DE1289196B

DE1289196B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkoerpers fuer Halbleiterbauelemente durch Ausdiffusion von Dotierungsmaterial

Info

Publication number: DE1289196B
Application number: DEI22810A
Authority: DE
Inventors: Silvey Gene Avonne; Brock Geoffrey Edgar
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1961-12-13
Filing date: 1962-12-11
Publication date: 1969-02-13
Also published as: GB1014500A; NL286405A; US3162557A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Dioden und Transistoren, durch Ausdiffusion von Dotierungsmaterial aus der p- oder η-leitenden Randzone des Halbleiterkörpers im abgeschlossenen Reaktionsgefäß. Es werden also aktive Störstoffe aus dem anfangs gebildeten Halbleiterkörper selektiv wieder entfernt.

Das Ausdiffundieren von Störstoffen aus dem Halbleitermaterial, ζ. B. von Antimon aus Germanium, ist bereits bekannt, vergleiche z. B. R. C. Miller und F. M. Smits, »Physical Review«, Bd. 107 (1957), H. 1, S. 65 bis 70.

Für bestimmte Anwendungen des Halbleiterbauelements und insbesondere für den Fall, wo eine ganz bestimmte Art der Störstellenkonzentrafion in einem gewünschten Teil des Halbleiterkörpers verlangt wird, und zum Abstufen der pn-Übergänge innerhalb des genannten Halbleiterkörpers hat sich das Diffusionsverfahren sehr bewährt, vgl. »Handbook of Semiconductor Electronics«, herausgegeben 1956 von Lloyd P. Hunter im McGraw Hill Verlag, S. 7 bis 12 ff.

Bei der üblichen Eindiffusion umgibt ein Dampf von Dotierungsmaterial einen erhitzten Halbleiterkörper, derart, daß Störstoffatome an der Berührungsstelle mit dem Dampf in den Halbleiterkörper hineindiffundieren und in einer bestimmten Eindringtiefe, entsprechend den steuernden Parametern, einen pn-übergang erzeugen. Mit diesem Verfahren erreicht man innerhalb des Halbleiterkörpers einen exponentiell verlaufenden Gradienten der Störstellenkonzentration, welcher die. Tiefe der Eindringung der Störstoffätome in den Kristall bestimmt. . Das bekannte Eindiffusionsverfahreh hat aber den Nachteil, daß an den Stellen, wo der Dampf des Dotierungsmaterials den Halbleiterkörper umgibt, eine sehr hohe Konzentration von Störatomen existiert, so daß die sich ergebende Konzentration von Störstellen im Halbleiterkörper infolge der Diffusion in den Halbleiterkörper an der Oberfläche des Halbleiterkörpers extrem hoch ist. '

Diese extrem hohe Konzentration erschwert die Bildung eines zusätzlichen pn-Überganges an der Oberfläche,,ζ; B.- die Herstellung eines Emitter-überganges, für den Fall, daß die Durchbruchskennlinie des pn-Überganges ausreichend hoch sein soll.

Es ist nun schon seit längerem bekannt, daß man mit dem Ausdiffusionsverfahren die Schwierigkeit einer anfänglich hohen Konzentration an der Oberfläche des Halbleiterkörpers vermeiden könnte, und zwar deshalb, weil beim Ausdiffundieren die sehr hohe Konzentration von Störatomen eher im Innern des Halbleiterkörpers als in der umgebenden Oberfläche des Halbleiterkörpers erhalten bleibt. ^:

Wenn man deshalb das Ausdiffusionsverfahren in der bekannten Weise durchführt, ist die sich ergebende Störstoffkonzentration an der Oberfläche im Vergleich zur Eindiffusion niedrig, so daß das Verfahren der Ausdiffusion die Notwendigkeit späterer Reduktion der Konzentration an der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit besonderen Mitteln ausschaltet, um die gewünschten pn-Übergangscharakteristiken zu gewinnen.

Beim bekannten Ausdiffundieren stößt man jedoch hinsichtlich des Störstellengradienten auf eine Oberflächenenergieschranke, welche die Atome des Dotierungsmaterials nicht überwinden können. Zur näheren Erörterung dieses Problems sei auf die bereits erwähnte Veröffentlichung von R. C. Miller und F. M. Smits, »Physical Review«, Bd. 107 (1957), H. 1, S. 65 bis 70, »Diffusion of Antimony Out of Germanium and Some Properties of the Antimony-Germanium System« verwiesen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Ausdiffusionsverfahrens ist das bisher erforderliche hohe Vakuum in der Größenordnung von 10~° mm Hg. Außerdem sind beim

ίο bekannten Ausdiffusionsverfahren die Verfahrenszeiten sehr lang.

