DE1197989B - Method for manufacturing a semiconductor device - Google Patents
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Description
Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung wie eines Gleichrichters, eines Transistors od. dgl. mit einem oder mehreren pn-Übergängen, insbesondere aus Silizium, bei dem ein Halbleiterkörper in einer Schutzgasatmosphäre zonengeschmolzen wird.Method of manufacturing a semiconductor device The invention relates to refer to a method for manufacturing a semiconductor device such as a rectifier, of a transistor or the like with one or more pn junctions, in particular from Silicon, in which a semiconductor body is zone-melted in a protective gas atmosphere will.
Dieses Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Halbleitermaterial mit hoher Minoritätsträgerlebensdauer, wie es für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Transistoren und Halbleiterdioden benötigt wird, geeignet. Zur Erreichung einer derartig hohen Minoritätsträgerlebensdauer ging man bisher so vor, daß man Kristalle mit möglichst ideal gebautem Kristallgitter herzustellen versuchte. Als besonders geeignet wurden hierfür Einkristalle betrachtet, da sie ein ideal gebautes Kristallgitter besitzen, so daß die Zahl der Gitterstörungen, die als Rekombinationszentren für die Ladungsträger wirken, bei ihnen sehr gering ist. Allerdings ist zu bemerken, daß die Verwendung derartiger Einkristalle nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt, wenn die Kristalle im Laufe der Bauelementeherstellung einer Wärmebehandlung unterworfen werden müssen, da hierbei die gute Kristallperfektion verlorengeht und auf diese Weise die hohe Lebensdauer der Minoritätsträger stark reduziert wird.This method is particularly useful for manufacturing semiconductor material with high minority carrier life, as is the case for the manufacture of semiconductor components, particularly required by transistors and semiconductor diodes, is suitable. To the Achievement of such a long minority carrier life has hitherto been used as follows: that one tried to produce crystals with a crystal lattice built as ideally as possible. Single crystals were considered to be particularly suitable for this, since they are an ideal have built crystal lattice, so that the number of lattice disturbances that act as recombination centers act for the charge carriers, is very low for them. However, it should be noted that the use of such single crystals does not lead to satisfactory results, when the crystals are subjected to a heat treatment in the course of component manufacture have to be, since the good crystal perfection is lost and on this Way the long lifespan of minority carriers is greatly reduced.
Eine bleibende Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsträger läßt sich erreichen, wenn man nach einem bereits an anderer Stelle vorgeschlagenen Verfahren vorgeht, bei dem der Halbleiterkörper in einer Schutzgasatmosphäre zonengeschmolzen wird, der geringe Mengen gasförmiger Fremdstoffe zugefügt werden. Als gasförmige Fremdstoffe werden dabei Sauerstoff oder Stickstoff verwendet, deren Partialdrücke durch eine Öffnung im Vakuumgefäß, die in der Größenordnung von 2 -10-4 Torr -1/sec bis 9,6 - 10-5 Torr - 1/sec liegt, aufrechterhalten werden. In den nach diesem Verfahren hergestellten Halbleiterkörpern ist die Lebensdauer der Minoritätsträger sehr groß und wird nicht durch Störungen der Kristallperfektion, die durch die nachfolgenden thermischen Behandlungen bei der Herstellung des Bauelementes auftreten, reduziert.A permanent increase in the lifespan of minority carriers Achieve yourself if you follow a procedure already suggested elsewhere takes place in which the semiconductor body is melted zone in a protective gas atmosphere to which small amounts of gaseous foreign matter are added. As gaseous Foreign substances are used, oxygen or nitrogen, their partial pressures through an opening in the vacuum vessel which is of the order of 2 -10-4 Torr -1 / sec up to 9.6-10-5 Torr-1 / sec., can be maintained. In following this procedure Manufactured semiconductor bodies, the life of the minority carriers is very long and is not affected by disturbances in crystal perfection caused by the following thermal treatments occur in the production of the component, reduced.
Vermutlich rührt diese die Lebensdauer erhöhende Wirkung der gasförmigen Fremdstoffe daher, daß diese Fremdstoffe die Rekombinationszentren, die z. B. durch die Gitterfehlstellen gebildet werden, blockieren. Auf diese Weise wird nicht nur die Lebensdauer der Minoritätsträger erhöht, vielmehr wird außerdem die Lebensdauer von den sich während der nachfolgenden Wärmebehandlung bildenden Gitterstörungen unabhängig gemacht. Besonders günstige Ergebnisse lassen sich beim Herstellen von Halbleiteranordnungen wie Gleichrichtern, Transistoren u. dgl. mit einem oder mehreren pn-Übergängen durch ein Vorgehen nach der Lehre der Erfindung erreichen. Dabei ist vorgesehen, daß ein Halbleiterkörper in einer Schutzgasatmosphäie zonengeschmolzen wird, daß der Schutzgasatmosphäre geringe Mengen Sauerstoff und Stickstoff als gasförmige Fremdstoffe zugemischt werden, deren Partialdrücke durch eine Öffnung im Vakuumgefäß, die in der Größenordnung von 2 - 10-4 Torr - 1 /sec bis 9,6 - 10-5 Torr - 1/sec liegt, aufrechterhalten werden, daß für die eine halbleitende Zone der zu fertigenden Halbleiteranordnung der unmittelbar durch Zerteilen dieses Halbleiterkörpers gewonnene Halbleiterkristall verwendet wird und in diesem durch Umdotieren, insbesondere durch Einlegieren von als Störstellen wirksamen Dotierungsstoffen, ein oder mehrere pn-Ubergänge hergestellt werden.Presumably this life-increasing effect is due to the gaseous Foreign substances, therefore, that these foreign substances are the recombination centers that z. B. by the lattice defects are formed, block. That way just won't the service life of the minority carriers is increased; rather, the service life is also increased of the lattice disturbances that form during the subsequent heat treatment made independent. Particularly favorable results can be achieved when producing Semiconductor arrangements such as rectifiers, transistors and the like with one or more Achieve pn junctions by a procedure according to the teaching of the invention. It is it is provided that a semiconductor body is zone-melted in a protective gas atmosphere is that the protective gas atmosphere small amounts of oxygen and nitrogen as gaseous Foreign substances are mixed in, the partial pressures of which through an opening in the vacuum vessel, those on the order of 2 - 10-4 Torr - 1 / sec to 9.6 - 10-5 Torr - 1 / sec is to be maintained that for a semiconducting zone of the to be manufactured Semiconductor arrangement obtained directly by dividing this semiconductor body Semiconductor crystal is used and in this by redoping, in particular by Alloying of dopants effective as impurities, one or more pn junctions getting produced.
Als gasförmiger Fremdstoff kann beispielsweise Luft eingebracht werden. Für den Einbau der gasförmigen Fremdstoffe eignen sich Partialdrücke von einigen Torr (z. B. von 2 bis 4 Torr). Bei einer besonders günstigen Ausführungsform wird bei Anwendung einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer Argonatmosphäre, ein Gesamtdruck in der Größenordnung des Atmosphärendruckes gewählt.For example, air can be introduced as a gaseous foreign substance. Partial pressures of a few are suitable for the incorporation of the gaseous foreign matter Torr (e.g. from 2 to 4 Torr). In a particularly favorable embodiment when using a protective gas atmosphere, in particular an argon atmosphere Total pressure selected in the order of magnitude of atmospheric pressure.
Nähere Einzelheiten der Erfindung sind der Beschreibung der Figur und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.Further details of the invention are the description of the figure and to be taken from the exemplary embodiments.
In der Figur ist ein Transistor dargestellt, bei dem der Halbleiterkörper 1 durch Zerschneiden eines nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Halbleiterstabes, der insbesondere aus Silizium besteht, gefertigt ist. Durch Erhitzen der mit der Emitterpille 3 und der Kollektorpille 4 versehenen, insbesondere n-leitenden Halbleiterscheibe 1 auf eine Temperatur, bei der das Elektrodenmaterial, z. B. Indium, mit dem Halbleiterkörper legiert wird, und nachfolgendes Abkühlen der Anordnung, wobei sich die z. B. p-leitenden Rekristallisationszqnen 5 und 6 ausbilden, erhält man einen pnp-Transistor, dessen Basiszone 1 mit der z. B. ringförmigen Basiselektrode pn-übergangsfrei kontaktiert ist.In the figure, a transistor is shown in which the semiconductor body 1 is produced by cutting up a semiconductor rod produced according to the proposed method, which consists in particular of silicon. By heating the provided with the emitter pill 3 and the collector pill 4 , in particular n-conductive semiconductor wafer 1 to a temperature at which the electrode material, e.g. B. indium, is alloyed with the semiconductor body, and subsequent cooling of the arrangement, the z. B. p-type recrystallization zones 5 and 6 , you get a pnp transistor whose base zone 1 with the z. B. ring-shaped base electrode is contacted pn-transition-free.
Zur Herstellung eines Halbleiterkörpers mit erhöhter Minoritätsträgerlebensdauer kann beispielsweise eine Zonenziehapparatur benutzt werden, wie sie zum Herstellen von hochreinen einkristallinen Halbleiterstäben bereits bekannt ist. Der insbesondere aus Silizium bestehende Halbleiterstab befindet sich in einem aus Quarz bestehenden Gefäß in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Argonatmosphäre, bei einem Druck, der annähernd Atmosphärendruck entspricht. Die Länge des Halbleiterstabes beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 20 cm und der Stabdurchmesser 1,5 cm. Der Stab wird z. B. zunächst durch direkten Stromdurchgang erhitzt und darauf induktiv eine Zone aufgeschmolzen und durch den Stab hindurchgeführt. Das Aufheizen des Stabes kann aber z. B. auch in der Weise geschehen, daß der Stab an seinen Enden mit einer Molybdänfeder in die Halterungen gepreßt ist und durch die Hochfrequenzspule dann zunächst die Molybdänfeder zum Glühen gebracht wird. Die dadurch erzeugte Wärme wird dann durch Wärmeleitung direkt auf den Halbleiterstab übertragen, wodurch dessen elektrische Leitfähigkeit und damit auch die Induktionswirkung der Hochfrequenzspule auf den Stab zunimmt. Die elektrische Leitfähigkeit des Stabes und damit die Induktionswirkung der Hochfrequenzspule nimmt immer mehr zu, bis das Aufschmelzen der Zone erreicht ist.For the production of a semiconductor body with an increased minority carrier life For example, a zone pulling apparatus can be used as used to manufacture of high-purity monocrystalline semiconductor rods is already known. The particular Semiconductor rod made of silicon is located in one made of quartz Vessel in a protective gas atmosphere, for example in an argon atmosphere a pressure which corresponds approximately to atmospheric pressure. The length of the semiconductor rod in this embodiment is 20 cm and the rod diameter is 1.5 cm. Of the Rod is z. B. first heated by direct passage of current and then inductively melted a zone and passed through the rod. The heating of the stick but can z. B. also done in such a way that the rod at its ends with a Molybdenum spring is pressed into the brackets and then through the high frequency coil first the molybdenum spring is made to glow. The heat it generates is then transferred directly to the semiconductor rod by heat conduction, whereby its electrical conductivity and thus also the induction effect of the high-frequency coil increases on the rod. The electrical conductivity of the rod and thus the induction effect the high frequency coil increases until the melting reaches the zone is.
Eine andern Möglichkeit des Aufheizens der noch kalten und damit schlecht leitenden Halbleiterzone ist dadurch gegeben,. daß durch einen auf die Zone auftreffenden Lichtstrahl und die dadurch erzeugten Ladungsträger die Leitfähigkeit dieser Zone und damit die Induktionswirkung der Hochfrequenzspule zunimmt.Another way of heating up the still cold and therefore bad ones conductive semiconductor zone is given. that by one hitting the zone The light beam and the charge carriers generated thereby affect the conductivity of this zone and thus the induction effect of the high frequency coil increases.
Besonders einfach und daher vorteilhaft ist es, Luft als Fremdstoff bei einem Partialdruck von etwa 2 Torr zuzuführen. Zum Erzielen des notwendigen Partialdruckes wird das Fremdgas durch eine Öffnung im Reaktionsgefäß, die für Luft etwa 2 - 10-4 Torr - l/sec bis 9,6 . 10-5 Torr - 1/sec beträgt, in das Vakuumgefäß der Ziehanlage eingeführt. Das Einführen des Fremdgases kann z. B. durch ein Nadelventil geschehen oder durch eine Haardüse, deren Durchmesser etwa 1 [. beträgt. Zur Grobregelung des Gaszutritts wird diese Haardüse gegen eine mit einem anderen Durchmesser vertauscht. Eine besonders gute Regulierung des Gaszutritts läßt sich in der Weise erreichen, daß das Volumen des Quarzgefäßes durch Aufsetzen eines Hohlraumes mit definiertem Volumen vergrößert wird.It is particularly simple and therefore advantageous to use air as a foreign substance at a partial pressure of about 2 torr. To achieve the necessary Partial pressure is the foreign gas through an opening in the reaction vessel, which is for air about 2 - 10-4 Torr - l / sec to 9.6. 10-5 Torr - 1 / sec into the vacuum vessel the drawing line introduced. The introduction of the foreign gas can, for. B. by a needle valve done or through a hair nozzle whose diameter is about 1 [. amounts to. For rough control the gas inlet, this hair nozzle is exchanged for one with a different diameter. A particularly good regulation of the gas admission can be achieved in the way that the volume of the quartz vessel by placing a cavity with defined Volume is enlarged.
An Stelle von Luft können auch andere Fremdgase, wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff, in das Reaktionsgefäß eingebracht werden. Reiner Sauerstoff hat dabei den Vorteil, daß sich keine störenden Stickstoffverbindungen bilden können.Instead of air, other foreign gases, such as Oxygen or nitrogen, can be introduced into the reaction vessel. Pure oxygen has the advantage that no troublesome nitrogen compounds can form.
Um zu verhindern, daß sich während der Durchführung des Verfahrens auf der Schmelzzone Siliziumdioxidschollen bilden, wird das Reaktionsgefäß, insbesondere an seinem oberen Ende, gekühlt. Durch den während des Schmelzvorganges eintretenden Luftsauerstoff bildet sich Siliziumdioxid, das zunächst wieder durch Siliziumüberschuß zu Siliziummonoxid reduziert wird. Dieses umgibt die Schmelzzone mit einem Gasmantel, und von einem bestimmten Partialdruck des Siliziummonoxids an tritt an der Schmelzzonenoberfläche die die Einkristallbildung störende Ausbildung von Siliziumdioxidschollen auf. Die störende Schollenbildung kann durch eine starke Kühlung der Gefäßwand, beispielsweise mittels einer Wasserkühlung, verhindert werden, da in diesem Fall das Siliziummonoxid an der Gefäßwand zur Kondensation gebracht wird.To avoid getting caught while performing the procedure Form silicon dioxide lumps on the melting zone, the reaction vessel, in particular at its upper end, chilled. By the occurring during the melting process Oxygen in the air forms silicon dioxide, which is initially replaced by excess silicon is reduced to silicon monoxide. This surrounds the melting zone with a gas jacket, and from a certain partial pressure of the silicon monoxide occurs on the melt zone surface the formation of silicon dioxide clods, which interferes with the formation of single crystals. the disruptive clot formation can be caused by strong cooling of the vessel wall, for example by means of water cooling, since in this case the silicon monoxide is brought to condensation on the vessel wall.
Zur Kühlung kann beispielsweise das ganze Quarzgefäß mit einem Wassermantel umgeben werden. Da jedoch das Siliziummonoxid im Reaktionsgefäß nach oben steigt, genügt es im allgemeinen, nur den oberen Teil der Apparatur zu kühlen. Auf diese Weise gelingt es, die Schollenbildung bis zu einem Luftpartialdruck, der kleiner oder gleich 4 Torr ist, zu vermeiden.For cooling, for example, the entire quartz vessel can be covered with a water jacket be surrounded. However, since the silicon monoxide rises in the reaction vessel, it is generally sufficient to cool only the upper part of the apparatus. To this Way it succeeds in the formation of clods up to an air partial pressure which is smaller or equal to 4 Torr.
Bei einer Zonenschmelzdauer von etwa 10 Stunden und sechs Zonenzügen in dieser Zeit - dies entspricht einer Ziehgeschwindigkeit von 12 cm/Stunde - läßt sich ein Siliziumstab mit einer Lebensdauer der Minoritätsträger von etwa 1200 wsec herstellen. Diese Lebensdauer ist unabhängig von der Dotierung und der Kristallperfektion. Vor allem aber ist dieser Wert bei einem derart hergestellten Stab auch bei weiteren Wärmebehandlungen, die zum endgültigen Bauelement führen, weitgehend stabil, so daß das auf diese Weise gewonnene Material mit besonderem Vorteil für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie Gleichrichter, Transisitoren u. dgl., verwendet wird.With a zone melting time of about 10 hours and six zone moves during this time - this corresponds to a drawing speed of 12 cm / hour - leaves a silicon rod with a service life of the minority carriers of around 1200 wsec produce. This lifetime is independent of the doping and the crystal perfection. Above all, however, this value is also the same for a rod produced in this way for others Heat treatments that lead to the final component, largely stable, so that the material obtained in this way with particular advantage for the production Used by semiconductor components such as rectifiers, transistors and the like will.
An Stelle des Siliziums können in gleicher Weise auch andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Germanium, hergestellt werden.Instead of silicon, other semiconductor materials, such as germanium.
Weiterhin ist es möglich, eine derartige Fremdgaszufuhr auch während des Aufwachsens von Halbleiterschichten aus der Gasphase zu bewerkstelligen und somit die Trägerlebensdauer in diesen Schichten zu vergrößern.Furthermore, it is possible to supply such a foreign gas during to accomplish the growth of semiconductor layers from the gas phase and thus increasing the carrier life in these layers.
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