DE1186952B - Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von n- in p-leitendes Halbleitermaterial fuer Halbleiterbauelemente durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von n- in p-leitendes Halbleitermaterial fuer Halbleiterbauelemente durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1186 952
Aktenzeichen: Z 8650 VIII c/21 g
Anmeldetag: 30. März 1961
Auslegetag: 11. Februar 1965
Bei dem Herstellen von Halbleiterbauelementen der Elektronik besteht die Aufgabe, η-leitendes in p-leitendes Halbleitermaterial umzuwandeln. Es ist bekannt, zur Lösung dieser Aufgabe, dem Halbleitermaterial dotierende fremde Atome anderer chemischer Wertigkeit als das zu behandelnde Halbleitermaterial zuzuführen. Es handelt sich hierbei um eine mechanische Mikromanipulation, welche sehr sorgfältig durchgeführt werden muß und welche einen verhältnismäßig großen Zeitaufwand benötigt.
Die Änderung der Konzentration der Überschußladungsträger in einem η-leitenden Halbleitermaterial ohne Zufuhr von andersartigen Fremdatomen ist aber auch durch das Herstellen von Gitterfehlstellen möglich. So können Akzeptorstörstellen durch Einbau der von einem Gitterplatz entfernten Atome auf Zwischengitterplätzen (Frenkel-Fehlordnung) erzeugt werden. Zum Herstellen solcher Fehlordnungen, welche die Konzentration der Überschußladungsträger in Halbleiterkristallen zugunsten einer p-Leitfähigkeit verschieben, ist es bekannt, Halbleitermaterial mit geladenen oder ungeladenen Elementarteilchen (Elektronen, Neutronen, Atomkerne), die eine Energie von 0,5 bis 20 MeV besitzen, zu beschießen. Bei entsprechenden Untersuchungen wurde festgestellt, daß zum Beispiel bei Germanium die beschießenden Elektronen eine Mindestenergie von 500. keV haben sollten.
Eine Anwendung von Elektronen mit einer Energie von mehr als 500 keV zur Änderung der Konzentration von Uberschußladungsträgern in Halbleiterkristallen ist sehr kostspielig, da hierzu aufwendige Elektronenbeschleuniger bzw. Spezialgeneratoren erforderlich sind.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dient zum Umwandeln von n- in p-leitendes Halbleitermaterial für Halbleiterbauelemente durch Beschüß mit einem Elektronenstrahl, ohne daß rotierende Fremdatome zugeführt werden. Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß ein mit einer Spannung von 30 bis 200 kV beschleunigter Elektronenstrahl verwendet wird und daß zum Bilden von als Akzeptoren wirkenden Fehlstellen im Halbleiterkristall die umzuwandelnde Stelle des Halbleiterkristalls mit einer Elektronenstrahldosis von 1016 bis 1022 Elektronen pro Quadratzentimeter so beschossen wird, daß die Temperatur nicht über 500° C ansteigt. Bei einer solchen Beschießung tritt eine bleibende Änderung der Konzentration der Überschußladungsträger auf.
Elektronen, welche Energien zwischen 30 und 200 keV haben, lassen sich in verhältnismäßig ein-Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln
von n- in p-leitendes Halbleitermaterial für
Halbleiterbauelemente durch Beschüß mit
einem Elektronenstrahl
Anmelder:
ίο United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. F. Weickmann,
Dr.-Ing. A. Weickmann,
Dipl.-Ing. H. Weickmann
und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,
München 27, Möhlstr. 22
Als Erfinder benannt:
Dr. Heinrich Hora, Böblingen (Württ.)
fach aufgebauten Elektronenstrahlgeräten erzeugen.
Die in solchen Geräten erzeugten Elektronenstrahlen können durch elektronenoptische Mittel weitgehend beeinflußt werden, so daß es beispielsweise möglich ist, einen solchen Elektronenstrahl auf einen sehr kleinen Bereich eines Halbleiterkristalls zu konzentrieren. Es wird vorteilhaft ein Strahl gewählt, der eine Leistungsdichte von etwa 10 W/cm2 aufweist. Die Umwandlung von n- in p-Leitfähigkeit kann so auf außerordentlich kleine Bereiche eines Halbleiters beschränkt werden.
Der Beschüß des Halbleitermaterials erfolgt zweckmäßig im Vakuum. Dadurch sind von vornherein irgendwelche Verunreinigungen vermieden.
Es kann zweckmäßig sein, die Intensität des Elektronenstrahles während des Bestrahlungsvorganges zu verändern. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, zur Vermeidung zu hoher Temperaturen des bestrahlen Materials den Elektronenstrahl intermittierend zu steuern.
Zur Umwandlung vorherbestimmter Bereiche eines Halbleiters ist es zweckmäßig, den Elektronenstrahl in vorherbestimmter Weise über die umzuwandelnde Materialstelle zu führen.
509 508/257
Das neue Bearbeitungsverfahren kann mit großem Vorteil sowohl zur Herstellung von Gleichrichtern als auch zur Herstellung von Transistoren Verwendung finden. Im letzteren Fall ist es beispielsweise bei der Beschreibung eines Halbleiter-Einkristallplättchens notwendig, zuerst eine Seite dem Elektronenstrahl auszusetzen und nach erfolgter Umwandlung eines genügend großen Materialbereiches die gegenüberliegende Seite des Halbleiterkristalls zu beschießen. Man erhält auf diese Weise einen npn-Transistor.
Um eine fortlaufende Bestrahlung möglichst vieler Halbleiterkristalle nacheinander erzielen zu können, ist es zweckmäßig, im Bearbeitungsraum des an sich bekannten Elektronenstrahlgerätes eine Transportvorrichtung vorzusehen, welche mehrere in einem Magazin angeordnete Halbleiterkristalle nacheinander zur Auftreffstelle des Strahles bewegt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher beschrieben.
In dieser Zeichnung ist mit 1 die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und mit 3 die geerdete Anode des Strahlerzeugungssystems bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hochspannung von beispielsweise 50 kV erzeugt und mittels eines mit einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 5 zugeführt. Dieses Gerät besteht aus einer Vorrichtung 6 zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung, einer Vorrichtung 7 zur Erzeugung von Steuerimpulsen und einer Vorrichtung 8 zur Erzeugung der regelbaren Steuerzylindervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungskabel dem Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt.
In Strahlrichtung gesehen unterhalb der Anode 3 ist ein Ablenksystem 9 angeordnet, welches zur Justierung des Elektronenstrahls 14 dient. Der Generator 10 dient zur Stromversorgung des Ablenksystems 9.
Unterhalb des Ablenksystems 9 ist eine Blende 11 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 12 und 13 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene bewegt werden kann. Nach erfolgter Justierung des intermittierenden Elektronenstrahles 14 fällt dieser durch ein geerdetes Rohr 15 und wird mittels der elektromagnetischen Linse 16 auf das Werkstück einen Halbleiterkristall 20 fokussiert.
Unterhalb der elektromagnetischen Linse 16 ist ein Ablenksystem 17 angeordnet, welches zur Bewegung des Elektronenstrahles dient. Mittels der Generatoren 18 und 19 werden die zur Versorgung der Linse 16 und des Ablenksystems 17 dienenden regelbaren Ableokströme erzeugt.
Zur Beobachtung des Bestrahlungsvorganges dient ein optisches System, welches die mikroskopische Auflichtbeleuchtung des Werkstückes 20 erlaubt. Dieses System besteht aus einem Beleuchtungssystem 21, welches paralleles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei metalEsche Prismen 22 und 23 auf eine in axialer Richtung verschiebbare Linse 25 reflektiert und von dieser auf das Werkstück 20 fokussiert. Unterhalb der Linse 25 ist eine auswechselbare Glasplatte 26 angeordnet, welche die Linse 25 vor etwaigen Verunreinigungen schützt. Die Linse 25 wird zusammen mit der Glasplatte 26 mittels des Knopfes 27 in axialer Richtung bewegt.
Das von der Oberfläche des Werkstückes 20 reflektierte bzw. ausgehende Licht wird durch die Linse 25 parallel gerichtet und über den Spiegel 28 in das als Stereomikroskop ausgebildete Beobachtungssystem 29 gelenkt. Im Bearbeitungszeitraum 30 ist ein mit seitlichen Führungen versehenes endloses Band 31 angeordnet, welches gemäß der von einem Kommandogerät 33 gelieferten Kommandos mittels des Elektromotors 32 in Bewegung versetzt wird.
Ein Magazin 34 enthält mehrere aus halbleitendem Material hergestellte Werkstücke 20. Seitlich neben
ίο dem Magazin 34 ist ein Rohr 35 angeordnet, welches eine untere öffnung 36 enthält.
Mittels des Elektromotors 32 wird über ein Getriebe 37 eine Exzenterscheibe 38 gedreht. Diese drückt in der entsprechenden Stellung den Bolzen 39 nach vorne. Dabei schiebt dieser Bolzen ein Werkstück 20 aus dem Magazin 34 in das Rohr 35. In diesem Rohr fällt das Werkstück 20 auf das Band 31 und wird von diesem Band aus der öffnung 36 zur Auftreffstelle des Elektronenstrahles 14 bewegt. Nach
ao erfolgtem Beschüß des Werkstückes 20 wird das Band 31 weiterbewegt, und das behandelte Werkstück 20 fällt in einen Auffangbehälter 40.
