DE1132404B - Method for producing a pn junction in a body made of a semiconductor base material by alloying a pill of a doping metal - Google Patents

Method for producing a pn junction in a body made of a semiconductor base material by alloying a pill of a doping metal

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DE1132404B DES60369A DES0060369A DE1132404B DE 1132404 B DE1132404 B DE 1132404B DE S60369 A DES60369 A DE S60369A DE S0060369 A DES0060369 A DE S0060369A DE 1132404 B DE1132404 B DE 1132404B
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Dr Heinz Henker
Dr Erich Pammer
Dipl-Phys Dieter Enderlein
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Siemens AG
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Siemens AG
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Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

S 60369 VIb/48bS 60369 VIb / 48b

ANMELDETAGs 24. OKTOBER 1958REGISTRATION DAYS 24 OCTOBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFTi 28. JUNI 1962 NOTICE
THE REGISTRATION
ANDOUTPUTE
EXPLORATION PUBLICATION June 28, 1962

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs in einem Körper aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren einer Pille eines Dotierungsmetalls, z. B. Antimon oder Indium, in diesen Körper, wobei der Legierungsprozeß in einem Flüssigkeitsbad durchgeführt wird, dessen Temperatur so groß ist, daß Legierungsbildung zwischen dem Halbleiterkörper und der Metallpille eintritt.The invention relates to a method for producing a pn junction in a body made from a basic semiconductor material by alloying a pill of a doping metal, e.g. B. antimony or indium, in these Body, the alloying process being carried out in a liquid bath, the temperature of which is so is large that alloy formation occurs between the semiconductor body and the metal pill.

Das Legieren der Halbleiterbauelemente findet üblicherweise im Schutzgasofen statt. Schon geringste Spuren von Fremdstoffen auf der Kristalloberfläche oder im Schutzgas stören den Benetzungs- und damit auch den Legierungsvorgang. Wenn die Legierungssubstanz auf der Oberfläche des Halbleiters verschieden breit verläuft, schwankt die Eindringtiefe der Legierungszone. Die Folge ist eine unerwünschte Streuung der Kenngrößen.The alloying of the semiconductor components usually takes place in a protective gas furnace. Even the slightest Traces of foreign substances on the crystal surface or in the protective gas interfere with the wetting and thus also the alloying process. When the alloy substance on the surface of the semiconductor is different runs wide, the depth of penetration of the alloy zone fluctuates. The consequence is an undesirable one Scatter of the parameters.

Die molekularen Kräfte, die an der Grenzlinie zwischen festem Körper (Halbleiterkristall), flüssiger Legierungssubstanz und Schutzgas auftreten, bedingen ein Abweichen der Oberfläche der flüssigen Phase von der Ebene (Kapillarität). Die sich einstellende Form der Oberfläche der Legierungssubstanz ist durch das Randwinkelverhältnis gegeben, wobei der Randwinkel eine durch die Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung, Adhäsionsspannung) der verschiedenen Phasen bestimmte Größe ist. Bei vorgegebener Menge der Legierungssubstanz ist somit die Legierungsfläche festgelegt.The molecular forces that act at the boundary line between solid bodies (semiconductor crystal) and liquid Alloy substance and protective gas occur, cause the surface of the liquid phase to deviate from the plane (capillarity). The resulting shape of the surface of the alloy substance is through given the contact angle ratio, where the contact angle is a function of the surface tension (interfacial tension, Adhesion tension) of the various phases is a certain quantity. With a given The amount of alloy substance is thus determined by the alloy surface.

Wie man Fig. 2 entnehmen kann, tritt beim Legieren unter Schutzgas 4 eine Undefinierte Benetzung des mit 5 bezeichneten Bereiches des Halbleiters 3 durch die flüssige Legierungssubstanz 2 und damit ein unkontrollierbarer Legierungsvorgang auf. Die Grenzflächenspannung wird schon durch geringfügige Verunreinigungen oder Oxydschichten auf der Oberfläche in meist unbekannter Weise beeinflußt, so daß dann auch die Legierung unkontrollierbar verläuft. In manchen Fällen ist bei Anwesenheit einer gasförmigen Phase überhaupt kein definiertes Randwiakelverhältnis zu erreichen.As can be seen from FIG. 2, when alloying under protective gas 4, there is undefined wetting of the with 5 designated area of the semiconductor 3 by the liquid alloy substance 2 and thus an uncontrollable Alloying process. The interfacial tension is already reduced by minor impurities or oxide layers on the surface influenced in mostly unknown ways, so that then the alloy is also uncontrollable. In some cases it is in the presence of a gaseous Phase to achieve no defined edge winding ratio at all.

