DE1283398B - Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterkoerper aus Galliumarsenid - Google Patents

Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterkoerper aus Galliumarsenid

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DE1283398B DED55084A DED0055084A DE1283398B DE 1283398 B DE1283398 B DE 1283398B DE D55084 A DED55084 A DE D55084A DE D0055084 A DED0055084 A DE D0055084A DE 1283398 B DE1283398 B DE 1283398B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
Nummer: 1283 398
Aktenzeichen: P 12 83 398.6-33 (D 55084)
Anmeldetag: 11. Januar 1968
Auslegetag: 21. November 1968
CO ON CO
Aus der französischen Patentschrift 1 347 297 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterkörper aus Galliumarsenid bekannt. Die Zonen bzw. Übergänge werden durch Legieren unter Verwendung eines Legierungsmaterials hergestellt, welches Donatorverunreinigungen auf der VI. Gruppe des Periodischen Systems enthält. Der Halbleiterkörper aus Galliumarsenid ist mit einer Akzeptorverunreinigung aus der II. Gruppe des Periodischen Systems dotiert.
Aus der Zeitschrift »electronics« vom 8. Juli 1960, S. 66 und 68, ist ein Verfahren zum Herstellen von vielschichtigen Halbleiterbauelementen bekannt, deren Zonen schichtförmig aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien durch epitaktisches Aufbringen der Schichten, welche p- oder η-leitend sein können, hergestellt werden. Danach ist es beispielsweise möglich, auf Silizium Galliumarsenid oder Galliumphosphid oder eine dotierte Siliziumschicht epitaktisch aufzubringen.
Die Erfindung betrifft dagegen ein Diffusionsverfah- ao ren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterkörper aus Galliumarsenid. Ein derartiges Verfahren ist aus der »Zeitschrift für angewandte Physik«, Bd. 18, Heft 3 (1964), S. 129 bis 132, bekannt.
Die Eindiffusion in ungeschützte Galliumarsenidoberflächen kann Erosionen hervorrufen. Diese Erosion ist in epitaktischem Material auch unter solchen Bedingungen besonders störend, bei denen synthetischer Quarz mit seinem hohen Wassergehalt verwendet werden muß, um thermische Umwandlungen zu vermeiden. Bei der Diffusion von Elementen aus der VI. Gruppe des Periodischen Systems ergeben sich nach der obengenannten Literaturstelle aus »Zeitschrift für angewandte Physik« bekanntlich Schwierigkeiten durch die Bildung von Galliumsulfid, -selenid und -tellurid an der Oberfläche. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird beim bekannten Verfahren aus einer Schutzschicht von Siliziummonoxyd diffundiert, welche zur Diffusion von Dotierungen aus der VI. Gruppe des Periodischen Systems mit diesen Elementen dotiert wird. Dem Diffusionsverfahren der Erfindung liegt dagegen ein anderes Problem zugrunde.
Dieses andere Problem bei der Eindiffusion in Galliumarsenid besteht darin, daß Sauerstoff flache und langsam eindiffundierende Übergänge nachteilig beeinflußt, d. h. solche, bei denen die Oberflächenkonzentration ungefähr 1019/cm3 oder weniger beträgt, im Gegensatz zu schnellen Diffusionen in ungeschützte Oberflächen, wobei die Oberflächenkonzentrationen wesentlich höher sind. Sauerstoff freie Diffusionen werden für Transistoren, Kapazitätsdioden und Z-Dioden (Lawinendiode) benötigt.
Diffusionsverfahren zum Herstellen eines
Halbleiterbauelementes mit einem
Halbleiterkörper aus Galliumarsenid
Anmelder:
Deutsche ITT Industries GmbH, 7800 Freiburg
Als Erfinder benannt:
Georg Richard Anteil,
Saffron Waiden, Essex (Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 13. Januar 1967 (1852) -
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Oberflächenerosionen zu vermeiden und Eindiffusion von Sauerstoff in Galliumarsenidkörpern zu verhindern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aus Galliumarsenid eine mit einer in Galliumarsenid als Akzeptor- oder Donatorverunreinigung wirksamen Verunreinigung dotierte Siliziumschicht aufgebracht wird und daß die Verunreinigung durch Erhitzen des Körpers in arsenfreier Atmosphäre in die Oberfläche eindiffundiert wird.
Aus der Zeitschrift »IBM Technical Disclosure Bull.«, Bd. 3, Nr. 2 (Juli 1960), S. 45, ist zwar ein Diffusionsverfahren bekannt, bei dem eine dotierende Verunreinigung enthaltende Halbleiterschicht auf einen Halbleiterkörper aufgebracht wird und diese Verunreinigungen im Halbleiterkörper als Donatorverunreinigungen wirksam sind. Dieses bekannte Verfahren löst aber nicht das spezielle Problem bei der Eindiffusion von dotierenden Verunreinigungen in Galliumarsenid.
Ähnlich wird beim bekannten Verfahren nach der deutschen Auslegeschrift 1141 724 auf einem hochdotierten Halbleiterkörper als Unterlage eine halbleitende Schicht epitaktisch aufgebracht und anschließend ein Diffusionsprozeß durchgeführt. Es erfolgt aber eine Ausdiffusion in die aufgebrachte halbleitende Schicht aus dem Halbleiterkörper. Das spezielle Problem bei der Diffusion von Verunreinigungen in einen Halbleiterkörper aus Galliumarsenid wird nicht berührt.
809 638/1528
3 4
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wer- durch die Fenster hindurch eindiffundieren zu lassen, den nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten wobei p-leitende Zonen, wie z. B. die Zone 15
Figuren näher beschrieben. (Fig. 2c), gebildet werden. Das Silizium wirkt
F i g. 1 a bis Id zeigt aufeinanderfolgende Schritte wiederum als Sperre dagegen, daß der Sauerstoff den
bei der Herstellung einer Galliumarsenid-Mesadiode; 5 pn-Übergang erreicht.
F i g. 2 a bis 2d zeigt aufeinanderfolgende Schritte Die Silizium- und Siliziumdioxydschichten werden
bei der Herstellung einer Galliumarsenid-Planardiode; entfernt und eine neue Siliziumdioxydschicht 16
Fig. 3a bis 3f zeigt aufeinanderfolgende Schritte (Fig. 2d) auf die Scheibe aufgebracht. Es werden
bei der Herstellung eines Galliumarsenid-Transistors. voneinander getrennte Fenster in der Siliziumdioxyd-
Nach Fig. la wird eine Schicht 1 aus η-leitendem io schicht 16 angebracht, die die Oberflächenbezirke
Galliumarsenid epitaktisch auf einer Scheibe 2 von ohmscher Kontakte an den einzelnen p-leitenden
n+-leitendem Galliumarsenid aufgebracht. Die Schicht 1 Zonen 15 begrenzen.
ist in der Größenordnung von 1016/cm3 dotiert und Geeignete ohmsche Kontakte, wie z, B, bei 17 geungefähr 20 μηι dick. zeigt, werden an den p-leitenden Zonen und Kon-
Nach einem geeigneten Reinigungsprozeß wird eine 15 takte 18 an dem n+-leitenden Substrat 12 angebracht. Schicht 3 (F i g. 1 b) aus zink- oder magnesiumdotier- Einzelne Dioden werden von der Scheibe abgetrennt, tem Silizium von ungefähr 3000 Ä Dicke auf die Um eine sauerstofffreie Transistorstruktur herzu-Schichtl aufgebracht. Die dotierte Siliziumschicht 3 stellen, geht man wieder von einer epitaktischen wird durch Kathodenzerstäubung in einer inerten Schicht 31 (Fig. 3a) aus η-leitendem Gallium-Atmosphäre aufgebracht, wobei eine Siliziumelektrode, 20 arsenid aus, die sich auf einem Substrat 32 von auf der die benötigte Menge Zink oder Magnesium n+-leitendem Galliumarsenid befindet. Eine Siliziumaufgebracht ist, verwendet wird. Das Aufbringen do- dioxydschicht 33 (Fig. 3b) wird auf die ganze tierter Halbleiterschichten durch Kathodenzerstäubung Hauptoberfläche der η-leitenden Schicht 31 aufgeist aus der deutschen Patentschrift 966 906 bekannt. bracht und voneinander getrennte Fenster in der Eine andere Möglichkeit zur Aufbringung der dotier- 25 Siliziumdioxydschicht erzeugt, die den Oberflächenten Siliziumschicht besteht darin, daß eine Nieder- bezirk der Basis des Transistors begrenzen,
druckatmosphäre von Siliziumhydrid und Zink- oder Eine Schicht 34 aus zink- oder magnesiumdotiertem Magnesiumdampf, der von einem Verdampfer stammt, Silizium wird dann auf der Hauptoberfläche der einer elektrischen Hochfrequenzentladung ausgesetzt Scheibe aufgebracht und die Diffusion in einer arsenwird. 3° freien Atmosphäre ausgeführt, wie bereits beschrieben,
Die Scheibe wird dann in einer evakuierten und um das Zink oder Magnesium in die Oberfläche der
arsenfreien Kapsel aus synthetischem Quarz ver- Scheibe durch die Fenster hindurch einzudiffundieren,
schlossen und erhitzt, um das Zink oder Magnesium wobei p-leitende Basiszonen, wie z. B. bei 35 gezeigt,
in die Oberfläche der Scheibe eindiffundieren zu lassen, gebildet werden (Fig. 2 c). Das Silizium wirkt als
wobei eine p-leitende Schicht 4 gebildet wird (F i g. 1 c). 35 Sperre dagegen, daß der Sauerstoff den pn-Übergang
Silizium diffundiert nicht in einer arsenfreien Atmo- erreicht.
Sphäre. Bei 9000C hat die p-leitende Schicht 4 nach Die Silizium- und Siliziumdioxydschichten werden
etwa 5 Stunden eine Tiefe von 5 bis 6 μπα. Das Silizium entfernt und eine neue Siliziumdioxydschicht 36
wirkt als eine Sperre dagegen, daß der Sauerstoff den (Fig. 3d) auf der Scheibe aufgebracht. In der
pn-Übergang erreicht. 40 Siliziumdioxydschicht werden voneinander getrennte
Nach der Diffusion wird die dotierte Silizium- Fenster erzeugt, die den Oberflächenbezirk für den schicht 3 entfernt, beispielsweise durch konzentrierte Transistorenemitter begrenzen. Eine reine Silizium-Flußsäure. Geeignete ohmsche Kontakte werden an schicht 37 wird auf der ganzen Hauptoberfläche der beide Hauptoberflächen der diffundierten Scheibe an- Scheibe aufgebracht.
gebracht, und zwar einer an der p-leitenden Schicht 45 Das Silizium der Schicht 37 wird nun durch das
und einer an der n"-leitenden Scheibe. Emitterfenster bei einem Arsendruck von ungefähr
Einzelne Mesadioden werden aus der Scheibe unter V3 Atm. eindiffundiert, wodurch sich η-leitende Emitter-Verwendung geeigneter Mittel geschnitten. Eine solche zonen, wie z.B. bei 38 gezeigt (Fig. 3 e), bilden.
Diode ist in F i g. 1 d gezeigt, und zwar eine vervoll- Die Diffusion wird so ausgeführt, daß die Scheibe ständigte Mesadiode mit dem Kontakt 5 an der p-lei- 50 in einer evakuierten Quarzkapsel zusammen mit einer tenden Schicht 4 und dem Kontakt 6 an der n+-leiten- abgewogenen Menge von reduziertem Arsen (sauerden Scheibe 2. Die Dioden sind geeignet für Kapazi- stofffrei) verschlossen und erhitzt wird. Die Diffusion tätsdioden oder Durchbruchoszillatoren. findet nur dort statt, wo das Silizium mit der Gallium-
Um eine Planardiode herzustellen, geht man wieder arsenidoberfläche in Berührung ist. Die übrige
von einer epitaktischen Schicht 11 (Fig. 2 a) aus 55 Siliziumschicht diffundiert nicht auf Grund der mas-
n-leitendem Galliumarsenid aus, die auf einem Substrat kierenden Eigenschaft der Siliziumdioxydschicht.
12 aus n+-leitendem Galliumarsenid aufgebracht ist. Die das Galliumarsenid berührende Siliziumschicht
Eine Siliziumdioxydschicht 13 (F i g. 2 b) wird auf die rekristallisiert während der Emitterdiffusion und wird
ganze Hauptoberfläche der η-leitenden Schicht 11 auf- leitend. Da Arsen anwesend ist und Arsen eine
gebracht. In der Siliziumdioxydschicht werden von- 60 Donatorverunreinigung für Silizium darstellt, aber als
einander getrennte Fenster angebracht, die die Ober- Donator für Galliumarsenid nicht wirksam ist, ist das
flächenbezirke der benötigten p-leitenden Zonen be- rekristallisierte Silizium n^-leitend und daher als
grenzen. ohmscher Emitterkontakt geeignet.
Eine Schicht 14 aus zink- oder magnesiumdotiertem Anstatt einer reinen Siliziumschicht kann eine Silizium wird dann auf die Hauptoberfläche der Scheibe 65 Siliziumdonatorverunreinigung, wie z. B. Arsen, aufgebracht und die Diffusion in arsenfreier Atmo- Phosphor oder Antimon, zusammen mit der Siliziumsphäre ausgeführt, wie bereits beschrieben, um das schicht verwendet werden, wobei der Donator unter Zink oder Magnesium in die Oberfläche der Scheibe Arsendruck, wie oben beschrieben, eindiffundiert
wird. Diese Anwesenheit des Donators zusammen mit der Siliziumschicht erleichtert die Rekristallisation des Siliziums und das Dotieren zum Erreichen der ^-Leitfähigkeit.
Da der Transistor einen Emitter von nicht mehr als 25 μπι Durchmesser besitzen kann, ist es von Nutzen, einen solch kleinen Kontakt am Emitter während des Emitterdiffusionsschritts zu erhalten.
Schließlich wird entsprechend Fig. 3 f die Siliziumschicht außer über dem Emitter entfernt, wobei das verbleibende Silizium den Emitterkontakt 39 bildet. Ohmsche Kontakte 40 und 41 aus geeignetem Material werden an der Basiszone 35 sowie an der Kollektorzone 31 über das Substrat 32 und ein Metallkontakt 42 am Emitterkontakt 39 angebracht.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen können auch andere Akzeptorverunreinigungen für Galliumarsenid, wie z. B. Beryllium, Cadmium oder Mangan, verwendet werden, um die Siliziumschicht anstatt mit Zink oder mit Magnesium zu dotieren, ao Galliumarsenid-Halbleiterbauelemente, wie z.B. Dioden und Transistoren, können auch hergestellt werden, indem man von p-leitendem anstatt von n-leitendem Galliumarsenid ausgeht.
Obwohl Silizium selbst eine Donatorverunreinigung as für Galliumarsenid ist, kann in den Fällen, in denen eine andere Donatorverunreinigung für Galliumarsenid gewünscht wird, wie z. B. Zinn, die Donatorverunreinigung verwendet werden, um eine auf dem p-leitenden Galliumarsenid aufgebrachte Siliziumschicht zu dotieren. Die Diffusion wird dann in arsenfreier Atmosphäre ausgeführt. Unter diesen Bedingungen diffundiert, wie oben beschrieben, das Silizium nicht, jedoch wird die Verunreinigung in das Galliumarsenid eindiffundiert. Das Silizium wirkt als Sperre dagegen, daß der Sauerstoff den pn-Übergang erreicht.

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterkörper aus Galliumarsenid, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aus Galliumarsenid eine mit einer in Galliumarsenid als Akzeptor- oder Donatorverunreinigung wirksamen Verunreinigung dotierte Siliziumschicht aufgebracht wird und daß die Verunreinigung durch Erhitzen des Körpers in arsenfreier Atmosphäre in die Oberfläche eindiffundiert wird.
2. Diffusionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper eine Scheibe aus η-leitendem Galliumarsenid verwendet wird und die Siliziumschicht mit Zink oder Magnesium dotiert wird.
3. Diffusionsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Siliziumschicht durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
4. Diffusionsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliziumschicht von ungefähr 3000 Ä Dicke aufgebracht wird.
5. Diffusionsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kathodenzerstäubung eine Siliziumelektrode verwendet wird, auf der die benötigte Menge Zink oder Magnesium aufgebracht ist.
6. Diffusionsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper eine Scheibe aus halbleitendem Galliumarsenid mit einer epitaktisch aufgebrachten Galliumarsenidschicht verwendet wird.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Siliziumschicht nach der Diffusion entfernt wird.
8. Diffusionsverfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Siliziumschicht auf dem Halbleiterkörper eine durchbrochene Siliziumdioxydschicht aufgebracht wird, welche die Oberflächenbezirke der zu diffundierenden Zonen begrenzt.
9. Diffusionsverfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen einer Diode nach der Diffusion die Silizium- und die Siliziumdioxydschichten entfernt werden, daß auf der Oberfläche der diffundierten Zone eine mit einem Fenster versehene neue Siliziumdioxydschicht zum Begrenzen der Fläche eines ohmschen Kontaktes aufgebracht wird und daß an der p-leitenden Zone und an der η-leitenden Zone ohmsche Kontakte angebracht werden.
10. Diffusionsverfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen eines Transistors durch Eindiffusion einer p-leitenden Basiszone in eine η-leitende Kollektorzone zum Begrenzen der Fläche der Basiszone eine mit einem Fenster versehene und vorher aufgebrachte Siliziumdioxydschicht verwendet wird, daß Silizium- und Siliziumdioxydschichten entfernt werden, daß auf der Oberfläche von Basis- und Kollektor-Zone eine neue Siliziumdioxydschicht aufgebracht wird, die über der Basiszone ein Fenster zum Begrenzen der Fläche der Emitterzone besitzt, daß auf die neue Siliziumdioxydschicht und im Fenster eine Siliziumschicht erzeugt wird, daß der Körper unter Arsendampfdruck zur Eindiffusion des Siliziums in die vom Fenster begrenzte Oberfläche der Basiszone und zur Bildung der Emitterzone erhitzt wird, daß die Siliziumschicht mindestens von der Siliziumdioxydschicht entfernt wird und daß an Emitter-, Basis- und Kollektor-Zone ohmsche Kontakte angebracht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkontakt durch die Rekristallisationszone der an der Oberfläche der Emitterzone liegenden Siliziumschicht während der zur Eindiffusion des Siliziums erfolgenden Erhitzung hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine Siliziumdonatorverunreinigung enthaltende Siliziumschicht verwendet wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 966 906;
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1141724;
französische Patentschrift Nr. 1347 297;
»electronics«, 8. 7.1960, S. 66, 68;
»Zeitschrift für angewandte Physik«, Bd. 18, H. 3, 1964, S. 129 bis 132;
»IBM-Technical Disclosure Bull.«, Bd. 3, Nr. 2, Juli 1960, S. 45.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
S09 638/1528 11.68 ® Bundesdruckerei Berlin
DED55084A 1967-01-13 1968-01-11 Diffusionsverfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterkoerper aus Galliumarsenid Pending DE1283398B (de)

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