DE1142094B

DE1142094B - Vorrichtung und Verfahren zur Dotierung von Halbleiterstoffen sowie daraus hergestelltes Erzeugnis

Info

Publication number: DE1142094B
Application number: DES49653A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Dorendorf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-07-21
Filing date: 1956-07-21
Publication date: 1963-01-03

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Dotierung von Halbleiterstoffen sowie daraus hergestelltes Erzeugnis Halbleiteranordnungen, bei denen Schichten verschiedener Leitfähigkeit durch Diffusion der Dotierungsstoffe aus der Gasphase hervorgerufen werden, sind in den letzten Jahren in der Halbleiterfertigung von hohem Interesse geworden. Bekanntlich lassen sich durch das Diffusionsverfahren sehr dünne und gleichmäßige Schichten ausbilden. Dies ist besonders bei der Herstellung von Hochfrequenztransistoren erforderlich, beispielsweise um die Laufzeit der Ladungsträger durch die Basisschicht möglichst klein zu halten. Es sind Verfahren zur Herstellung von Schichten verschiedener Leitfähigkeit in Halbleiterkristallen bekanntgeworden, bei denen der Halbleiterstoff und der Dotierungsstoff in einem Reaktionsgefäß angeordnet sind und eine gewünschte Dotierung des Halbleiters durch zweckmäßige Einstellung der Temperatur beider Stoffe erreicht wird. Die Erzeugung einer n-p-n-Schicht kann etwa in der Weise durchgeführt werden, daß ein Dotierungsstoff, der im Halbleiter eine geringe Löslichkeit, aber eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweist, und ein anderer Dotierungsstoff hoher Löslichkeit, aber geringer Diffusionsgeschwindigkeit, die im Halbleiter einander entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen hervorrufen, auf den Halbleiterkörper gleichzeitig einwirken. Durch den Dotierungsstoff hoher Diffusionsgeschwindigkeit bildet sich beispielsweise in einem an sich n-leitenden Kristall eine p-Schicht aus. Der andere Dotierungsstoff geringer Diffusionsgeschwindigkeit, der n-Leitfähigkeit bewirken soll, kann hingegen nicht so schnell in das Innere des Kristalls eindringen und reichert sich bevorzugt wegen seiner großen Löslichkeit in der Oberflächenzone des Halbleiterkristalls an. Es wird also auf diese Weise eine n-p-n-Schicht erzeugt. Für Silicium gibt es eine solche Donator-Akzeptor-Kombination, beispielsweise Aluminium und Antimon. Für Germanium als Halbleiterstoff ist aber ein solches Donator-Akzeptor-Stoffpaar nicht bekannt. Es ist daher bei diesem Stoff nicht möglich, nach den bisherigen Verfahren eine Dotierung mit Donatoren und Akzeptoren mit bestimmter Eindringtiefe und Konzentration zu erhalten. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Dotierung eines Halbleiterstoffes nach dem Diffusionsverfahren auf einfachem Wege zu erzielen, wobei das Stoffangebot am Halbleiter genau geregelt werden kann und die Konzentration an Dotierungsstoffen und die Eindringtiefe unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Reaktionsgefäß vorgesehen ist, in dem der zu dotierende Halbleiter auf hohen Temperaturen gehalten wird, die aber mindestens unterhalb seiner Schmelztemperatur liegen, und daß räumlich davon getrennt ein Dotierungsstoff, gegebenenfalls auch mehrere Dotierungsstoffe, in gleicher oder verschiedener Entfernung angeordnet ist bzw. sind und daß ferner zwischen Halbleiterkristall und Dotierungsstoffen mindestens eine Zone niedrigerer Temperatur als der der Dotierungsstoffe vorhanden ist. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der Zeichnung zeigt 1 ein Reaktionsgefäß in Form einer Ampulle, die beispielsweise aus Quarz bestehen kann. Der zu dotierende Halbleiterkristall, z. B. Germaniumkristall, ist mit 3 bezeichnet, während die Bezugszeichen 2 und 5 verschiedene Dotierungsstoffe darstellen. Der eine der beiden Dotierungsstoffe, nämlich Arsen, ist in einem Germaniumkörper anwesend und wird durch die Wärmebehandlung zum Abdampfen gebracht. Die Temperaturen, auf denen sich der Halbleiterkörper, die Zwischenzone 4 und die Dotierungsstoffe befinden, sind darüber schematisch dargestellt.
Wird ein Germaniumkristall verwendet, so ist es beispielsweise zweckmäßig, diesen auf einer Temperatur von 800 bis 900° C, vorzugsweise 850° C, zu halten.
Als Dotierungsstoff zur Erzielung einer Akzeptorschicht hat sich neben anderen Stoffen Zink als sehr geeignet erwiesen. Zink wird beispielsweise auf eine Temperatur von 500 bis 700° C, vorzugsweise 600° C, und die Zwischenzone verbleibt auf einer Temperatur von 400 bis 600° C, vorzugsweise 500° C. Die Temperatur der Zwischenzone kann beliebig geregelt werden und wirkt sozusagen als Hahn zur Regulierung des Dampfdruckes der Dotierungsstoffe am Germanium. Auf diese Weise lassen sich Eindringtiefe, Oberflächenkonzentration und Trägerkonzentration der Dotierungsstoffe in weiten Grenzen unabhängig voneinander einstellen.