Das Kommandogerät 33 ist so ausgebildet, daß ein Werkstück 20 nach dem Ausstoßen aus dem Magazin
34 mittels des Bandes 31 zur Auftreffstelle des Elektronenstrahles 14 bewegt wird. Sodann wird das Band 31 so lange angehalten, wie es der vorher eingestellten Bestrahlungsdauer entspricht. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Elektromotor 32 wieder eingeschaltet, und das bearbeitete Werkstück 20 gelangt in den Sammelbehälter 40, während zugleich ein neues Werkstück zur Auftreffstelle des Elektronenstrahles bewegt wird.
Die behandelten Werkstücke 20 werden aus dem Bearbeitungsraum 30 entnommen. Sodann werden die Werkstücke beispielsweise mit Azeton gereinigt und sperrschichtfrei kontaktiert. Die so behandelten Werkstücke können sodann als Gleichrichter Verwendung finden.
Die Betriebswerte des Elektronenstrahlerzeugungssystems 1, 2, 3 sind so gewählt, daß im Durchschnitt mit einem Elektronenstrahl 14 gearbeitet wird, welcher eine Leistungsdichte von etwa 10 W/cm2 aufweist.
Bei dem Bestrahlen von Siliziumeinkristallen in Form von Klötzchen hat sich bei Beschüß mit Elektronen einer Energie von 50 KeV oder 75 KeV und einer Elektronenstrahldosis von 9 · 1016 Elektronen pro Quadratzentimeter ein Gleichrichtereffekt ergeben. Es ist also hier das ursprünglich n-leitfähige Silizium in einer Schicht, deren Dicke im wesentlichen der Eindringtiefe des Elektronenstrahles 14 entspricht, in p-leitfähiges Silizium umgewandelt worden. Bei dieser Umwandlung ist die Bearbeitungszeit so gewählt, (etwa 90 Sekunden), daß eine Erwärmung des Halbleitermaterials auf Temperaturen oberhalb derjenigen Temperatur vermieden wird, bei der im Material die vorher durch den Beschüß erzeugten Frenkel-Fehlsteüen durch thermische Prozesse gelöst werden. Wird die bestrahlte und in der bestrahlten Schicht schon in p-leitendes Material umgewandelte Probe nachträglich so bestrahlt, daß ihre Temperatur auf über 500° C ansteigt, so wird die Umwandlung von n- in p-Leitfähigkeit wieder rückgängig gemacht.
Wird in der in der Zeichnung dargestellten Einrichtung der Elektronenstrahl 14 mittels des Ablenksystems 17 über die Oberfläche des Werkstückes
bewegt, so können beispielsweise Umwandlungen der Leitfähigkeit entlang wählbarer Linien vorgenommen werden.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Umwandeln von n- in p-leitendes Halbleitermaterial für Halbleiterbauelemente durch Beschüß mit einem Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Spannung von 30 bis 200 kV beschleunigter Elektronenstrahl verwendet wird und daß zum Bilden von als Akzeptoren wirkenden Fehlstellen im Halbleiterkristall die umzuwandelnde Stelle des Halbleiterkristalls mit einer Elektronen-Strahldosis von 1016 bis 1022 Elektronen pro Quadratzentimeter so beschossen wird, daß die Temperatur nicht über 500° C ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl auf die umzuwandelnde Stelle des Halbleiterkristalls fokussiert und eine Leistungsdichte von etwa 10 W/cm2 verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschüß des Halbleiterkristalls im Vakuum vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahldosis während des Beschüsses verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl intermittierend gesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl über die umzuwandelnde Stelle des Halbleiterkristalls geführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das umgewandelte Halbleitermaterial für Halbleiterkörper von Gleichrichtern verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das umgewandelte Halbleitermaterial für Halbleiterkörper von Transistoren verwendet wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät zur Erzeugung eines Elektronenstrahls im Bearbeitungsraum mit einer Transportvorrichtung versehen ist, welche mehrere in einem Magazin angeordnete Halbleiterkörper nacheinander zur Auftreffstelle des Elektronenstrahls bewegt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 844 747;
USA.-Patentschrift Nr. 2 816 847;
VDI-Zeitschrift, Bd. 100, 1958 Nr. 3, S. 101 bis 112.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 508/257 2.65 © Bundesdruckerei Berlin
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