DE1544284A1

DE1544284A1 - Verfahren zum Herstellen von Diffusionsschichten und Diffusionsfronten,insbesondere von pn-UEbergaengen

Info

Publication number: DE1544284A1
Application number: DE19661544284
Authority: DE
Inventors: Moegele Dr Rer Nat Ludwig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-03-23
Filing date: 1966-03-23
Publication date: 1970-03-05
Also published as: NL6700725A; CH487261A; BE692358A

Description

Verfahren zum Herstellen von Diffusionsschichten und Diffusionsfronten, insbesondere von pn-Übergnngen DiffusionsvoTgänge sind für,die Technik der Herstellung und Verarbeitung von Metallen und Legierungen von außerordentlicher Bedeutung und es sind zu ihrer Durchführung auch bereits eine Anzahl von Verfahren bekannt geworden. Darüber hinaus finden aber Diffusionavorgänge heute auch eine ausgedehnte Anwendung in der Halbleitertec,hnik", insbesondere zur Herstellung von pn-Übergäpgen-. In vielen.Fällen wird dabei so vorgegangen, daß man das einzudiffündierende Element" beispielsweise Aluminium, Zink oder Cadmium, zunächst in dünner Schicht auf das Substrat aufbr.in,z-... und. anschließend bei erhöhter Tempe-ratur ir, das Material, eindiffundieren läßt.
Nach einem verbesserten.Verfahren, dem,sogenannten Zwei-Temperat.ur# %ierfahren, das besonders bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen Anwendung findet, wird d-as.Aufbringen der Substanz und deren Diffusion in einem einzigen Arbeitsgang vorgenommen. Der einzudiffundierende Stoff wird dabei-ari,dem einen Ende einer evakuierten und abgeschmolzenen Quarzampulle auf die Temperatur T 1 und das Halbleitermaterial an dem anderen Ende der AmpÜlle auf die Temperatur T erhitzt" w.obei T- im allgemeinen..kleiner 2 1, als T2 i.8,t..Die Dosierung der einzud,iffundierenden Substanzist jedoch bei diesem Verfahren schw.i.erig, da.sie im hohen.Maße von den äußer,.en.Versuchabedingt#ngen abhängig ist...wie Temperatur-Charakteristik. des Ofpne, Ampullenvolumen, Vakuum, und.anderen. Eine exakte Festlegung.där gewünschten Eindringtiefe erforde,rt,", in jedem Fa.11 langwierige experimentelle-Vorun'tersuchungen, insbesond#ere-dann,-wenn s.ehr geringe Eindringtiefen-an e-strebt--.wer-.-9 den.
Au--f die. eben ge-s,childerten",.Zch.wierig"keitlen des- Zwei-Temperatur-- 'verfahrene weisen unter anderem F.A. CUINNEL und C.H. GOOCH in i .'1> yi3. Chem. S o liden 9 Pergam= Preas 1960" Vol. 15, Seite 130 sowie R.W. FANE und A.J. GOSS in "Solid-State Electronican Pergamon Preeo,-1963, Vole 6,- Seiten 383/387 hin. So, erhalten die zuletzt genannten Autoren bei der Diffusion von Selen und Einn in Galliumarsenid zwar gute Diffusionsschichten, jeooch betonen sie in der Diskussion ihrer Arbeiteng auf Seite 386, daß sieh ihre Ergebnisse infolge der vielen Variablen im System in anderen Laböratorl:en nicht.werden reproduzieren lassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein.Verfahren, bei welchem die aufgezeigten Schwietigkeiten vermieden und Diffusionsschichten-bzw. Dittunionafronten in sehr einfacher'Weine bergestellt*werdenkönnen.
Das erfindungegemüße Verfahren zum Herstellen von Diffusioneschichten und Diffusionsfronten, Insbesondere von p - n-Übergängen, ist dadurch gekennzeichnet, daß man in einem offenen System das einzudiffundie rende Element in Form seiner flüchtigen Alkylverbindung zusammen mit Wasserstoff als Trägergas über das Substrat leiteti-die Alkylverbinidung hierbei thermisch zersetzt und das freiwerdende Element in das auf eine unterhalb setnen Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzte Substra't einaiffundieren läßt.
Als flüchtige Element-Alkyl-Verbindungen können bei dem neuen Verfahren alle leicht verdampfbaren Alkylverbindungen verwendet werde4-I beispielsweise die Alkylverbindungen dex Elemente der ersten und zweiten Nebengruppe sowie der dritten bis sechsten Hauptgruppe des Periodensysteme der Elemente. Hierbei werden jeweils die-Miethyl- und Äthylverbindungen bevorzugt eingesetzt, weil sie meistens schon bei Zimmertemperatur einen derart hohen Dampfdruck aufweisen, daß der ansonsten notwendige Verdampfungsvorgang eingespart werden kann. Das trifft--z. B. bei Zinkdimethyl, Aluminiumtrimethyl und Galliumtrimethyl zu.
Die Anwesenheit von Wasserstoff ist bei der Durchführung des erfindungagemäßen Verfahrens unerläßlich, um eine bei der Crackung der Element-Alkyl-Verbindung auftretende Kohlenstoffabacheidung zu vermeiden.
Das Mengenverhältnie Wasserstoff Blement"Alkyl-Verbindung wird man am besten auf die jeweils gestellte Aufgabe einstellen, d. h* auf das Subetrat und die gewünsebte Eindringtiefe sowie Konzentta tior. des einzudiffundierenden Elementei Entsprechend ist auch #die _"en D.*Lrft,sioiistemperatur festzuler 0' Bei den neuen Verfahren ist hervorzuheben.. daß es zur Lösung vieler Diffusionsprobleme geeignet ist, seine Anwendung auf die Heia stellung. von HalbleiterbauelEmenten also nicht beschränkt ist. Es kann gleichermaßen zur Veredelung und Härtung von metallischen Oberflächen angewendet werdeng beispielsweise zur Härtung von,Edelmetallen und zum Aufbringen von -y.orot#sionssehutzsch-*Lchten. Unter Diffusionsschichten werden in der vorliegenden Erfindung immer Schichten verstanden, die zur'Veredelung, Verschönerung und zum Schutz anderer Metalle dienen und unte'r Diffusionsfronten Halbleiterelemente mitleingelagerten Fremdatomen, beispielsweise pn-Übergang, pp+- und nn+-Ubergang, wie sie in der Elektrotechnik gebraucht werden.
Der Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber den bisher angewandten Methoden besteht vor allem darin, daß es sehr leicht durchführbar isti das Arbeiterl in einem offenen System gestattet und umständliehe Maßnahmen zur Evakuierung und Abschmelzung der Quarzglasampullen überflüssig macht. Hierdurch wird gleichzeitig eine Diffusion von evtl. damit eingebrachten Verunreinigungen vermieden.' Bei dem neuen Verfahren ist weiterhin erwähnenswert, daß sich die flüchtigen Element-Alkyl-Verbindungen verhältnismäßig leicht, beispielsweise durch Destillation. in höchster Reinheit darstellen lassen und damit die bei Halbleiterelementen geforderten außerordentlich-hohen Reinbeitsbedingungen erfüllt werden können. Ohne aufwendige zusätzliche Maßnahmen werden Verunreinigungen auch in Spuren vermieden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich besonders Galliumarsenid-Solarzellen und.Galliumarsenid-Lumineszenzdioden mit ausgezeichneten Eigenschaften herst ellen.
Axi Hand der nachntenhenden. Figuren und Beispiele a oll nuzi das er d näher erläutert werden; fin,ungsgemäge In Figur 1 bedeutet 1,das die Element-Alkyl-Verbindung aufnehmende Gefäß% 2 die Wasserstoffzuleitung, 3 und 4 stellen Dreiweghähne dar, 5 ist ein Reaktionsofen, 5 ein Reaktionarohr und 7 das für die Eindiffueion vorgesehene Substrat.
Das in Figur 2 dargestellte System arbeitet grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip und unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten System nur in der Anordnung. 1 bedeutet auch hier einen Alkylverdampfer, 2 die-Wasserstoffzuleitung, 3 das Substrat und 4 eine Heizplatte.
Beispiel 1 Darstellung einee GaAs-Solarg#!nerators durch-Diffusion von Zink in GaAs-Als.Substrat wird ein.auf beiden Seiten poliertes n-GaAs-Scheibchen verwendet und als Zink-Quelle Zinkdimethyl. In das bei Zimmertemperatur flüssige Zinkdimethyl wird über drei Stunden Wasserstoff eingeleitet, und 'zwar etwa-2 1 pro Stunde. Das in dieser Zeit verdampfte Zinkdimethyl (ca. 0,7 g) wird zusammen mit dem Wasserstoff bei einer Temperatur von 940 0 C'über das Substrat geleitet. Die

