DE1544290A1 - Verfahren zum Herstellen hoeherer Dotierungsgrade in Halbleitermaterialien,als es die Loeslichkeit eines Fremdstoffes im Halbleitermaterial zulaesst - Google Patents

Description

• 'T@aYfi'@hr#:Yi: zum Herstellen höherer 7)ot-eruncs7rade in Halhleiter-

  ep t-riullen, als es die hösli chkett eire s: Wremdstoffes im Halb-

  _.._.,___ _?til-^ßt

  Bei. der Iiert-tellung- optimaler Tunneldioden ist ec zur Erzielun- `des Tunnoleffel;tü erforderlich, in den vcri-icnc:cten I:albleiterkrintallen eine extrcn hohe Trägerdichte, etwa 1019 - 1020 Atoiae,'cia3, d.h. bis oberhalb dex Entartunc;sdichte, zu erzeugen. Ebenso sind für die Gewinnung bünsti@e@ 'clektri ;eher Eigenschaften von Trensictoren häufig hohe DotierunCsgrade der Enie-terzone angebracht. Der maxireal erreichbare Doticrungsgrad ist jedoch durch die Löslichkeit des Dotierstoffes im P:alblciternateria 1 begrenzt. rußcrdcn treten beire 1:rbeiten in der hphe der Löslichl;ei-Lu-@rciiso Schwierigkeiten bei der Kristallzüchtung auf , cl-h. die-- einfiristallino Struktur des halbleitermwterials ficht hierbei oft durch Preradl:ristallciilschlüsse verloren. Auf-abe der vorlic@;c(nden Erfindung ist es, ein Verfahren a n: u,ebcn, nach dem es möglich ist, höhere Dotierung s-Grade in Halbleitcrriitcrialicn herzuLtellen, als es die Löslichkeit -cinas rrer;drj-toffes in Halbleitermaterial zult:ßt, @ viobei vieiigcitcnti zwei., den gleichen leitunewtyp er-Zeugende Fremdstoffe in das Hulbleiteriaaterial eingebaut, werden. Die Erfindung sieht zur Lösuna der gestellten Aufgabe vor daß die Auowahl der- rrerdotoßfc in Abh@ngi,;kait ihrer Atorirudicn Getroffen vrird, derart, daß durch den gemeinsamen Einbau der 'rends Hoffe ein Ausgleich er durch einen der -Fremdstoffe :bcwiricten Verspannung des Gitteras des Halb..-lciteriaaterals bewirkt raird, mit AusnahLie der Fremdstoffe :-Gallium und Aluminium für Silizium und Germa niuM. Unter Hmlbleiternaterinlien sind hier sowohl Elenenle . »ie'Gcraaaniun oder Silizium als auch Verbindungen mit durchschnittlich vier.Valen:elektronen pro Atom zu verstehen, wie etwa VcrbindunCcn der III. und V., der II.: -. und VI. oder der I. und VIf. Gruppe den Periodischen Systens der Elerrenta @ soiiic (bide, Boride. und Karbide :mit halbleitenden Eiuenachaften.. Bekanntlich beutchen - in einem tern,:1.ren,öder auch quasitern@::rei1 Syvtem zv;ei höglichläeiten für die Ausbildung der liüelichlccitsgrenzkurven: Entweder wird durch die Zugabe eines zweiten rreradotoffs . zu einem bectirlntcn Material- eine geringere Gosaintlcouzcntration der Prcndstoffe oder eine. höhere Geaamtkonzentratioain dem ':ätcrul @beerirldt, ala es die Iöslichheit eine: der i'reidstoffe zulüßt. Die beiden Möglichkeiten sind in- den Pig. 1 und 2 , dari;cvtellt und vierden anhand (las Einbauen von zwei Premdütoffcn in Halblcitermateria 1 erläutert. In den gleichseitigen Dreiecken sind die Löclichlrcitolrurvon @4 der .rreMdo toffa 1 und 3 bzw." 1 ° und 3' im Halbleitcrnatcrial aufgetragen. In Pig.1 beträgt die Konzentration den rrendctoffeo 3 im Halbleitern` tcr ial 2. beim Punkt @, der der maximal möglichen, durch dii Löslichkeit beGrenzten.Isonzentration cntapricht, beicpielavdciaC 10191itone,/,cia59 die des: rrendutoffco . 1 beim funkt -6 etech 1®1gAtomer/cr2,. Die Gesamtkonzentration der, rrondotoffo,., die Punkt ;f viiedcr= üibt,. betr#:.-;t nur etwa 1017Atoi.-ie/c..i3 . Die Kombination der rreixdotöffc 1 und 3 mit der Halblaitcrnntel°ial. 2 führt also nicht zum' Ziele eines erhöhten DotierungaG#radeu. Dagegen zeigt Piv.:2 ein in Sinne der Erfindung güho.ti:geü Beiühiel einer Erhöhung der Gesamtkonzentration': Tunkt ß gibt die löwlichl:citsgrenze dec, frandatoffec 3' irr Halbleiteriao.terial 2 mit beiapiclscreioe. 10ß Atome/'cm3 rlicder, Funkt 9 zeigt die Konzentration des Premdotoffec 1 # im Halbleitermaterial .2 mit bciopiel vieioQ 1017 Aüomen/'ci:i3. In Punkt 10, den. sogenunnten kritischen Funkt mit der kritiochcu.Zucarinensetzung den tcrnzixen Syatenu, besitzt die GeolLltkonzentration der rreildetoffe den höchwten -Kort, in Beispiel etwa 102 Ateme;'cn,. Nimmt die, Kurve 4, die die Loolichl;citai;renzpt;nl:to zweier Stoffe, etwa zweier Dotierritoffe, in einem dritten Stoff, beiopieloaeioe einem Ilalbleiterndtcr ial, miteinander vor-a bindet, diesen oder einen ähnlichen, boi-opieleiieioc den i11 P i;r'3 gezeigten Verlauf, dann führt ' dis Verwendung dieaer beiden Dotieratoffe zu einer Erhöhung d«er Geoantkonzentration der 1)otierstoffe im ZIalbleiternatcrial, führt also Über .die Zöoliclilceitc@renze eines der beiden Dotervtoffe im Halbleiteriiatcrial.hinauc:; derartige Konbin ation von rremdctoffen und Halbleitermaterial erweist sieh in Sinne der' Z,rxiidunals vorteilhaft. Im allgemeinen tritt dieser günetige Fall auf, 'wenn in den beiden Grenzeyctenen Eutel:til;ä -auftraten, wie es etwa von den ternLren System Kupfer mit Bcit^ie@gungen von Silber und, Blei bekannt ist. In den Syotomcn Kupfer/Silber und Kupfer/ Blei ucrden cutektiocho Mischungen beobachtet, wobei dar Eutektikum faut ganz auf der Seite den Kupfera lief t. Z :1" teii-_tren System wird die Löslichkeit des Bleis in Kupfer durc:h-die Anicdcnhct von Silber im Kupfer erhöht. Ebcnuo ic y --euch die Löslichkeit den Silbcra n@ Kupfer bering; sie l@a@t sich jedoch durch glcichzcitiGen .Zusatz, von Blei über die Löslichkeitsgrenve hinaus erhöhen. Die gleichen günatigen ErclicinunZen in Bezug auf die Zöslicllkcit -treten. aber auch in Sy :ten Silber mit Bciricn,Gun&>,-eii von Kupfer und Blei auf. In reinen Silber löat sich nur crciiäL Kupfer und nur Spuren von Blei, d.h. Tren,gcr als 0,1 AtorJ;L Bei der Aniäcsenheit beider Stoffe wird jedoch die Mulichkeit heraufgesetzt nie @Zövliclilzeitugrenzkurven dieses Dreistoff" systcrla sind -iil P il;. 4. schcmatioch dargc nk;ellt._ In Punkt 11 ist die Löslichkeit den Kupfers und Bleis im Silber an ;röftcll; das Systeri hast hier die kritirehc Zuvai»renset: ung. Punkt 12 zcig't die. kritische Zuurieiisetzunj; für dio.i.ietalle silhcr und Blei in Kupfer. .Auf Grund eingehender Vcrzuche wurde.