DE1225768B - Verfahren zum eindimensionalen Bestimmen von Diffusionsprofilen in Halbleiterkoerpern - Google Patents
Verfahren zum eindimensionalen Bestimmen von Diffusionsprofilen in HalbleiterkoerpernInfo
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Description
BUNDESREPTIBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1225 768
Aktenzeichen: J 21694 VIII c/21 g
Anmeldetag: 28. April 1962
Auslegetag: 29. September 1966
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum eindimensionalen Bestimmen von Diffusionsprofilen,
d. h. des Verlaufs der Verunreinigungskonzentration in Abhängigkeit von der Diffusionstiefe in Halbleiterkörpern,
insbesondere in Halbleiterkörpern aus Germanium und Silizium, bei denen durch Eindiffundieren
von geeignetem Verunreinigungsmaterial eine η-leitende Schicht erzeugt worden ist.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1133 475 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Gradienten einer inhomogenen
Dotierungskonzentration in stabförmigen Halbleiterkristallen von einheitlichem Leitungstyp,
die in axialer Richtung aus einer Schmelze gewachsen sind, bekanntgeworden. Dieses Verfahren besteht
im wesentlichen darin, daß der Halbleiterkristall mit einer Strahlungssonde abgetastet, die an den Enden
auftretende Photospannung gemessen und an den Enden die Widerstandsänderung zwischen bestrahltem
und unbestrahltem Zustand festgestellt wird.
Demgegenüber benutzt man zur Ermittlung der Konzentrationsverteilung von Fremdatomen, die in
einen Halbleiterkörper aus der Gasphase eindiffundiert wurden, im allgemeinen die Schichtentechnik.
Bei dieser werden, von der Festkörperoberfläche ausgehend, definierte Schichten abgetragen und entweder
diese oder die nach jedem Schritt neu gebildete Oberfläche analysiert. Ein solches Verfahren läßt
sich in vielen Fällen nur unter recht erheblichem Zeitaufwand durchführen.
Nach der Erfindung wird eine einfachere Methode zum eindimensionalen Bestimmen von Diffusionsprofilen in Halbleiterkörpern angegeben, indem von
der Fremddotierung abhängige Festkörpereigenschaften gleichzeitig mit der Abtragung gemessen
werden. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß durch Eintauchen des Halbleiterkörpers in ein
geeignetes Korrosionsmedium bzw. einen Elektrolyten das Korrosionspotential in Abhängigkeit von der
Korrosionszeit gemessen wird und daß auf Grund der bekannten logarithmischen Beziehungen jedem
Korrosionspotential eine bestimmte Verunreinigungskonzentration und wegen der gegebenen konstanten
Korrosionsgeschwindigkeit jeder Korrosionszeit eine Schichtdicke der Halbleiterschicht zugeordnet wird.
Bei der Erfindung wird von Untersuchungen des Korrosionsvorganges an Germanium ausgegangen,
die von Gerischer und Beck in der »Zeitschrift für physikalische Chemie«, NF 23, S. 113 (1960), von
Brattain, Garrett in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, 34, S. 129 (1955), und von
Turner in der Zeitschrift »Journal of the Electrochemical Society«, 103, S. 252 (1956), beschrieben
Verfahren zum eindimensionalen
Bestimmen von Diffusionsprofilen in
Halbleiterkörpern
Bestimmen von Diffusionsprofilen in
Halbleiterkörpern
Anmelder:
Deutsche ITT Industries
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19
Als Erfinder benannt:
Dr. Dieter Just, Freiburg (Breisgau)
sind. Diese Untersuchungen haben ergeben, daß die
ao Korrosionsgeschwindigkeit von p- und n-Germanium durch die Zufuhr des Oxydationsmittels im Korrosionsmedium
zur Phasengrenze bestimmt wird. Bei p-dotiertem Germanium stellt sich dabei das Korrosionspotential
unabhängig von der Dotierung mit Fremdatomen ein. Im Gegensatz hierzu ist das Korrosionspotential von η-Germanium dem Logarithmus
der Defektelektronenkonzentratipn proportional. Von diesen auch durch theoretische Ansätze
erhärteten Ergebnissen wird bei der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht, um das Diffusionsprofil,
insbesondere in η-leitendem Germanium, zu bestimmen.
