DE1121735B - Process for the production of semiconductor arrangements with alloyed transitions between areas of different conductivity or different conductivity types - Google Patents
Process for the production of semiconductor arrangements with alloyed transitions between areas of different conductivity or different conductivity typesInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einlegierten Übergängen zwischen Bereichen verschiedener Leitfähigkeit oder verschiedenen Leitfähigkeitstyps Zur Herstellung von Gleichrichtem und Transistoren, insbesondere aus Germanium oder Silizium, ist es bereits bekannt, die Dotierung der Halbleiteranordnung mit Störstellen verschiedenen Leitungstyps nach dem Legierungsverfahren durchzuführen. Bei diesem Verfahren wird die Störstellensubstanz auf eine Oberfläche des Kristalls aufgebracht und mit dem Kristall zusammen auf eine Temperatur (Legierungstemperatur) erwärmt, bei der sie mit der Halbleitersubstanz eine schmelzflüssige Legierung bildet. Nach dem Abkühlen der Substanzen bildet sich eine Rekristallisationsschicht aus dem Halbleitermaterial mit einem sehr geringen Gehalt der Störstellensubstanz und ein p-n-Obergang an der Grenze zweier Bereiche n-üt p- bzw. n-Leitfähigkeit.Process for the production of semiconductor arrangements with alloyed transitions between areas of different conductivity or different conductivity types For the production of rectifiers and transistors, in particular from germanium or silicon, it is already known to carry out the doping of the semiconductor arrangement with impurities of different conductivity types according to the alloying process. In this process, the impurity substance is applied to a surface of the crystal and heated together with the crystal to a temperature (alloy temperature) at which it forms a molten alloy with the semiconductor substance. After the substances have cooled, a recrystallization layer is formed from the semiconductor material with a very low content of the impurity substance and a pn transition at the boundary between two areas of n-to- p and n-conductivity.
Zum Einlegieren wurden bisher vorgefertigte Plättchen oder Folien, die aus der Störstellensubstanz bestehen oder sie als Legierungskomponente enthalten, auf den Halbleiterkörper aufgelegt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß beim Erwärmen des Kristalls mit dem aufgelegten Plättchen auf die Legierungstemperatur nicht immer eine vollständige Benetzung zwischen beiden Teilen eintritt. Infolgedessen dringt die Legierungsfront an gewissen Stellen der Halbleiteroberfläche tiefer als an anderen Stellen in den Kristall ein.Previously prefabricated plates or foils were used for alloying, which consist of the impurity substance or contain it as an alloy component, placed on the semiconductor body. However, it has been found that when heated of the crystal with the plate placed on it does not always reach the alloy temperature complete wetting occurs between the two parts. As a result, invades the alloy front is deeper at certain points on the semiconductor surface than at others Set in the crystal.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einlegierten Übergängen zwischen Bereichen verschiedener Leitfähigkeit oder verschiedenen Leitfähigkeitstyps.The invention also relates to a method for production of semiconductor arrangements with alloyed transitions between areas of different Conductivity or different conductivity type.
