DE1261831B

DE1261831B - Process for the diffusion of zinc into a semiconductor body

Info

Publication number: DE1261831B
Application number: DE1964S0088994
Authority: DE
Inventors: Werner Keck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-01-09
Filing date: 1964-01-09
Publication date: 1968-02-29

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

BOIjBOIj

Deutsche KI.: 12 g-17/34 German KI .: 12 g -17/34

Nummer: 1261831Number: 1261831

Aktenzeichen: S 88994IV c/12 gFile number: S 88994IV c / 12 g

Anmeldetag: 9. Januar 1964Filing date: January 9, 1964

Auslegetag: 29. Februar 1968Open date: February 29, 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Eindiffundieren von Zink in einen Halbleiterkörper und hat besondere Bedeutung zur Herstellung von pn-Übergängen, insbesondere in einem aus einer AⁿⁱB^v-Verbindung, z. B. aus Galliumarsenid, Indiumphosphid, Indiumantimonid oder Indiumarsenid, bestehenden Halbleiterkörper vom n-Leitungstyp. η-Leitung kann in Halbleitermaterialen wie Silicium oder Germanium durch Stoffe der V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente hervorgerufen werden, z. B. durch Phosphor, Arsen oder Antimon, und in Halbleitermaterialien vom A^IirB^v-Typ bekanntlich durch Elemente der VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, z. B. durch Schwefel, Selen, Tellur. Diese Elemente besetzen Plätze im AⁿⁱB^v-Gitter, die normalerweise von den B^v-Atomen eingenommen werden. Sie bringen für die Gitterbindungen ein Elektron zuviel mit und wirken dadurch als Donatoren. Auch Elemente der IV.-Gruppe des Periodischen Systems der Elemente werden als Störstellen in das A¹¹¹B ^V-Gitter eingebaut, und zwar je nach der lonengröße auf einen A¹¹¹- oder auf einen B^v-Platz und wirken dementsprechend als Donatoren oder als Akzeptoren. Zink, als Störstelle in das Germanium- oder Siliciumgitter eingebaut oder in das Gitter von A^mB^v-Verbindungen, bewirkt p-Leitung.The invention relates to a method for diffusing zinc into a semiconductor body and is of particular importance for the production of pn junctions, in particular in one of an A ⁿⁱ B ^v connection, e.g. B. of gallium arsenide, indium phosphide, indium antimonide or indium arsenide, existing semiconductor body of the n-conductivity type. In semiconductor materials such as silicon or germanium, η conduction can be caused by substances from Group V of the Periodic Table of the Elements, e.g. B. by phosphorus, arsenic or antimony, and in semiconductor materials of the A ^Iir B ^v type, as is known, by elements of the VI. Group of the Periodic Table of the Elements, e.g. B. by sulfur, selenium, tellurium. These elements occupy positions in the A ⁿⁱ B ^v lattice that are normally occupied by the B ^v atoms. They bring one electron too many with them for the lattice bonds and thus act as donors. Elements of group IV of the Periodic Table of the Elements are also incorporated into the A ¹¹¹ B ^V lattice as impurities, depending on the ion size in an A ¹¹¹ or in a B ^v site and accordingly act as donors or as Acceptors. Zinc, built into the germanium or silicon lattice as an impurity or into the lattice of A ^m B ^v compounds, causes p-conduction.

Halbleiterstoffe der genannten Art werden in der Dioden- und Transistorfertigung verwendet — besonders vorteilhaft ist Galliumarsenid z. B. für Schaltdioden — und finden außerdem, hauptsächlich A^raB^v-Verbindungen, wie Galliumarsenid, Indiumarsenid und Indiumphosphid, in der Lasertechnik Anwendung.Semiconductor materials of the type mentioned are used in the manufacture of diodes and transistors - gallium arsenide is particularly advantageous. B. for switching diodes - and are also used, mainly A ^ra B ^v compounds, such as gallium arsenide, indium arsenide and indium phosphide, in laser technology.