In Fig. 1 ist das Randwinkelverhältnis für zwei flüssige und eine feste Phase dargestellt. Dabei ist 1 eine Salzschmelze oder eine hochsiedende, organische Flüssigkeit, 2 die flüssige Legierungssubstanz und 3 der Halbleiterkristall.In Fig. 1, the contact angle ratio for two liquid and one solid phase is shown. Where 1 a molten salt or a high-boiling organic liquid, 2 the liquid alloy substance and 3 the semiconductor crystal.

Es ist bereits ein Legierungsverfahren bekannt, bei dem der Halbleiterkörper nach oder während des Einlegierens der Metallpille in ein geschmolzenes Flußmittel eingetaucht wird. Durch diese Behandlung sollen Spuren von schnell diffundierenden Verunreinigungen, wie z. B. Kupfer, von der Oberfläche des Verfahren zum Herstellen
eines pn-Übergangs in einem Körper
aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren
einer Pille eines DotierungsmetallsAn alloying process is already known in which the semiconductor body is immersed in a molten flux after or during the alloying of the metal pill. This treatment should provide traces of rapidly diffusing contaminants such as B. copper, from the surface of the process of manufacture
of a pn junction in a body
made of semiconductor base material by alloying
a pill of a doping metal

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. Heinz Henker, München,
Dr. Erich Pammer, Abensberg,
und Dipl-Phys. Dieter Enderlein, München,
sind als Erfinder genannt wordenDr. Heinz Henker, Munich,
Dr. Erich Pammer, Abensberg,
and Dipl-Phys. Dieter Enderlein, Munich,
have been named as inventors

Halbleiterkörpers und des legierten Übergangs entfernt werden.Semiconductor body and the alloy transition are removed.

Demgegenüber ist es der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, eine gleichmäßige Benetzung der Halbleiteroberfläche mit dem Legierungsmetall zu erzielen, um eine gleichmäßige Eindringtiefe der Legierungszone zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, ist es wesentlich, daß eine definierte Begrenzung des flüssigen Legierungsmetalls erzielt wird. Es ist also anzustreben, daß die Tangente in den äußersten Punkten, in denen der Schmelztropfen den Halbleiterkörper berührt, einen möglichst wenig von 90° abweichenden Winkel mit der Halbleiteroberfläche bildet.In contrast, it is the basic idea of the present invention, a uniform wetting of the To achieve the semiconductor surface with the alloy metal in order to achieve a uniform depth of penetration Alloy zone to ensure. In order to achieve this, it is essential that a defined limit of the liquid alloy metal is achieved. It is therefore desirable that the tangent is in the extreme Points at which the melt drop touches the semiconductor body as little as possible of 90 ° forms a different angle with the semiconductor surface.

Beim bekannten Legierungsverfahren in einem Flüssigkeitsbad ist die sich einstellende Form der Oberfläche der flüssigen Legierungssubstanz durch die Oberflächenspannung der verschiedenen Phasen, also allein durch die wirksamen Molekularkräfte, festgelegt. In the known alloying process in a liquid bath, the resulting shape is Surface of the liquid alloy substance due to the surface tension of the different phases, that is determined solely by the effective molecular forces.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zwischen den Körper aus HaIb-According to the invention, a method is proposed in which between the body of Halb-

209 617/235209 617/235

leitergrundstoff und der Badflüssigkeit eine elektrische Spannung gelegt wird, um den Randwinkel des Schmelztropfens aus Dotierungsmetall gegenüber dem Grundkörper zu beeinflussen.conductor base material and the bath liquid an electrical Voltage is applied to the contact angle of the melt drop made of doping metal with respect to the To influence basic body.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird also die Grenzflächenspannung und damit der Randwinkel durch die zusätzlich zu den Molekularkräften wirksamen elektrostatischen Kräfte beeinflußt.In the method according to the invention, the interfacial tension and thus the contact angle influenced by the electrostatic forces acting in addition to the molecular forces.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt es mehrere - Möglichkeiten. Im folgenden sollen zwei besonders: günstige Beispiele näher erläutert werden.There are several possibilities for carrying out the method according to the invention. Hereinafter two particularly: favorable examples are to be explained in more detail.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird der Halbleiterkörper und die feste Legierungspille in die heiße Flüssigkeit getaucht, deren Temperatur noch unterhalb des Schmelzpunktes der Legierungspille und unterhalb der Legierungstemperatur liegt. Das Flüssigkeitsbad wird so gewählt, daß es den Kristall und die Legierungssubstanz gut benetzt und die Oberflächenverunreinigungen weglöst. Es ist besonders günstig, eine Flüssigkeit zu verwenden, die reduzierend auf die Oxydhäute an der Oberfläche des Halbleiters und der Metallpille wirkt. Halbleiterkörper und Legierungspille werden dann miteinander in Berührung gebracht und die Flüssigkeit, in die sie eintauchen, auf eine Temperatur gebracht, die gleich oder höher als die zum Schmelzen und Einlegieren der Pille notwendige Temperatur ist. Es tritt dann sofort Benetzung zwischen Legierungssubstanz und Halbleiterkristall ein. Die Legierungssubstanz breitet sich innerhalb der Flüssigkeit auf dem Halbleiterkristall so weit aus, bis der richtige Randwinkel erreicht ist, und es tritt Legierungsbildung ein.In the first embodiment, the semiconductor body and the solid alloy pill are in the hot Immersed liquid whose temperature is still below the melting point of the alloy pill and is below the alloy temperature. The liquid bath is chosen so that it has the crystal and the alloy substance wets well and removes the surface impurities. It is special favorable to use a liquid that has a reducing effect on the oxide layers on the surface of the semiconductor and the metal pill works. The semiconductor body and alloy pill are then in contact with one another brought and brought the liquid in which they are immersed to a temperature the same or higher than the temperature necessary to melt and alloy the pill. It then occurs immediately wetting between the alloy substance and the semiconductor crystal. The alloy substance spreads expand within the liquid on the semiconductor crystal until the correct contact angle is reached and alloying occurs.