Die Erfindung besteht darin, daß das Störstellenmaterial in feiner Verteilung unter Druck auf die Oberfläche des Kristalls aufgespritzt wird. Das Störstellenmaterial kann sowohl reine Störstellensubstanz als auch eine Legierung sein, die die eigentliche Störstellensub,stanz als Komponente enthält. Bei dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt bereits durch das Aufschlagen der Tropfen des aufgespritzten Materials an sehr vielen Stellen der Halbleiteroberfläche ein oberflächliches Anlegieren. Von diesen Stellen ausgehend wird bei der nachfolgenden Wärmebehandlung das Legieren des Störstellenmaterials mit dem Halbleiter fortgesetzt, so daß sich eine einheitliche, lückenlose Legierungsfront mit gleichmäßiger Eindringtiefe bildet. Es ist vorteilhaft., den Kristall beim Aufspritzen auf einer erhöhten Temperatur zu halten, die zwischen der um etwa 100- C verminderten Schmelztemperatur des Störstellenmaterials und der Leg#erungstemperatur liegt. wobei die angegebene untere Grenze nur als Anhaltspunkt zu werten ist. Das Aufspritzen wird vorzugsweise in einer Atmosphäre eines Schutzgases vorgenommen, das mit den beteiligten Substanzen nicht reagiert. Zweck-mäßig wird das zum Aufspritzen verwendete Druckgas so gewählt, daß es gleichzeitig als Schutzgas dienen kann. Hierfür kommt insbesondere Stickstoff in Frage.The invention consists in that the impurity material is sprayed in fine distribution under pressure onto the surface of the crystal. The impurity material can be either pure impurity substance or an alloy that contains the actual impurity substance as a component. In the method according to the invention, a superficial alloying takes place as soon as the drops of the sprayed-on material strike at very many points on the semiconductor surface. Starting from these points, the alloying of the impurity material with the semiconductor is continued in the subsequent heat treatment, so that a uniform, gapless alloy front with a uniform penetration depth is formed. It is advantageous to keep the crystal at an elevated temperature during spraying, which is between the melting temperature of the impurity material, which is reduced by about 100 ° C., and the alloy temperature. The specified lower limit is only to be regarded as a guide. The spraying is preferably carried out in an atmosphere of a protective gas that does not react with the substances involved. The pressurized gas used for spraying is expediently chosen so that it can also serve as a protective gas. Nitrogen in particular is suitable for this.
Bei der Durchführung des Verfahrens zur Dotierung von Silizium-Einkristallen kann zur Erzeugung von Donatoren die eutektische Legierung von Gold und Silizium mit einem Zusatz von etwa 1 Gewichtsprozent Antimon (Schmelzpunkt etwa 360' Q aufgespritzt werden, während zur Erzeugung von Akzeptoren die eutektische Legierung von Aluminium und Silizium (Schmelzpunkt etwa 570' Q zweckmäßig ist. Diese eutektischen Legierungen konnten bei den bisher bekannten Verfahren nicht verwendet werden, da sie sehr spröde sind und sich daher nicht auswalzen lassen. Ein Aufspritzen dieser Legierungen nach dem vorliegenden Verfahren ist jedoch ohne weiteres möglich- sie sind hierfür wegen ihres niedrigen Schmelzpunktes sogar besonders geeignet. Die Temperaturen für das Legieren des aufgespritzten Materials mit dem Silizium betragen für Gold-Silizium-Antimon etwa 400 bis 800"' C und für Aluminium-Silizium etwa 550 bis 900# C. When carrying out the method for doping silicon single crystals, the eutectic alloy of gold and silicon with an addition of about 1 percent by weight antimony (melting point about 360 ° Q) can be sprayed on to produce donors, while the eutectic alloy of aluminum can be sprayed on to produce acceptors and silicon (melting point about 570 'Q is advisable. These eutectic alloys could not be used in the previously known processes because they are very brittle and therefore cannot be rolled out. because of their low melting point they are even particularly suitable for this. The temperatures for alloying the sprayed-on material with the silicon are around 400 to 800 ° C for gold-silicon-antimony and around 550 to 900 ° C for aluminum-silicon .
Zur Dotier-uno, von Germanium-Kristallen werden bisher reines Indium als Akzeptorsubstanz und eine Blei-Antimon-Legierung mit einem Antimongehalt in der Größenordnung von 1 Gewichtsprozent, wobei Antimon als Donatorsubstanz wirksam ist, verwendet. Diese Materialien sind auch beim vorliegenden Verfahren ohne weiteres verwendbar, da ihre Schmelzpunkte verhältnismäßig niedrig liegen (Indium etwa 1561 C, Blei-Antimon etwa 327' C). Die Legierungstemperaturen betragen etwa 500' C. To date, pure indium has been used as the acceptor substance and a lead-antimony alloy with an antimony content of the order of magnitude of 1 percent by weight, with antimony being effective as a donor substance, for the doping of germanium crystals. These materials can also be used without further ado in the present process, since their melting points are relatively low (indium about 1561 ° C., lead-antimony about 327 ° C.). The alloy temperatures are about 500 ° C.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Form eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Mit 1 ist ein Metallspritzgerät bezeichnet, dessen Vorratsgefäß 2 das Störstellenmaterial im geschmolzenen Zustand enthält und durch eine Heizwicklung 3 auf einer entsprechenden Temperatur gehalten wird. Das Gerät besitzt eine Metallspritzdüse4 und eine zu dieser konzentrisch angeordnete Druckgasdüse 5. Das Druckgas, vorzugsweise Stickstoff, wird bei 6 zugeführt.The drawing shows in schematic form an arrangement for carrying out the method according to the invention. 1 with a metal spray device is referred to, the storage vessel 2 contains the impurity material in the molten state and is kept at an appropriate temperature by a heating coil 3. The device has a metal spray nozzle 4 and a compressed gas nozzle 5 arranged concentrically with it. The compressed gas, preferably nitrogen, is supplied at 6.
Unter dem Spritzgerät 1 ist ein Tisch 7 angeordnet, der durch eine Wicklung 8 geheizt wird. Auf den Tisch 7 wird der Halbleiterkristall 9, z. B. aus Silizium, aufgelegt, der üblicherweise die Form eines flachen Zylinders hat. Auf den Kristall 9 kann eine ringförmige Maske 10 aufgelegt werden, die den Rand seiner Oberfläche abdeckt. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem Behälter 11, der eine Ausströrnöffnung 12 für das Druck- bzw. Schutzgas aufweist.A table 7 , which is heated by a winding 8 , is arranged below the spray device 1. On the table 7 , the semiconductor crystal 9, z. B. made of silicon, which usually has the shape of a flat cylinder. An annular mask 10 , which covers the edge of its surface, can be placed on the crystal 9. The entire arrangement is located in a container 11 which has an outflow opening 12 for the pressurized or protective gas.
Statt des dargestellten Metallspritzgerätes, das einen flüssigen Metallvorrat enthält, kann auch ein an sich bekanntes anderes Gerät verwendet werden, bei dem zwischen zwei Drähten, die aus dem aufzuspritzenden Material bestehen, ein Lichtbogen brennt, durch den das Material geschmolzen wird.Instead of the metal spray device shown, which has a liquid metal supply contains, another known device can also be used in which an arc between two wires made of the material to be sprayed on burns, which melts the material.
Die Temperatur des Tisches 7 wird vorzugsweise mit Hilfe eines nicht dargestellten Thermoelementes geregelt; je nach dem Schmelzpunkt der verwendeten Störstellensubstanz kann sie auf etwa 300 bis 500' C oder höher eingestellt werden. Wählt man die Temperatur des Tisches 7 bereits beim Aufspritzen des Störstellenmaterials gleich der oben angegebenen Legierungstemperatur, also zwischen 400 und 8001 C bzw. 550 und 900'- C, so findet der eigentliche Legierungsprozeß bereits während des Aufspritzens statt. Der Legierungsprozeß kann jedoch unter Umständen besser beherrscht werden, wenn er in einem besonderen Verfahrensschritt vorgenommen wird.The temperature of the table 7 is preferably regulated with the aid of a thermocouple (not shown); depending on the melting point of the impurity substance used, it can be adjusted to about 300 to 500 ° C. or higher. If one chooses the temperature of the table 7 when the impurity material is sprayed on to be the same as the alloy temperature given above, ie between 400 and 8001 C or 550 and 900 ° C., the actual alloying process takes place during the spraying on. The alloying process can, however, under certain circumstances be better controlled if it is carried out in a special process step.
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