Die beim Bekannten bestehenden und sich ergebenden Schwierigkeiten zu beheben ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Für das eingangs genannte Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers für Halbleiterbauelemente besteht danach die Erfindung darin, daß die Ausdiffusion in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn das auszudiffundierende Dotierungsmaterial bei einem aus, Germanium oder Silicium bestehenden Halbleiterkörper der Gruppe V des Periodensystems der Elemente angehört.

Das vorliegende Verfahren ist zudem besonders wirksam, wenn das auszudiffundierende Dotierungsmaterial Antimon oder Arsen ist.

Das wesentlichste Merkmal der Erfindung Hst die ■ Verwendung des Wasserstoffes im Sinne einer, wirksamen Entfernung von Dotierungsmaterial, namentlich von Störstoffen der Gruppe V, aus einem'Halbleiterkörper. Der Wasserstoff dient dabei zur Herabsetzung der Oberflächenenergiesperre. Die ,einzige Beschränkung für das Entfernen des Dotierungsmaterials ist dann nur die normale Diffusionsgeschwindigkeit durch den Halbleiterkörper.

Die Erfindung sei nachstehend für eine beispielsweise Ausführungsform an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 2A und 2B zeigen einen Halbleiterkörper mit einem inneren pn-übergang, der durch das vorliegende Ausdiffusionsverfahren erzeugt worden ist;

45. Fig. 3 zeigt das Störstellenkönzentrationsprofil für den Halbleiterkörper nach Fig. 2B.

In F i g. 1 ist mit 1 das Reaktionsgefäß bezeichnet, das eine L-förmige Röhre aus Quarz od. dgl. enthält. In dem horizontal angeordneten Teil dieser Röhre 1 befindet sich links ein Plättchen 2 aus Germanium oder einem anderen Halbleitermaterial. Um das untere Ende des vertikalen Teiles des genannten Reaktionsgefäßes ist ein Kühlapparat für niedere Temperaturen angeordnet. Dieser Kühlapparat kann z. B.

eine Dewarflasche 3 enthalten, in welcher sich flüssiger Stickstoff befindet, um eine Tieftemperatur in der Größenordnung von 75° K für diesen Teil des Reaktionsgefäßes herzustellen.
Um den horizontalen Teil, wo sich das Germaniumplättchen 2 befindet, ist ein Ofen vorgesehen, der in diesem Bereich eine Temperatur von etwa 850° C aufrechterhält. Der Ofen enthält einen hitzebeständigen Abschnitt 4, der eine Wicklung 5 trägt. Die Wicklung 5 ist an eine nicht besonders dargestellte Energiequelle angeschlossen.

In dem Reaktionsbehälter 1 befindet sich eine Wasserstoffatmosphäre. Das Wasserstoffgas wird beim ersten Evakuieren des Behälters eingeführt.

Die Nachfüllung mit Wasserstoff bis zu dem verlangten Druck erfolgt durch ein Gasbetriebssystem in Verbindung mit der Vakuumausrüstung. Danach wird die Röhre 1 in an sich bekannter Weise abgeschlossen.

Beim Gebrauch der Vorrichtung nach F i g. 1 wird das Plättchen 2 oder mehrere Plättchen durch Energiezufuhr über die Heizwicklung 5 erhitzt. Obgleich die exakte Reaktion, welche infolge der Verwendung einer Wasserstoffatmosphäre stattfindet, to nicht genau bekannt ist, kann man annehmen, daß sie eine Umlaufreaktion in sich einschließt, d. h., daß der Wasserstoff mit den Atomen des Dotierungsmaterials reagiert, welche zur Oberfläche des HaIbleiterplättchens 2 diffundieren, wobei eine Verbindung, z. B. SbH₃ im Falle von Antimon als Dotierungsmaterial, zustande kommt. Infolge der tiefen Temperatur, welche am unteren Ende des vertikalen Behälterteiles herrscht, kondensiert das Dotierungsmaterial und bleibt am unteren Teil, wie in F i g. 1 angedeutet, zurück. Der Wasserstoff läuft um in die Zone, wo sich das Germaniumplättchen 2 befindet, und die Reaktion wiederholt sich von selbst.

Es hat sich ergeben, daß die Entfernung von Dotierungsmaterial aus der Gruppe V mit der oben beschriebenen Anordnung sehr leicht auszuführen ist. Um das vorliegende Verfahren zu prüfen, wurde eine experimentelle Versuchsreihe durchgeführt, bei der ein Plättchen mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ohm · cm aus mit Antimon dotiertem Germanium in einer Atmosphäre aus Wasserstoff bei 360 mm 72 Stunden lang bei 850° C behandelt wurde. Der spezifische Widerstand wurde bis zum Eigenleitwert geändert, was eine vollständige Entfernung des Antimons anzeigte. Hieraus kann man die Wirksamkeit des vorliegenden Verfahrens für die Erzeugung gewisser Arten von Halbleiteranordnungen und ihre breite Anwendbarkeit für die Entfernung von Dotierungsmaterial aus einem Halbleiterkörper ersehen.