Zum Eindiffundieren von Zink in einen Halbleiterkörper, beispielsweise zur Herstellung eines pn-Übergangs in Halbleiterkristallen vom n-Leitungstyp oder zum Herstellen einer stärker p-dotierten Zone, einer sogenannten p⁺-Zone, in einem Halbleiterkristall vom p-Typ, bediente man sich bisher unter anderem eines Verfahrens, bei dem elementares, als Bodenkörper im Gefäß vorhandenes Zink verdampft und zum Eindiffundieren in den Halbleiterkörper gebracht wird. Dieses Verfahren hat jedoch vor allem den Nachteil, daß es mit großem Aufwand verbunden ist und daß die Eindringtiefe des Zinks wegen des schon bei relativ niedrigen Temperaturen hohen Dampfdruckes — bei 492° C beträgt der Dampfdruck bereits 1 Torr — sowie wegen der großen Änderung des Dampfdrucks bei geringen Temperaturschwankungen nur sehr schlecht reproduzierbar eingestellt werden kann. Die für die gewünschte Eindringtiefe und Zink-Verfahren zum Eindiffundieren von Zink in einen HalbleiterkörperTo diffuse zinc into a semiconductor body, for example to produce a pn junction in semiconductor crystals of the n-conductivity type or to produce a more heavily p-doped zone, a so-called p ⁺ zone, in a semiconductor crystal of the p-type, they have hitherto been used Among other things, a process in which elemental zinc, which is present as a soil body in the vessel, is evaporated and made to diffuse into the semiconductor body. However, this process has the main disadvantage that it is very costly and that the penetration depth of the zinc because of the high vapor pressure even at relatively low temperatures - at 492 ° C. the vapor pressure is already 1 Torr - and because of the large change in vapor pressure can only be adjusted in a reproducible manner with low temperature fluctuations. The process for the desired penetration depth and zinc process for the diffusion of zinc into a semiconductor body

Anmelder:Applicant:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich, 8000 Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Werner Keck, 8000 MünchenNamed as inventor:
Werner Keck, 8000 Munich

konzentration im Halbleiterkörper notwendige Zinkmenge muß genau berechnet und abgewogen werden. Beim Diffussionsvorgang selbst ist eine äußerst genaue Kontrolle der Arbeitstemperatur nötig, um den Zinkdampfdruck über der Halbleiteroberfläche konstant zu halten, was jedoch nicht ohne weiteres erreicht werden kann, so daß meist keine ebenen Diffusionsfronten im Halbleiterkörper hergestellt werden können. Zu all diesen Komplikationen kommt noch hinzu, daß bei manchen Halbleitermaterialien, z. B. bei Arseniden und Phosphiden, noch zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen, die eine oberflächliche Zersetzung des Halbleitermaterials durch Abdampfen von Arsen oder Phosphor verhindern.concentration in the semiconductor body required amount of zinc must be precisely calculated and weighed. The diffusion process itself is extremely precise Control of the working temperature is necessary to keep the zinc vapor pressure constant over the semiconductor surface to hold, which, however, cannot be easily achieved, so that mostly no flat diffusion fronts can be produced in the semiconductor body. Add to all these complications added that in some semiconductor materials, e.g. B. with arsenides and phosphides, even additional Measures must be taken that cause a superficial decomposition of the semiconductor material Prevent evaporation of arsenic or phosphorus.

Diese Nachteile können bei einem Verfahren zum Eindiffundieren von Zink aus der Dampfphase in einen Halbleiterkörper vermieden werden, wenn erfindungsgemäß Zinkarsenid, welches thermisch zersetzt wird, als Zinkquelle verwendet wird. Insbesondere ist Trizinkdiarsenid (Zn₃As₂) als Zinkquelle geeignet. Vorzugsweise soll bei einer Temperatur zwischen 500 und 850⁰C zersetzt werden, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 650 und 800⁰C.These disadvantages can be avoided in a method for diffusing zinc from the vapor phase into a semiconductor body if, according to the invention, zinc arsenide, which is thermally decomposed, is used as the zinc source. Trizinc diarsenide (Zn ₃ As ₂ ) is particularly suitable as a source of zinc. Decomposition should preferably take place at a temperature between 500 and 850 ^° C., in particular at a temperature between 650 and 800 ^° C.

Das in der Erfindung vorgesehene Verfahren zeichnet sich vor allem durch seine einfache Durchführbarkeit sowie durch seine gute Reproduzierbarkeit aus. Außerdem wird durch die Zersetzung des Zinkarsenids im Reaktionsraum zusätzlich ein geringer Arsendampfdruck eingestellt, so daß ohne weitere Vorkehrungen eine oberflächliche Zersetzung des Halbleitermaterials vermieden wird. Dadurch werden auch die Oberflächen vorher polierter Halbleiterkristalle in ihrer Güte erhalten. Daher ist es beim Verfahren gemäß der Erfindung möglich, die Arbeitstemperatur, z. B. um 100 bis 200° C, höher einzustellen als bei Verwendung von elementarem Zink als Diffusionsmaterial, ohne daß eine oberflächliche Zersetzung des Halbleitermaterials befürchtet werdenThe method provided in the invention is characterized above all by its ease of implementation as well as by its good reproducibility. In addition, the decomposition of the Zinc arsenide in the reaction chamber also set a low arsenic vapor pressure, so that without further Precautions a superficial decomposition of the semiconductor material is avoided. This will be the surfaces of previously polished semiconductor crystals are also preserved in their quality. Hence it is with Process according to the invention possible, the working temperature, e.g. B. to 100 to 200 ° C, set higher than when using elemental zinc as a diffusion material, without any superficial decomposition of the semiconductor material are feared

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muß. Darüber hinaus wird der Dampfdruck des Zinks durch geringe Temperatur Schwankungen praktisch nicht verändert.got to. In addition, small temperature fluctuations make the zinc vapor pressure practical not changed.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Eindringtiefe des Zinks von der Zinkarsenidmenge unabhängig ist, so daß keine Rechenoperationen vor der Durchführung des Verfahrens notwendig sind, um die für die erwünschte Diffusionstiefe und erwünschte Konzentration des zu diffundierenden Stoffes im Halbleiterkörper in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur notwendige Menge des Diffusionsmittels zu bestimmen. Die Diffusionstiefe und die Konzentration des zu diffundierenden Stoffes im Halbleiterkörper werden lediglich durch die Temperatur und die Dauer des Diffusionsvorganges eingestellt. Diese Parameter sind jeweils für die gewünschte Diffusionszone in Abhängigkeit vom Halbleitermaterial unterschiedlich zu wählen.Another advantage of the method according to the invention is that the depth of penetration of the Zinc is independent of the amount of zinc arsenide, so that no arithmetic operations are carried out before it is carried out of the process are necessary to achieve the desired depth of diffusion and the desired concentration of the substance to be diffused in the semiconductor body as a function of time and temperature Determine the amount of diffusion agent. The depth of diffusion and the concentration of that to be diffused Substance in the semiconductor body are only determined by the temperature and the duration of the Diffusion process set. These parameters are each dependent on the desired diffusion zone to choose different from the semiconductor material.

An Hand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur wird im folgenden die Erfindung näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and a figure.

Ein oder mehrere Halbleiterkörper 1 aus Galliumarsenid vom n-Leitungstyp werden in ein Quarzröhrchen 4 gebracht, dann wird eine kleine Menge Zinkarsenid 3, z. B. in Pulverform, in einem Schiffchen 2, z. B. aus Quarz, in das Quarzrohr gegeben und das Rohr 4 nach Evakuieren oder Füllen mit inertem Schutzgas an beiden Enden zugeschmolzen. Die Ampulle wird in einen Rohrofen 5 eingebracht, der vorher auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt wird. Es hat sich als wichtig herausgestellt, daß die ganze Ampulle in den Ofen eingeschoben wird, so daß sie nach dem Aufheizen keine kalten Stellen aufweist, an denen das verdampfte Zinkarsenid wieder kondensieren würde. Die Temperatur wird zweckmäßigerweise auf einem konstanten Wert zwischen etwa 500 und 85O⁰C gehalten. Ab etwa 500° C verdampft Zinkarsenid und wird zu einem kleinen Anteil thermisch in Zink und Arsen zersetzt. Zink diffundiert in den Halbleiterkörper und verschwindet aus dem Gleichgewicht Zinkarsenid =?= Zink + Arsen; dadurch wird nach dem Massenwirkungsgesetz weiteres Zinkarsenid zersetzt, wobei das hierdurch gebildete Zink wieder in den Halbleiterkörper eindiffundiert und dadurch weitere Zersetzung von dampfförmigem Zinkarsenid hervorruft. Bei Konstanthaltung der Temperatur ist die Konzentration des zu diffundierenden Stoffes über dem Halbleiterkörper und infolgedessen auch die Konzentration des diffundierten Stoffes im Halbleiterkörper sowie die Eindringtiefe lediglich von der Dauer der Diffusion abhängig. Die Temperatur, die nötig ist, um eine bestimmte erwünschte Diffusionstiefe und eine bestimmte erwünschte Konzentration des diffundierten Stoffes im Halbleiterkörper bei einer bestimmten Diffusionsdauer zu erzielen, läßt sich in einem Vorversuch experimentell bestimmen. Nachdem die erwünschte Diffusionstiefe erreicht ist, wird die Ampulle aus dem Ofen genommen. Die Halbleiterkörper weisen in der Mantelzone einen ebenen pn-übergang auf. Die Diffusionszone kann an den Flächen, an denen kein pn-übergang erwünscht ist, durch chemische und/oder mechanische Mittel entfernt werden. Ebenso kann natürlich an diesen Flächen, beispielsweise durch Maskierung, eine Diffusion von vornherein verhindert werden.One or more semiconductor bodies 1 made of gallium arsenide of the n-conductivity type are placed in a quartz tube 4, then a small amount of zinc arsenide 3, e.g. B. in powder form, in a boat 2, z. B. made of quartz, placed in the quartz tube and the tube 4 melted shut at both ends after evacuating or filling with inert protective gas. The ampoule is placed in a tubular furnace 5, which is previously heated to the desired temperature. It has been found to be important that the entire ampoule is pushed into the oven so that after heating it does not have any cold spots on which the evaporated zinc arsenide would condense again. The temperature is suitably maintained at a constant value between about 500 and 85O ⁰ C. From around 500 ° C, zinc arsenide evaporates and a small proportion is thermally decomposed into zinc and arsenic. Zinc diffuses into the semiconductor body and disappears from the equilibrium Zinc arsenide =? = Zinc + arsenic; as a result, further zinc arsenide is decomposed according to the law of mass action, the zinc formed as a result diffusing again into the semiconductor body and thereby causing further decomposition of vaporous zinc arsenide. If the temperature is kept constant, the concentration of the substance to be diffused above the semiconductor body and consequently also the concentration of the diffused substance in the semiconductor body and the depth of penetration depend only on the duration of the diffusion. The temperature which is necessary in order to achieve a certain desired diffusion depth and a certain desired concentration of the diffused substance in the semiconductor body for a certain diffusion time can be determined experimentally in a preliminary test. After the desired depth of diffusion has been reached, the ampoule is removed from the oven. The semiconductor bodies have a flat pn junction in the cladding zone. The diffusion zone can be removed by chemical and / or mechanical means on the areas where no pn junction is desired. Diffusion can of course also be prevented from the outset on these surfaces, for example by masking.

Claims

Patent claims:

1. Process for diffusing zinc from the vapor phase into a semiconductor body, characterized in that zinc arsenide, which is thermally decomposed, is used as the zinc source is used.

2. The method according to claim 1, characterized in that trizinc diarsenide Zn ₃ A ₂ is used.

3. Process according to claims 1 and 2, characterized in that at one temperature between 500 and 850 ° C is decomposed.

Considered publications:
Belgian Patent No. 630 797;
U.S. Patent No. 2,898,227.

1 sheet of drawings