Die weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung
näher erläutert.
F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach
der Erfindung;
F i g. 2 bis 4 zeigen einige mit dem Verfahren nach der Erfindung gemessenen Diffusionsprofile.
F i g. 2 bis 4 zeigen einige mit dem Verfahren nach der Erfindung gemessenen Diffusionsprofile.
In F i g. 1 stellt 1 die zu messende Germaniumplatte dar. Sie besteht aus p-dotiertem Germanium
la, in dessen Oberfläche z.B. Antimon eindiffundiert .und eine η-leitende SchichtIb erzeugt wurde. Die
Germaniumplatte wird an der p-leitenden Schicht kontaktiert und mit der Zuleitung 8 verbunden. Sie
wird ferner durch ein gegen das Korrosionsmedium beständiges Isoliermaterial abgedeckt. Es eignet sich
dafür z. B. Pizein. Dieses Abdeckmittel wird bis auf eine kleine Fläche von etwa 4X4 mm2, die einen
Teil der η-leitenden Schicht frei läßt, um den Halbleiterkörper
1 gebracht. In ähnlicher Weise wird ein
609 668/329
3 4
zweites Germaniumplättchen 2 kontaktiert, mit der und als Ordinate das kompensierte Korrosionspoten-Zuleitung
7 verbunden und abgedeckt. Das zweite tial Δ U^ in Millivolt aufgetragen. Unter der Abszisse
Germaniumplättchen besteht jedoch nur aus p-lei- ist jeweils der sich aus der Lage des pn-Uberganges
tendem Germanium. Die so vorbereiteten Germa- im Halbleiterkörper und der konstanten Korrosionsniumkörper
werden in ein Korrosionsmedium 3, das 5 geschwindigkeit ergebende Maßstab der Schichtdicke
sich in einem Trog 4 befindet, eingetaucht. Sie dienen in Mikron aufgetragen. Neben der Ordinate ist der
als Elektroden in einem Elektrolyten. Ferner werden durch die logarithmische Beziehung zwischen dem
die Zuleitungen 7 und 8 mit einem Meßinstrument 6, Korrosionspotential und der Verunreinigungskonzendas
das Korrosionspotential mißt, verbunden. Als tration angegebene Maßstab der Änderung der VerMeßinstrument
kann z.B. ein Kompensationsschrei- io unreinigungskonzentrationΔC (an"3) aufgetragen,
ber verwendet werden, der die Abnahme der Span- Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es, in nung in Abhängigkeit von der Ätzzeit kontinuierlich wenigen Minuten ohne großen apparativen Aufwand registriert. Als Korrosionsmedium eignet sich z. B. Diffusionsprofile 2x1 messen. Insbesondere eignet sich die auch von Gerischer benutzte Lösung aus das Verfahren zum schnellen Vergleich verschiedener 0,In-NaOH, In-NaNO3 und 0,02m-K3(Fe(CN)6). 15 Konzentrationsverteilungen der Dotierungssubstanz,
ber verwendet werden, der die Abnahme der Span- Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es, in nung in Abhängigkeit von der Ätzzeit kontinuierlich wenigen Minuten ohne großen apparativen Aufwand registriert. Als Korrosionsmedium eignet sich z. B. Diffusionsprofile 2x1 messen. Insbesondere eignet sich die auch von Gerischer benutzte Lösung aus das Verfahren zum schnellen Vergleich verschiedener 0,In-NaOH, In-NaNO3 und 0,02m-K3(Fe(CN)6). 15 Konzentrationsverteilungen der Dotierungssubstanz,
Zur Vermeidung störender Photoeffekte hat es die sich auf Grund veränderter Randbedingungen bei
sich als zweckmäßig erwiesen, in einem verschlösse- der Diffusion ergeben. Bereits die Kenntnis des Pro-
nen Gefäß zu messen, in dem die Elektroden vor filcharakters (Steilheit, Platteau in Oberflächennähe,
direkter Lichteinwirkung geschützt sind. Maximum im Kristallinneren) ist in vielen Fällen ein
Es ist zweckmäßig, das Korrosionsmedium wäh- 20 wichtiges Kriterium für Aussagen über die Eignung
rend des Meßvorganges mittels eines Rührers 5 mit diffundierter Halbleiterkristalle zur Herstellung begleicher
Rührgeschwindigkeit zu bewegen und darauf stimmter elektronischer Bauelemente,
zu achten, daß die Konzentration des Oxydations- Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, bemittels konstant bleibt. stimmte Eigenschaften von Halbleiterkörpern mit
zu achten, daß die Konzentration des Oxydations- Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, bemittels konstant bleibt. stimmte Eigenschaften von Halbleiterkörpern mit
Beim Eintauchen der beiden Elektroden in die 25 Hufe des Verfahrens nach der Erfindung gezielt zu
gleichmäßig gerührte Korrosionsflüssigkeit wird . beeinflussen. Bei der Herstellung von Transistoren
Halbleitermaterial durch einen Ätzvorgang abgetra- liegt häufig die Aufgabe vor, den Basisbahnwidergen.