Dieses Verfahren läßt sich insbesondere günstig für die Dotierung von Germanium verwenden, weil dafür kein Stoffpaar bekannt ist, das folgende Eigenschaften aufweist: hohe Diffusionsgeschwindigkeit und kleine Löslichkeit des Akzeptors einerseits und kleine Diffusionsgeschwindigkeit und hohe Löslichkeit des Donators andererseits. Doch beschränkt sich die Anwendung des Verfahrens keineswegs auf Germanium, sondern kann ebenso zur Dotierung von anderem Halbleitergrundmaterial, wie Silizium und AIIIBV-Verbindungen, verwendet werden.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich beispielsweise bei Germanium als Halbleiterstoff, Zink als Akzeptor und Arsen als Donator Schichten verschiedenartigen Leitf'ähigkeitstyps erzielen, die geringer als 10 #t sind und gute Sperrschichten aufweisen. Solche Anordnungen eignen sich insbesondere für den Betrieb bei hohen Frequenzen.
Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß Arsen oder sonstige Stoffe mit hohen Dampfdrücken, welche für das Eindiffundieren in den Halbleiter vorgesehen sind, in einem Trägerkörper, der beispielsweise aus Germanium bestehen kann, gelöst sind und aus diesem durch Erwärmung flüchtig gemacht werden. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn die Arsenkonzentration bei Verwendung von Germanium als Trägerkörper etwa 1018 bis 1020 Atome pro Kubikzentimeter beträgt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die Verwendung der genannten Dotierungsstofte.. Es können in bekannter Weise auch Diffusionsschichten mit anderen Elementen als Leitfähigkeitsträger vorgesehen sein, insbesondere Ele^ mente der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, wie Gallium und Indium, Aluminium und Antimon.
Das Verfahren wird beispielsweise in der Art ausgeführt, daß der Halbleiter etwa 10 Stunden der Einwirkung von Zink und/oder Gallium und anschließend dann etwa 1 Stunde der Einwirkung des Arsens bei tieferen Diffusionstemperaturen ausgesetzt wird.
Als Dotierungsstoff für die Basis hat sich insbesondere Zink bewährt, für den Emitter insbesondere Arsen, wenn der n-leitende Germaniumkristall eine n-p-n-Struktur erhalten soll.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Dotierung von Halbleiterstoffen, beispielsweise Germanium, aus der Gas-oder Dampfphase durch thermische Diffusion von Donator- und/oder Akzeptorstoffen, bei der ein Reaktionsgefäß vorgesehen ist, in dem der zu dotierende Halbleiter auf hoher Temperatur gehalten wird, die unterhalb seiner Schmelztemperatur liegt, und räumlich davon ein, gegebenenfalls mehrere Dotierungsstoffe in gleicher oder unterschiedlicher Entfernung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Halbleiterkristall und Dotierungsstoff mindestens eine Zone niedrigerer Temperatur, als sie die Dotierungsstoffe aufweisen, vorhanden ist.
2. Verfahren zur Dotierung von Halbleiterstoffen, beispielsweise Germanium, durch Diffusion aus der Gas- oder Dampfphase in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkonzentration und die Eindringtiefe des Dotierungsmittels, welche am Halbleiter vorhanden ist, unabhängig voneinander durch die gekühlte Zwischenzone in vorgesehener Weise in Kombination mit der Temperatur des Halbleiters und/oder des Dotierungsstoffes geregelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Zink als Akzeptor und/oder Arsen als Donator und Germanium als Halbleiterstoff.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Germanium auf eine Temperatur von 800 bis 900° C, vorzugsweise 850° C, erhitzt wird und etwa 10 Stunden der Einwirkung von Zink und/oder Gallium ausgesetzt wird, welches auf einer Temperatur von 500 bis 700° C, vorzugsweise 600° C, gehalten wird, und daß die Zwischenzone auf einer Temperatur von 300 bis 600° C gehalten wird und daß anschließend der Halbleiterkörper etwa 1 Stunde der Einwirkung von Arsen bei einer Temperatur von 600 bis 800° C, vorzugsweise von 700° C, ausgesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Dotierungssubstanzen, die im Vergleich zu anderen Dotierungsstoffen einen hohen Dampfdruck besitzen, beispielsweise Arsen, in einem Trägerkörper, vorzugsweise aus dem zu dotierenden Stoff, beispielsweise Germanium, vorzugsweise in einer Konzentration von 1018 bis 1020 Atome pro Kubikzentimeter gelöst sind und aus diesem verdampft werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung einer p-n-p-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß -Elemente der II. und; oder III. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, wie Gallium, Indium, Aluminium und/oder Zink -und Arsen, welches in einem Trägerkörper,-welcher insbesondere aus dem gleichen Material wie der zu dotierende Halbleiter. besteht, gelöst sind, für die Dotierung des Germaniumkristalls verwendet werden.
7. Halbleiterkristall-n-p-n-Schicht, hergestellt nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Germaniumkristall an der Oberfläche eine n-Schicht von etwa 10 g, Dicke aufweist, die Arsen als Majoritätsträger enthält, und d'aß sich daran eine p-Schicht anschließt, die Zink als Majoritätsträger enthält.