DE1163458B - Diffusionsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer dampffoermigen Dotierungssubstanz - Google Patents
Diffusionsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer dampffoermigen DotierungssubstanzInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1163 458
Aktenzeichen: 112339 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 18. Oktober 1956
Auslegetag: 20. Februar 1964
Die Erfindung befaßt sich mit dem Diffusionsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen
unter Verwendung einer dampfförmigen Dotierungssubstanz. Bei dem bekannten Diffusionsverfahren
wird der Halbleiterkristall einem Gas von Fremdatomen ausgesetzt, die in den Kristall hineindiffundieren.
Es hat sich gezeigt, daß hierbei die Diffusionsfront unabhängig von der Orientierung des Kristalls
wesentlich gleichmäßiger in den Kristall eindringt als eine Legierungsfront.
Die wesentlichen Vorteile des Dotierungsverfahrens durch Dampfdiffusion von Dotierungssubstanzen
beruhen bekanntlich darauf, daß steile Gefalle der Störstellendichte senkrecht zur Diffusionsfront erzielt
werden können und daß verschiedene Dotierungssubstanzen, die als Donatoren bzw. Akzeptoren
in Betracht kommen, unter gleichen Bedingungen, wie Temperatur, Dampfdruck usw., sehr verschieden
rasch in den Kristall eindringen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Weiterbildung und Verbesserung des
Diffusionsverfahrens zum Herstellen von Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer dampfförmigen
Dotierungssubstanz.
Die Erfindung besteht hierfür darin, daß auf die Elektrodenbereiche an der Oberfläche der Halbleiterkörper
eines Leitungstyps, insbesondere auf die Emitter- und Kollektorbereiche, Uberzugsschichten aus
einer den gleichen Leitungstyp bildenden Dotierungs-Diffusionsverfahren
zum Herstellen von
Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer dampfförmigen Dotierungssubstanz
Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer dampfförmigen Dotierungssubstanz
Anmelder:
IBM Deutschland Internationale
Büro-Maschinen Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ.)
Büro-Maschinen Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ.)
Als Erfinder benannt:
Lloyd Philip Hunter, Poughkeepsie, N.Y.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Oktober 1955
(Nr. 542 131)
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich für
die Bildung mehrerer Schichten jeder beliebigen Größe oder Form in einem einzigen Halbleiterkörper.
Die Eindringung der Störstoffe erfolgt dabei unter den Überzugsschichten einheitlich, so daß Schichten
in einer zur Oberfläche des Halbleiterkörpers parallel verlaufenden Ebene entstehen. Das Verfahren nach
substanz aufgebracht werden und daß diese HaTb- 30 der Erfindung gestattet auch wegen der einheitlichen
leiterkörper in einem Dampf einer den entgegenge- Diffussionsgeschwindigkeit eine sehr genaue Steuesetzten
Leitungstyp bildenden Dotierungssubstanz, rung der Abstände zwischen den Schichten in einem
die mit der Dotierungssubstanz der Uberzugsschichten Halbleiterkörper.
chemisch oder physikalisch reagiert, derart erhitzt Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht fer-
werden, daß sich eine Oberflächenschicht des ent- 35 nerhin darin, daß man in einem Arbeitsgang denselgegengesetzten
Leitungstyps auf dem Halbleiterkörper ben Fremdstoff mit mehr als einer Eindringtiefe einbildet,
die unter den Überzugsschichten dicker ist.
Der in der folgenden Beschreibung gebrauchte Ausdruck »Schicht« bezeichnet sowohl den in einem
Halbleiterkörper zwischen angrenzenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildeten Übergangsbereich
als auch die in einem Körper aus Halbleitermaterial zwischen angrenzenden Zonen des
einen Leitungstyps und des eigenleitenden Halbleitermaterials gebildete Übergangszone.
Der Vorteil der Erfindung besteht in der Vergrößerung der Eindringtiefe. Die Eindringtiefe einer Dotierungssubstanz in einem Halbleiterkörper durch
Dampfdiffusion ist nämlich größer, wenn die Oberdiffundieren lassen kann.
Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen Halbleiterkörper mit Bereichen,
die mit einem Dampf bindenden Material überzogen sind und in welche Verunreinigungen eindiffundiert
worden sind;
F i g. 2 zeigt einen fertigen NPN-Transistor, der
durch die Entfernung von in F i g. 1 gezeigten Teilen der Körperoberflächen hergestellt worden ist.
Für die Erläuterung des Erfindungsgedankens ist als Halbleitervorrichtung ein NPN-Transistor mit
einer Mehrzahl von Schichten gewählt worden. Na-
fläche des Halbleiterkörpers mit einem Überzug aus 50 türlich könnten auch andere Halbleitervorrichtungen,
einem Aktivatormaterial versehen ist, mit dem sich die andere Transistortypen enthalten, für diesen
die Dotierungssubstanz verbinden kann. Zweck verwendet werden. Die Erfindung soll jeden-
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falls nicht auf einen bestimmten Halbleitertyp be- solchen geschmolzenen Zone ist schwierig auszufüllschränkt
sein. Die Größe, die Form und der parallele ren, weil dafür eine starke Annäherung an den
Verlauf der Schichten sowie deren Abstände vonein- Gleichgewichtsdampfdruck der Verunreinigung nötig
ander haben einen wesentlichen Einfluß auf die Ar- ist. Der Effekt der Annäherung an den Gleichgebeitsweise
solcher Vorrichtungen. Aus der nachfol- 5 Wichtsdampfdruck wird später beschrieben,
genden Beschreibung des erfindungsgemäßen Ver- F i g. 1 zeigt einen NPN-Transistor im Zwischen-
fahrens in Anwendung auf die Herstellung eines spe- stadium der Herstellung nach Abschluß der Diffusion
ziellen Transistors geht ohne weiteres dessen An- des Dotierungsmaterials, wie oben beschrieben. Der
wendbarkeit auch auf andere Schichthalbleiteranord- Halbleiterkörper 1 hat P-Leitfähigkeit, z. B. Germanungen,
z. B. unipolare Transistoren, hervor. io nium, mit einer kontrollierten Menge von Indium
Zum Herstellen eines NPN-Transistors wird ein zur Herbeiführung des P-Leitungstyps. Auf entge-Körper
aus Halbleitermaterial vom P-Leitungstyp ge- gengesetzten Oberflächen des Körpers 1 befinden sich
wählt, z. B. ein Germaniumkristall, das eine kontrol- überzogene Bereiche 2 und 3 aus einem P-Aktivatorlierte
Menge von P-Dotierungssubstanz enthält. Sol- material, z. B. Indium. Dieser Halbleiterkörper ist in
ches P-Aktivatormaterial besteht gewöhnlich aus 15 Gegenwart eines Dampfes, der ein N-Dotierungsmaeinem
der Elemente der Gruppe III des Periodischen terial, z. B. Arsen, enthält, erhitzt worden. Das Arsen
Systems, zu der Indium und Gallium gehören. Der ist in die Oberfläche des Körpers 1 bis zu einer beKörper hat Waffelform, und die Dickenabmessung ist stimmten Tiefe diffundiert, die gestrichelt dargestellt
aus an sich bekannten Gründen genau kontrolliert. ist, und hat die durchdrungenen Bereiche in N-Ma-.
Eine Schicht, z. B. aus Indium, wird auf jede Seite 20 terial verwandelt. Die Eindringungsstufe des Arsens
des Körpers aufgebracht und überzieht einen Bereich, ist beträchtlich größer unter den Überzügen 2 und 3.