Die Fig. 2A und 2B zeigen zwei Stufen bei der Bildung eines pn-Überganges durch das Verfahren nach der Erfindung.

In F i g. 2 A ist mit 6 ein Halbleiterkörper bezeichnet, der, als Ergebnis der Ausdiffusion, eine Zone 7 aufweist, worin das eine Dotierungsmaterial, welches nicht merkbar diffundiert, vorherrscht. Der Halbleiterkörper 6 enthält fernerhin eine Zone 8, in der das andere, diffundierende Dotierungsmaterial überwiegt. Durch geeignete Mittel, z. B. durch Ätzen oder Abschleifen, sind die Seiten und der untere Teil des Halbleiterkörpers nach Fig. 2A abgetragen worden, so daß der in Fig. 2B gezeigte Aufbau zustande kommt, der nur zwei Zonen aufweist, die den pn-übergang 9 bestimmen.

Das Störstellenverteilungsprofil (vgl. die Anzeige durch den Pfeil) ist für die endgültig hergestellte pn-Übergangsanordnung nach Fig. 2B in Fig. 3 dargestellt. In F i g. 3 stellen die ausgezogenen und mit η und ρ bezeichneten Linien die Konzentrationen der η-Leitung und der p-Leitung bewirkenden Störstellen dar, welche ursprünglich in dem Halbleiterkörper 6 vorhanden waren. Der Halbleiterkörper war danach anfänglich n-leitend.

Die gestrichelte Linie in F i g. 3 zeigt das Verteilungsprofil der Störstellen nach der Ausdiffusion. Danach ist eine abgestufte Konzentration für die Störstellen erzielt worden infolge der Ausdiffusion des entsprechenden Dotierungsmaterials, die zur Entstehung eines pn-Übergangs an der Stelle χ des Diagramms für das Verteilungsprofil führt. Diese Stelle χ entspricht dem pn-übergang 9 in Fig. 2B.

Nachstehend seien einige charakteristische Vorschriften für die Gewinnung eines pn-Übergangs geliefert.

Eine Anordnung vom Typ der F i g. 2 B läßt sich verwirklichen bei einer anfänglichen Errichtung einer η-Leitung bewirkenden Störstellenkonzentration von · 10¹⁹ Atomen pro cm³ und einer p-Leitung bewirkenden Störstellenkonzentration von 10¹⁹ Atomen pro cm³ im Halbleiterkörper 6. Für die n-Leitung kann vorteilhaft Antimon und für die p-Leitung Gallium vorgesehen sein.

Die an Hand der Fig. 1 erläuterte Ausdiffusion wird dabei über eine Zeitdauer von 48 Stunden bei einer Temperatur von 850° C durchgeführt. Mit den Werten der maßgebenden und, wie oben angegeben, ausgewählten Parameter wird eine p-leitende Zone in der Größenordnung von einigen Hundertstel Millimetern erhalten. Es kann jedoch eingesehen werden, daß abweichende Dicken durch passende Berichtigung der Konzentrationen des Dotierungsmaterials, der Zeitdauer und der Temperatur zu verwirklichen sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Dioden und Transistoren, durch Ausdiffusion von Dotierungsmaterial aus der p- oder n-leitenden Randzone des Halbleiterkörpers im abgeschlossenen Reaktionsgefäß, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdiffusion in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auszudiffundierende Dotierungsmaterial bei einem aus Germanium oder Silicium bestehenden Halbleiterkörper (2) der Gruppe V des Periodensystems der Elemente angehört.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auszudiffundierende Dotierungsmaterial Antimon oder Arsen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Ausdiffusion verwendete und mit Wasserstoff gefüllte Reaktionsgefäß (1) L-förmig ist und daß in dem horizontalen Teil der zu behandelnde Halbleiterkörper (2) teilweise in einem Ofen (4, 5) angeordnet ist und daß der nach unten gehaltene vertikale Teil des Gefäßes (1) in eine Tieftemperaturkühlzone eintaucht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tieftemperaturkühlzone durch Verwendung von flüssigem Stickstoff erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Ofen etwa 850° C beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff in das vorher evakuierte Reaktionsgefäß (1) eingefüllt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus mit Antimon dotiertem Ger-

manium besteht, dessen spezifischer Widerstand etwa 0,1 Ohm · cm beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eingefüllte Wasserstoff im Reaktionsgefäß unter einem Druck von etwa 360 mm steht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdiffusionsvorgang bis zu 72 Stunden bei einer Temperatur von etwa 850° C dauert.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ausdiffundierte Zone (7) an bestimmten Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers (2) durch Ätzen oder durch Schleifen abgetragen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß pn-Übergänge in einem sowohl Akzeptoren als auch Donatoren enthaltenden Halbleiterkörper erzeugt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen