 zugeführt werden. Die Düse 7 enthielt ein becherförmiges Ende 8, das ein störendes Ansaugen von Luft aus der Umgebung zu der zu behandelnden Oberfläche 9 des Kristalles und eine störende Abküh- lung des Gasstromes bei Austreten aus dem dünnen Rohrteil 10 verhütete. In diesem Fall umgab das becherförmige Ende 8 den zu behandelnden Oberflächenteil 9 völlig.
Der Innendurchmesser des Rohres 10 betrug etwa 3 mm, und der Durchmesser des becherförmigen Endes am Rande etwa 1 cm, während der Abstand von der Ausströmungsöffnung 11 bis an die Oberfläche 9 ungefähr 1, 2 cm betrug.
Da zum Eindiffundierender Cu-Schicht 2 eine Temperaturprogrammierung erwünscht ist, bei der eine : asche Aufheizung und nach einiger Temperzeit wieder eine rasche Abkühlung erwünscht ist, bestand der Raum 5 aus einem Widerstandsofen, der auf einer hohen Temperatur von etwa 1000 C gehalten wurie, und der Raum 6 aus einem mit flüssiger Luft gefüllten Gefäss. Beim Durchgang des Gasstromes durch den betreffenden Raum wird die Temperatur des Gasstromes je nach der Durchströmungsgeschwindigkeit geändert, und durch Auswahl der Temperatur des Raumes und Regelung der Durchströmungsgeschwindigkeit kann jede beliebige Temperatur des Gasstromes an der Oberfläche des Halbleiterkörpers erzeugt werden.
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Diese Temperatur wird z. B. mit einem an der Halbleiteroberfläche angebrachten Thermoelement ge- messen.
Am Anfang der Behandlung wurde der Körper 1, auf einem Stab aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Eisen, gehaltert und mit der bedampfen Oberfläche zur Ausströmungsöffnung gekehrt in das becher- förmige Ende 8 eingeführt. Die Behandlung erfolgte einfach an der freien Luft in einem Raum normaler
Zimmertemperatur d. h. etwa 200C.
Durch Einstellung des Dreiweghahnes 4 wurde der Oberflächenteil 9 während etwa 20 sec mit einem
Gasstrom von etwa 6000C angeblasen, wobei die wirksame Akzeptorverunreinigung Kupfer in eine dünne
Oberflächenschicht des Körpers eingeführt wurde. Danach wurde durch Umdrehen des Dreiweghahnes die betreffende Oberfläche 9 rasch abgekühlt, z. B. während 15 sec, durch Anblasen mit einem durch den mit flüssiger Luft gekühlten Raum 6 geleiteten Gasstrom.
Nachdem die Cu-Schicht entfernt war, und mit Silberpaste die behandelte Oberfläche und die ge- genüberliegende Seite des Körpers kontaktiert waren, ergab sich, dass sich eine p-leitende Schicht, de- ren p-Leitung möglicherweise Störbandleitung zuzuschreiben ist, gebildet hatte. Bei Bestrahlung dieser
Schicht mit hellem Sonnenlicht wurde ein Kurzschlussstrom von etwa'10 mA/cm2 und eine Leerlaufspannung von etwa 0, 6 V gemessen.
In ähnlicher Weise wurde z. B. ein wenig polykristallines Plättchen aus p-leitendem GaSe nach Be- dampfen mit einer etwa 111 dicken Schicht aus der Donatorverunreinigung Zinn unter Anwendung der er- findungsgemässen Temperaturbehandlung mit einer n-leitenden diffundierten Schicht vorgesehen. Die Behandlung erfolgte in derselben Weise mit nur dieser Ausnahme, dass der Gasstrom auf einer Temperatur von etwa 6500C erhitzt wurde und 50 sec auf dieser Temperatur belassen, vordem auf die Kühlung mit dem durch denRaum 6 geleiteten Gasstrom umgeschaltet wurde. Nach Entfernen der Zinnschicht und Kontaktierung wurde bei Bestrahlung mit Sonnenlicht eine Leerlaufspannung von 1, 2 V gemessen und ein
Kurzschlussstrom von etwa 0,5 mA/cm.
Es ist in ähnlicher Weise auch möglich, in den oben beschriebenen Beispielen statt Kupfer Silber und Nickel als Akzeptorverunreinigung zu verwenden und z. B. statt Zinn als Donatorverunreinigung Germanium.
Es wird schliesslich noch bemerkt, dass die Erfindung selbstverständlich nicht beschränkt ist auf die oben erwähnten Beispiele, sondern dass innerhalb des Rahmens der Erfindung ein Fachmann mehrere Ab- änderungen des Verfahrens anbringen kann. So kann das Verfahren statt zur Erzeugung eines pn-Überganges gleichfalls zur Dotierung eines Oberflächenteiles mit andern wirksamen Verunreinigungen, wie z. B. Strahlungszentren, verwendet werden. Statt eines inerten Gasstromes kann gewünschtenfalls ein reduzierender Gasstrom, z. B. zur Vermeidung von Oxydschichten, angewendet werden. Die Behandlung kann statt an der freien Luft in einer Schutzatmosphäre durchgeführt werden. Es können in einfacher Weise andere gewünschte Temperaturprogrammierungen angewendet werden, z.
B. indem mehrere Temperaturräume mittels eines Vielweghahnes verwendet werden, oder es kann die Temperatur eines durch den Gasstrom durchflossenen Raumes in gewünschter Weise geändert werden zur Änderung der Temperatur des Gasstromes.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem mittels einer Temperaturbehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiters in einem an die Oberfläche angrenzenden, bereits vorhandenen Teil eines Halbleiterkörpers die räumliche Verteilung der Störstellenkonzentration geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Körperteil auf die Behandlungstemperatur aufgeheizt oder abgekühlt wird, dadurch, dass die Oberfläche des genannten Körperteiles mit einem vorerhitzten oder
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gebung mit einer von der Behandlungstemperatur abweichenden Temperatur befindet.