der etwa gleich dem Bereich der gewünschten Halb- Jetzt wird ein Teil der Oberflächenbereiche des
leiterschichten ist, die Emitter und Kollektor des Körpers 1 bis zu einer einheitlichen Tiefe so weit abTransistors bilden sollen. Die Indiumschichten getragen, daß das P-Material in denjenigen Bereichen
können beliebig von gewünschter Dicke sein und 25 freiliegt, wo die geringere Durchdringung vorhanden
nach an sich bekannten Verfahren, z. B. durch Auf- ist. Dies kann in beliebiger an sich bekannter Weise
dampfung durch eine Maske hindurch, um eine Ab- geschehen, z. B. durch chemische Ätzung, elektrolylagerang
von bestimmter Größe zu ergeben, aufge- tasche Ätzung oder durch sonstige Abtragung. Dann
bracht werden. werden Anschlüsse an die freigelegten Zonen ange-
Der Halbleiterkörper mit der Indiumschicht wird 30 lötet oder auf andere Weise angebracht, so daß die in
dann in Gegenwart eines Dampfes aus einem N-Do- F i g. 2 gezeigte Transistorstruktur entsteht. Dort ist
tierungsmaterial, z.B. einem Element der GruppeV der NPN-Transistor im Endstadium der Herstellung
des Periodischen Systems, wie Arsen, od. dgl., erhitzt. dargestellt, und zwar dient der freigelegte Bereich 4
Der Germaniumkristallkörper wird dann zweckmäßig des P-Typs als Basis des Transistors, und die N-Beauf
genügend hoher Temperatur gehalten, um eine 35 reiche 5 und 6 dienen als Emitter bzw. Kollektor.
Diffusion zu gewährleisten, solange er dem Arsen- Wie aus den verschiedenen Größen des Emitterbedampf
ausgesetzt ist. Wegen des Vorhandenseins des reichs 4 und des Kollektorbereichs S ersichtlich ist,
Indiums diffundiert das Arsen in den Halbleiterkör- ist es möglich, Zonen des entgegengesetzten Leitper
in eine beträchtliche größere Tiefe unter dem mit fähigkeitstyps von beliebiger Form in dem Halbleiter-Indium
überzogenen Bereich als bei den bekannten 40 körper nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
überzugsfreien Oberflächen. Dieser Effekt ist noch dadurch herzustellen, daß lediglich die Form des
nicht exakt zu erklären. Es kann aber angenommen Überzuges oder der Überzüge 2 und 3, die auf die
werden, daß der Überzug aus dem Element der Oberfläche aufgebracht werden, verändert wird.
Gruppe III auf der Oberfläche des Halbleiters sich Die Technik der Dampfdiffusion von Dotierungs-
mit dem Dampf aus dem Element der Gruppe V 45 material in einen Halbleiterkörper ist ziemlich verchemisch
verbindet, wie bei der Bildung einer inter- wickelt. Es ist eine genaue Überwachung sowohl der
metallischen III-V-Verbindung, und daß ein Über- Bestandteile als auch der Umgebung erforderlich, um
schuß des diffundierten Elements als Lösung des Halbleiterschichten anderen Leitungstyps in einer bediffundierten
Elements in der Verbindung vorhanden stimmten Eindringtiefe zu erzeugen. Die nachstehenist.