Es ändert sich dadurch das Potential der diffun- stand zu beeinflussen, ohne die Oberflächenkonzendierten
Halbleiterplatte so lange, bis die η-leitende tration zu erhöhen oder die Diffusionstiefe zu ändern.
Schicht abgetragen ist. Durch Messung mittels des 30 Mit dem Verfahren nach der Erfindung war es z. B.
Kompensationsschreibers 6 kann man das Korro- möglich, durch geeignete Änderung in der Temperasionspotential
U^ in Abhängigkeit von der Korro- turführung während des Diffusionsprozesses das Difsionszeit
t% auftragen. fusionsprofil so zu ändern, daß der Basisbahnwider-
Zur quantitativen Auswertung der gemessenen stand von 100 Ohm auf 35 Ohm herabgesetzt wurde.
Änderung des Korrosionspotentials UK in Abhängig- 35 Dabei wurden mit dem Verfahren nach der Erfindung
keit von der Korrosionszeit tK ist es notwendig, einen die einzelnen Diffusionsprozesse kontrolliert. Es war
Zusammenhang zwischen dem Korrosionspotential dadurch möglich, bereits etwa V2 Stunde nach be-
UK und der Verunreinigungskonzentration C einer- endeter Diffusion die Kurve der Konzentrationsver-
seits sowie der Korrosionszeit tK und der abgetrage- teilung zu erhalten und die daraus gewonnenen Er-
nen Schichtdicke χ des Halbleiterkörpers anderer- 4° kenntnisse bei der nächsten Diffusion V2 Stunde spä-
seits herzustellen. ter zu verwenden. Die bisher üblichen Verfahren sind
Der Zusammenhang zwischen dem Korrosions- demgegenüber wesentlich zeitraubender, wenn sie
potential und der Veranreinigungskonzentration er- nicht überhaupt versagen. Zudem gestatten sie nur
gibt sich durch die von Gerischer und Beck an eine punktweise Messung des Konzentrationsprofils,
η-dotiertem Germanium gemessene logarithmische 45 wobei die Einzelwerte mit erheblichen Fehlern beAbhängigkeit.
Damit liegt der Ordinatenmaßstab haftet sind,
fest. ET liegt auch häufig die Aufgabe vor, bei mit dif-
fest. ET liegt auch häufig die Aufgabe vor, bei mit dif-
Da ebenfalls von Gerischer und Beck festge- fundierten Schichten versehenen Halbleiterkörpern
stellt worden ist, daß die Korrosionsgeschwindigkeit eine bestimmte Veranreinigungskonzentration an der
bei vorgegebener Konzentration des Oxydationsmit- 5° Oberfläche zu erhalten. Auch dazu läßt sich das nach
tels im Korrosionsmedium und gleicher Rührge- der Erfindung angegebene Verfahren zum Bestimmen
schwindigkeit während des Ätzvorganges konstant von Diffusionsprofilen verwenden. Man hat lediglich
ist, erhält man aus der Korrosionszeit tK die jeweilige an Hand der bekannten Beziehungen zwischen dem
Stelle in der Tiefe der η-leitenden Halbleiterschicht Korrosionspotential und der Verunreinigungskonzenzugeordnet,
wenn man den Abstand des pn-Über- 55 tration vorher den Wert des Korrosionspotentials
ganges von der Oberfläche des Halbleiterkörpers zu festzulegen, bei dem die gewünschte Verunreinigungs-Beginn
der Messung kennt. Methoden zur Bestim- konzentration erreicht ist. Wenn dieser Wert beim
mung der Lage von pn-Übergängen in Halbleiterkör- Ätzvorgang im Korrosionsmedium erreicht ist, wird
pern sind bekannt. Damit liegt der Abszissenmaßstab der Ätzvorgang abgebrochen. Man kann diesen Vorfest.
Es ist nunmehr möglich, an Hand der aufge- 60 gang vollkommen automatisch durchführen, indem
nommenen Kurve des Korrosionspotentials U^ in' der Halbleiterkörper durch eine geeignete Vorrich-Abhängigkeit
von der Korrosionszeit tK unmittelbar tung, die mit dem Meßinstrument gekoppelt ist, bei
die Verunreinigungskonzentration C bei einer be- Erreichen des vorgegebenen Korrosionspotentials
stimmten Schichtdicke χ festzustellen. aus dem Korrosionsmedium entfernt und gespült
In F i g. 2 bis 4 sind einige mit dem Verfahren 65 wird.
nach der Erfindung gemessene Korrosionspotentiale Die Erfindung wurde bisher zum besseren Ver-
und daraus bestimmte Diffusionsprofile dargestellt. ständnis an Hand eines speziellen Beispiels für einen
Als Abszisse ist die Korrosionszeit tK in Minuten η-leitenden Germanium-Halbleiterkörper beschrie-
ben. Im Prinzip gleichartig kann sie auch auf Halbleiterkörper aus Silizium angewendet werden. Untersuchungen
über die Abhängigkeit des Korrosionspotentials von der Dotierung des Siliziums wurden
von D. R. Turner in der Zeitschrift »Journal of the Electrochemical Society«, 107, S. 813 (1960), beschrieben.
Es besteht ebenfalls eine logarithmische Abhängigkeit. Als Korrosionsmedium kann z. B. eine
Lösung aus 6,6m-HNO3 und l,7m-HF verwendet
werden. Diese Lösung gestattet eine Messung der Konzentrationsverteilung des Verunreinigungsmaterials
sowohl in η-Silizium als auch in p-Silizium. Als Gegenelektrode kann man genügend hoch dotiertes
p-Silizium verwenden. Andererseits ist es nicht unbedingt erforderlich, als Gegenelektrode das gleiche
Element zu wählen. Es genügt eine Gegenelektrode, die von dem Korrosionsmedium nicht angegriffen
wird und somit ein konstantes Referenzpotential aufweist.
Grundsätzlich läßt sich das Verfahren nach der ao Erfindung auch zur Bestimmung des Verlaufs von
Verunreinigungskonzentrationen in anderen Halbleiterkörpern oder sonstigen Körpern mit von der
Verunreinigungskonzentration an der jeweiligen Oberfläche abhängigen Korrosionspotentialen anwenden.
Es muß zu diesem Zweck lediglich ein geeignetes Korrosionsmedium ermittelt werden und die Abhängigkeit
des Korrosionspotentials von der Verunreinigungskonzentration quantitativ bekannt sein.
Claims (14)
1. Verfahren zum eindimensionalen Bestimmen von Diffusionsprofilen, d. h. des Verlaufs der
Verunreinigungskonzentration (C) in Abhängigkeit von der Diffusionstiefe (x) in Halbleiterkörpern,
insbesondere in Halbleiterkörpern aus Germanium und Silizium, bei denen durch Eindiffundieren
von geeignetem Verunreinigungsmaterial eine η-leitende Schicht erzeugt worden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß durch Eintauchen des Halbleiterkörpers in ein geeignetes Korrosionsmedium bzw. einen Elektrolyten das
Korrosionspotential (£/#) in Abhängigkeit von der
Korrosionszeit (^) gemessen wird und daß auf
Grund der bekannten logarithmischen Beziehungen jedem Korrosionspotential (Ζ7Κ) eine bestimmte
Verunreinigungskonzentration (C) und wegen der gegebenen konstanten Korrosionsgeschwindigkeit
jeder Korrosionszeit (^) eine Schichtdicke (x) der Halbleiterschicht zugeordnet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Diffusion von den entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp erzeugendem Verunreinigungsmaterial in einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps ein pn-übergang erzeugt
und durch Bestimmen der Lage des pn-Überganges im Halbleiterkörper die Diffusionstiefe (x) des Verunreinigungsmaterials bestimmt
wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Diffusion von
η-Leitfähigkeit erzeugendem Verunreinigungsmaterial in einem p-leitenden Körper aus Ger-
manium (1) ein pn-übergang erzeugt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Diffusion
mit einem pn-übergang versehene Halbleiterkörper kontaktiert und so mit einem gegen das Korrosionsmedium
beständigen Material abgedeckt wird, daß nur ein Teil der diffundierten Schicht frei bleibt, daß der so vorbereitete Halbleiterkörper
in ein Korrosionsmedium eingetaucht wird, in dem sich eine zweite Elektrode befindet,
und daß beide Elektroden über ein Meßinstrument (6) zum kontinuierlichen Messen des Korrosionspotentials
elektrisch leitend verbunden sind.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der mit einem pn-Ubergang versehene Halbleiterkörper (1) an der p-Schicht (la) kontaktiert und
so mit einem gegen das Korrosionsmedium beständigen Material (9) abgedeckt wird, daß nur
ein Teil der diffundierten n-Schicht (1 b) frei bleibt und daß der so vorbereitete Halbleiterkörper
als eine Elektrode in ein Korrosionsmedium (3) eingetaucht wird, in dem sich als andere
Elektrode ein in gleicher Weise abgedeckter Halbleiterkörper (2) befindet, der nur aus p-leitendem
Germanium besteht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Korrosionspotential (U1^) mittels eines Kompensationsschreibers
(6) in Abhängigkeit von der Korrosionszeit (fy) aufgezeichnet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
als Korrosionsmedium für Germanium eine Lösung aus 0,In-NaOH, In-NaNO3 und 0,02 m-K3(Fe(CN)6)
verwendet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
für Silizium als Korrosionsmedium eine Lösung aus 6,6m-HNO3 und l,7m-HF verwendet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
jedem Wert des gemessenen Korrosionspotentials (C7K) auf Grund der bekannten logarithmischen
Abhängigkeit des Korrosionspotentials von der Konzentration des Verunreinigungsmaterials ein
bestimmter Wert der Verunreinigungskonzentration (C) zugeordnet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
jedem Wert der gemessenen Korrosionszeit (^)
wegen der bekannten konstanten Korrosionsgeschwindigkeit und des bekannten Abstandes
des pn-Uberganges von der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein bestimmter Wert der Schichtdicke
der diffundierten Schicht des zu messenden Halbleiterkörpers zugeordnet wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Messung das Korrosionsmedium gerührt und die Konzentration des Oxydationsmittels
im Korrosionsmedium konstant gehalten wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Korrosionspotential unter Lichtabschluß gemessen wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Diffusionsprozeß zur Herstellung einer
Halbleiteranordnung mit zwei oder mehreren Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps durch
Messung des Korrosionspotentials gesteuert wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ätzprozeß zur Herstellung einer HaIb-
leiteranordnung mit zwei oder mehreren Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps durch Messung
des Korrosionspotentials gesteuert wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1133 475.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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| US3024179A (en) * | 1959-03-12 | 1962-03-06 | Philco Corp | Semiconductor device fabrication |
| US3214354A (en) * | 1961-07-24 | 1965-10-26 | Union Carbide Corp | Measurement of catalyst activity |
-
1962
- 1962-04-28 DE DEJ21694A patent/DE1225768B/de active Pending
-
1963
- 1963-04-11 US US272433A patent/US3303109A/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1133475B (de) * | 1960-01-29 | 1962-07-19 | Siemens Ag | Verfahren zur Ermittlung des Gradienten einer inhomogenen Dotierungskonzentration in stabfoermigen Halbleiterkristallen von einheitlichem Leitungstyp |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US3303109A (en) | 1967-02-07 |
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