Eindrinztief e im substrat g de

T'f_ -s Versuens

1 bl* ?#,Az und der-i goM#4ip -xiMracl der fertigen Ulle etwa.

8 Beispiel 2 j Darstellung einer pp+-yront in siligium.
Alg Sijbgtra.t wird ei.4 be#dgeitig, poli.er#tee p-Siliz#um-Scheibet a -e verwendet und als Qglliumtrimethyl, AUch hier wird der Wasserstoff drei Stunden lang bei Raumtemperatur in-das flüssige Galliumalkyl eingeleitet (etwa 4 1 pro Stunde), wobei etwa 1 g Galliumtrimethyl verdampfi. Die Diffusionstemperatur betrug hierbei-850 0 C und die Eindringtiefe etwa 15 /u.

Claims

Patentansprüche-1. Verfahren zum Herstellen von Diffusionschichten und Diffusionsfronten, insbesondere von pn-Ubergängen, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem offenen Systemedas einzudiffundierende Element in Form seiner flüchtigen Alkylirerbindung-zusammen mitfbyiasserstoff als Trägergas über das Substrat leitet, die-Alkylverbind'ung hierbei thermisch zersetzt und das freiwerdende Element in das auf eine unterhalb seinem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzte Substrat eindiffundieren läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnetg daß iign als'. flüchtige ;där Elemente der' ersten urid Zwe#Iteki .-14eborIgm- ppei- bis Sechäten Hauptrruppe -dee Perlodenelzteme der Elemente veniendet.' 3-. V erfahren nach den Ansprüchen 1 bis 29 dadurch gekennzeichnetl*daß man als Element-Alkylv*"ltldl.Mg Zinkdimethyl verwendet. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, daß_ man als Element-Alkylverbln!iu-re Galliumtrimethyl verwendet. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, ö aß -man als Element-A lky2,tierbindung --.# Aluminiumtrimethyl verwendet. I'c r ge Z eh t nuer-, de.-i 1 bis 5, dadurch 7. kenn ei ne be-iLspiels*#ieise elrie da-", na# als eInen lial'oleLter Verwendet. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadi-rch rekenn--eici-'Lnet, laß Ma., als Substrat, GaAes verwendet.* nach den fInsprüch n 1 biA_.5, dadurch gekerin-, riet cla-, Verfahren e. 3 man als Su#sIV-rat SI.1-Jzii.im' ven-reridete'- ih