Durch diese Verbindung kommt die Diffusions- 50 den Bemerkungen sollen auf die Hauptstellen hinverunreinigung
inniger in Kontakt mit der Oberfläche weisen, wo eine genaue Kontrolle wichtig ist. Beim
und wird in größerer Konzentration gehalten, so daß Diffundieren eines Dotierungsmaterials in einen
dadurch die Diffusionsgeschwindigkeit im Halbleitei Halbleiterkörper muß deren Atomen durch Wärme
erhöht wird. Diese Reaktion findet statt bei einem genügend Energie abgegeben werden, damit eine gute
den einen Leitungstyp bildenden Überzugsmaterial und 55 Diffusion zustande kommt. Um in einer annehmeinem
Dotierungsmaterial des anderen Leitungstyps. baren Zeitdauer zu einer ausreichenden Tiefe zu
Es ist festgestellt worden, daß ein Überzug aus einem diffundieren, ist im allgemeinen eine viel höhere
Dotierungsmaterial auf der Oberfläche des Halblei- Temperatur erforderlich als die Legierungstemperaterkörpers,
der chemisch oder physikalisch mit dem tür dieser Dotierungsmaterial-Halbleiter-Verbindung,
diffundierten Aktivatormaterial reagieren kann, um 60 Wenn das Dotierungselement eine Legierung mit dem
dieses in innigem Kontakt mit der Oberfläche zu hai- Halbleiter bei einer niedrigeren Temperatur als der
ten, zu einer tieferen Eindringung des diffundierten Diffusionstemperatur bilden kann, muß vorsichtig dis
Aktivatorelements führt. Eine kleine geschmolzene Konzentration des Dotierungsmaterials in dem Dampf
Zonev aus einer Legierung des diffundierten Dotie- unterhalb dessen Gleichgewichtsdampfdrucks gehalrungsmaterials
und des Halbleiterkörpermaterials ist 65 ten werden. Wenn das nicht geschieht, kann eine Leebenfalls wirksam, das Dotierungsmaterial in Kon- gierung entstehen und der Halbleiterkörper schmeltakt
mit der Oberfläche des Körpers zu halten und zen. Um die Größe des umzuwandelnden Bereichs
die Diffusion zu beschleunigen. Die Bildung einer gut kontrollieren zu können, muß die Diffusionstem-
peratur unter der Schmelztemperatur der Verbindung gehalten werden. Dadurch wird sichergestellt, daß die
Verbindung in dem ausgewählten Bereich verbleibt.
Die Eindringtiefe der Verunreinigung wird durch die Diffusionskonstante, den Oberflächenzustand
des Halbleiterkörpers, durch die Dotierungsmaterialkonzentration im Dampf und die Diffusionszeit bestimmt. Die Diffusionskonstante verändert sich
mit der Art des Dotierungsmaterials und der Temperatur. Der Oberflächenzustand ist ein Maßstab für
die Unvollkommenheiten in der Oberfläche des Körpers, die die Verunreinigung direkt in den Körpei
eindringen und den Diffusionsvorgang von einem Punkt unter der Oberfläche aus beginnen läßt. Dadurch
ergibt sich eine größere Gesamteindringtiefe in einer gegebenen Zeit. Die Eindringtiefe wird direkt
beeinflußt durch die Konzentration der Verunreinigung im Dampf und durch die Behandlungsdauer,
d. h., bei längeren Diffusionszeiten und größerei Konzentration der Verunreinigung im Dampf wächst ao
die Eindringtiefe. Nach dem Vorstehenden dürfte hervorgehen, daß man eine bestimmte Eindringtiefe
voraussagen kann aus den Faktoren des Halbleiterkörpermaterials, des Dotierungsmaterials, der Konzentration
des Dotierungsmaterials im Dampf, der Temperatur, bei der die Diffusion stattfindet, der Expositionszeit
und des Oberflachenzustandes des Körpers. Über die Umgebung während der Diffusion
wäre noch zu sagen, daß bei den für die Diffusion erforderlichen hohen Temperaturen ziemlich leicht
stabile Oxyde entweder mit dem Dotierungsmaterial oder mit dem Halbleiterkörper entstehen und diese
Oxyde die Eindringgeschwindigkeit beeinflussen können. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die
Diffusion in einer reduzierenden Atmosphäre durchzuführen.
In der vorstehenden Besprechung sind nur die Punkte in der Technik, die eine besondere Bedeutung
bei der Dampfdiffusion haben, gestreift worden. Es ist jedoch zu beachten, daß der Reinheitsgrad bei
der Halbleiterherstellung größer ist, als er durch spektroskopische Mittel festgestellt werden kann.
Zum Beispiel genügt 1 Aktivatoratom auf 10 Millionen Kristallatome, um den Leitfähigkeitstyp zu verändern.
Aus diesem Grunde ist es zur allgemeinen Praxis geworden, in allen Stadien eines Halbleiterherstellungsvorganges
äußerste Sorgfalt walten zu lassen, um den hohen Reinheitsgrad aufrechtzuerhalten.
Als Beispiel für die oben beschriebene Lehre wird das Dampfdiffusionsverfahren zur Herstellung des
NPN-Transistors nach Fig. 2 gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wie folgt ausgeführt:
Eine Gennaniumkristallscheibe vom P-Typ mit möglichst wenig Oberflächenfehlern und mit Indiumüberzügen
bestimmter Ausdehnung auf den gegenüberliegenden Oberflächen wird in einer reduzierenden
Atmosphäre bei einer Temperatur von 8000C
19 Stunden lang gehalten. Während dieser Zeit wird der Kristall einem Arsendampf ausgesetzt, dessen
Konzentration zwischen 1-1018 und 1-1016 Atomen
pro Kubikzentimeter liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß in Übereinstimmung mit der vorstehenden Lehre
die obere Grenze der Arsenkonzentration durch den Wunsch geregelt wird, nicht zu nahe an den Gleichgewichtsdampfdruck
von Arsen zu kommen, und daß die untere Grenze durch die in einer gegebenen Zeit
gewünschte Eindringtiefe bestimmt wird. Unter diesen Umständen beträgt die Eindringtiefe des Arsens
in die ausgesetzte Oberfläche des Germaniumkristalls μ, und die Eindringtiefe des Arsens in den Kristall
unter der Indiumschicht beträgt 120 μ.
Claims (5)
1. Diffusionsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer
dampfförmigen Dotierungssubstanz, dadurch
gekennzeichnet, daß auf die Elektrodenbereiche an der Oberfläche der Halbleiterkörper
eines Leitungstyps, insbesondere auf die Emitter- und Kollektorbereiche, Uberzugsschichten aus
einer den gleichen Leitungstyp bildenden Dotierungssubstanz aufgebracht werden und daß diese
Halbleiterkörper in einem Dampf einer den entgegengesetzten Leitungstyp bildenden Dotierungssubstanz, die mit der Dotierungssubstanz der
Überzugsschichten chemisch oder physikalisch reagiert, derart erhitzt werden, daß sich eine
Oberflächenschicht des entgegengesetzten Leitungstyps auf dem Halbleiterkörper bildet, die
unter den Überzugsschichten dicker ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Überzugsschicht aus einem Stoff der III. Gruppe des Periodischen Systems
und der Dampf aus einem Stoff der V. Gruppe des Periodischen Systems besteht.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht
aus Indium besteht und auf einen Halbleiterkörper vom P-Leitungstyp aufgebracht wird und daß
dann über diese Indiumschicht hindurch aus dem Dampf, in welchem der Halbleiterkörper erhitzt
wird, Arsen in den Halbleiterkörper eindiffudiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überzugsschicht aus Indium
auf einen Halbleiterkörper aus P-leitendem Germanium aufgebracht wird, daß der so vorbereitete
Halbleiterkörper etwa 19 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 800° C einem Dampf
ausgesetzt wird, der 1018 bis 1016 Arsenatome pro Kubikzentimeter enthält.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom Halbleiterkörper
nach der Wärmebehandlung eine Schicht abgetragen wird, deren Dicke größer als die Eindringtiefe
der aus dem Dampf an den von der Überzugsschicht nicht bedeckten Stellen eindiffundierten
Dotierungssubstanz und kleiner ist als die Eindringtiefe der aus dem Dampf an den
übrigen Stellen eindiffundierten Dotierungssubstanz.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 885 756;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 040 697;
USA.-Patentschrift Nr. 2 692 839.
Deutsche Patentschrift Nr. 885 756;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 040 697;
USA.-Patentschrift Nr. 2 692 839.
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Families Citing this family (1)
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Citations (3)
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Family Cites Families (1)
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2692839A (en) * | 1951-03-07 | 1954-10-26 | Bell Telephone Labor Inc | Method of fabricating germanium bodies |
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Also Published As
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| DE1223814B (de) | 1966-09-01 |
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