Der umständliche Weg des Legierens im Schutzgasofen, also das Beschicken des Ofens, das Gasdurchspülen, Aufheizen und Reduzieren der Oberfläche und darauf das Aufkippen des Legierungsstoffes entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die zu legierenden Teile können in einem kontinuierlich ablaufenden Arbeitsprozeß aus der normalen Atmo-Sphäre direkt in das heiße Legierungsbad getaucht und dort in eine definierte Lage zusammengebracht werden. Nachdem das Legierungsgleichgewicht erreicht ist, wird das System an die normale Atmosphäre oder insbesondere in ein Kühlbad gebracht. Die Badreste müssen bei niedrigerer Temperatur vom System entfernt werden. Die Wärmezufuhr zu dem zu legierenden System ist außerdem im Flüssigkeitsbad wesentlich günstiger als im Schutzgas, wo sie z. B. durch Strahlung zugeführt wird. Man erhält zeitlich und räumlich kleinere Temperaturschwankungen. Ist die Schmelze durchsichtig, so kann der Legierungsvorgang bequem beobachtet werden. Hierdurch wird das Erkennen von Fehlern sehr erleichtert.The cumbersome way of alloying in a protective gas furnace, i.e. loading the furnace, purging with gas, Heating up and reducing the surface and then the tipping of the alloy material is omitted in the method according to the invention. The too Alloying parts can be removed from the normal atmosphere in a continuous work process immersed directly into the hot alloy bath and brought together there in a defined position. After the alloy equilibrium is reached, the system is returned to the normal atmosphere or in particular brought into a cooling bath. The remains of the bath must be removed from the system at a lower temperature will. The supply of heat to the system to be alloyed is also essential in the liquid bath cheaper than in the protective gas, where they are z. B. is supplied by radiation. You get temporal and spatial minor temperature fluctuations. If the melt is transparent, the alloying process can be carried out easily to be observed. This makes it much easier to identify errors.

Eine andere Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens ist auch dadurch gegeben, daß man den Halbleiterkörper (z. B. Germanium) in ein Flüssigkeitsbad bringt, das z. B. aus geschmolzenem Zinnchlorid (SnCl2), aus einer 200° C heißen, hochkonzentrierten, wäßrigen Kalciumchlorid(CaCl2)-Lösung, heißer Palmatinsäure oder heißem Glykol mit geringen Zusätzen von Salzen, die als Flußmittel wirken, besteht und eine Temperatur hat, die über dem Schmelzpunkt der Legierungssubstanz (z. B. Indium) und bei oder über der Legierungstemperatur liegt. Bei der Durchführung des Verfahrens liegt die Temperatur des Bades z. B. zwischen 200 und 500° C für Germanium und zwischen 400 und 800° C für Silizium. Man bringt dann die Legierungspille mit einer Justiervorrichtung auf dem Halbleiterkörper auf. Es tritt sofort Benetzung zwischen Legierungssubstanz und Halbleiterkörper und Einstellung des richtigen Randwinkels sowie Legierungsbildung ein. Das System wird dann wieder aus dem Bad herausgenommen und insbesondere in ein Kühlbad gebracht.Another possibility for carrying out the method is also given that the semiconductor body (z. B. germanium) is brought into a liquid bath, which z. B. from molten tin chloride (SnCl 2 ), from a 200 ° C, highly concentrated, aqueous calcium chloride (CaCl 2 ) solution, hot palmatic acid or hot glycol with small additions of salts that act as a flux, consists and has a temperature, which is above the melting point of the alloy substance (e.g. indium) and at or above the alloy temperature. When carrying out the process, the temperature of the bath is, for. B. between 200 and 500 ° C for germanium and between 400 and 800 ° C for silicon. The alloy pill is then applied to the semiconductor body using an adjusting device. Immediately wetting occurs between the alloy substance and the semiconductor body and the correct contact angle is set and the alloy is formed. The system is then taken out of the bath again and, in particular, placed in a cooling bath.

Je nach Stromrichtung, also je nach Polung der zwischen Flüssigkeitsbad und Halbleiterkörper angelegten Spannung, kann außerdem auch ein Abätzen der Oberfläche oder eine Dotierung der Oberfläche oder der Legierung stattfinden. Das Flüssigkeitsbad enthält dann eine Verbindung eines dotierenden Stoffes, die durch die angelegte Spannung auf der Halbleiteroberfläche, bzw. auf der Legierung niedergeschlagen wird und eindiffundiert oder einlegiert.Depending on the direction of the current, i.e. depending on the polarity of that applied between the liquid bath and the semiconductor body Stress can also be an etching of the surface or a doping of the surface or the alloy. The liquid bath then contains a compound of a dopant Substance that is deposited on the semiconductor surface or on the alloy by the voltage applied is and diffused or alloyed.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf den insbesondere aus Germanium bestehenden Halbleiterkörper 3 ein heißer Salzschmelztropfen 1 aufgebracht. Die insbesondere aus Indium (bzw. Antimon) bestehende Metallpille 2 wird durch die Schmelze hindurch mit dem Halbleiterkörper 3 zusammengebracht. Da erfindungsgemäß die Temperatur der Schmelze und damit auch die Temperatur der mit ihr in Berührung gebrachten Halbleiteroberfläche gleich oder höher als die Legierungstemperatur liegt, tritt sofort Benetzung zwischen Metallpille 2 und Halbleiterkörper 3 und Einstellung des richtigen Randwinkels sowie Legierungsbildung ein.In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, reference is made to the one consisting in particular of germanium Semiconductor body 3, a hot molten salt drop 1 is applied. The especially made of indium (resp. Metal pill 2 consisting of antimony) is brought together with the semiconductor body 3 through the melt. Since according to the invention the temperature of the melt and thus also the temperature of the the semiconductor surface brought into contact with it is equal to or higher than the alloy temperature, Immediately occurs wetting between metal pill 2 and semiconductor body 3 and setting of the correct one Edge angle as well as alloy formation.

In Fig. 4 ist ein Halbleiterkörper 3 dargestellt, in den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers die Emitterelektrode 2 und die Kollektorelektrode 6 eines Transistors einlegiert sind.In Fig. 4, a semiconductor body 3 is shown, in the according to the inventive method on the both opposite sides of the semiconductor body, the emitter electrode 2 and the collector electrode 6 of a transistor are alloyed.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs in einem Körper aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren einer Pille eines Dotierungsmetalls, z. B. Antimon oder Indium in diesen Körper, wobei der Legierungsprozeß in einem Flüssigkeitsbad durchgeführt wird, dessen Temperatur so groß ist, daß Legierungsbildung zwischen dem Halbleiterkörper und der Metallpille eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körper aus Halbleitergrundstoff und die Badflüssigkeit eine elektrische Spannung gelegt wird, um den Randwinkel des Schmelztropfens aus Dotierungsmetall gegenüber dem Grundkörper zu beeinflussen. 1. A method for producing a pn junction in a body of semiconductor base material by alloying a pill of a doping metal, e.g. B. antimony or indium in this body, the alloying process is carried out in a liquid bath whose temperature is so high that alloy formation occurs between the semiconductor body and the metal pill, characterized in that an electrical voltage is placed between the body of semiconductor base material and the bath liquid is to influence the contact angle of the melt drop made of doping metal with respect to the base body. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit der noch festen Pille in die Flüssigkeit eingetaucht und danach erst die Flüssigkeit auf die zum Schmelzen und Einlegieren der Pille notwendige Temperatur erhitzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the semiconductor body with the still solid pill immersed in the liquid and only then the liquid on the for Melting and alloying the pill is heated to the necessary temperature. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper und die einlegierte Pille aus dem Bad herausgenommen und in ein Kühlbad gebracht werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor body and the inlaid pill can be taken out of the bath and placed in a cooling bath. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flüssigkeitsbades, das die Oxyde und Oberflächenverunreinigungen des Halbleiters und der Legierungsstoffe löst. 4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized by using a liquid bath that removes the oxides and surface contaminants of the semiconductor and the alloys dissolves. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flüssigkeitsbades, das Dotierungssubstanzen enthält.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized by the use of a liquid bath, which contains dopants. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tropfen des Flüssigkeitsbades auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht und die Metallpille durch diesen Tropfen hindurch mit dem Halbleiterkörper zusammengebracht wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a drop of the liquid bath on the semiconductor surface applied and brought together the metal pill through this drop with the semiconductor body will. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 775 616.References considered: British Patent No. 775,616. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
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