` die Erkenn Bis ge-# Wonnen, daß ähnliche Verhl::l tni s:;o bei einer Kombin. tion 4 von Phosphor. und Lroen in Siliziun- oder Germa nium vorlie-VCil. 'Durch gleichzeitige 'Alit-,endung von: Phosphor und Arsen als n-Leitun",;styp, erzeugende i rerds toffe rerden in Silizium und Germanium @o tieruii@s@ra de erhalten, die ,über die Löslichkeit eines der beiden Fremdstoffe in Silizium oder Germanium hinausgehen. Ähnlich günstig Wirkt sich für die ,Erreichung hoher Konzentration an p-dotierenden Stoffen im Silizium und.Germanium die bekannte Kombination von Gallium und Aluminium aus. Ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, bei dem ein Elektrodenmaterial mit einem Gehalt an Aluminium und Gallium vurwendet wird, ist bereits bekannt. Um eine Auswahlregel-für die im Sinne der Erfindung günstigen Kombinationen von Fremdstoffen mit Halbleitermaterialien zu- treffen, wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Atomradien herangezogen werden. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß eine Erhöhung der Gesamtdotierung in einem Halbleitermaterial durch Verwendung von wenigstens zwei Fremdstoffen sich dann erzielen läßt, wenn der Atomradius des einen-Fremdstoffes größer, der des anderen kleiner ist als der des Halbleitermaterials; so daß sich ihre Wirkung auf die Verspannung des Halbleitergitters kompensieren kann. Beispielsweise ist der Atomradius des Siliziums .1,34 R, der des Germaniums 1939 n. Der Radius des Phosphoratoms mißt 1,3 .X, der des Aroens 1,48 e, wodurch sich die vorteilhafte Wirkung einer gemeinsamen Dotierung mit Arsen und Phosphor ohne weiteres erklärt: Ähnlich liegen die Verhältnisse bei Aluminium und Gallium mit 1,43 2 und 1;39 h. Yorteilhuafto Ergebni )d:0 lassen sieh bei der Dotierun" von Sil.ziun oder besonders Gcrr:a niün weiterhin mit einer Konbin a tion von hithium mit Phosphor oder mit ,1rcen crziolen-. Lithi'Llxi verleiht den Silizium und Gerriunium .belöunntlieh n-TicitunGstyp. Yeiterliin ]:Kann l(upfer,1:oi;ibiriicrt mit Bor,, Aluminium oder Gallium, für eine hohe p-Doticrung von Germanium verlveiidct. werden, ebenso auch Zink in Kombination mit den genannten Metallen. lluo _diopor reihe von 'Verauchsertebnicaen läßt sich eine. Rucwalilregel@ ableiten, -die . besagt, d aß solche Freridutoffo verwendet werden können, von denen der eine Z%7i ochcngitterplätza in- Gitter des Halbloiternaterial besetzt, viie - es z.3. für 7Githium im Silizium- oder beijonderz ii:i . Germe,nium,G:,itter oorrle für Zink und Kupfer'. im German.iur:-Gitt@er bel-=nt ist, und'. der andere Teil Gitterplätze, was.im allgemeinen der ä all ist. hür @quar-tern;,.re Systeme lassen sich im allgemeinen l:cine einfachen Auswahlregeln ableiten. Die Aucwdhl zcrcc@c@a@:13igor rioinbinationon, erfol,-t hier am besten experimentell Despielcr:eize erweist sich eine geneinsame Amvrendung der freiadetoffe Bor, Indium und Aluminium in den Halblei Gerrav. -teralieii Siliziün und Gerrlaniui;i bül'l. Bor, Indiun und Gallium in Siliz ium als vorteill@.ift im Sinne der Erfindune;, Ii:l ersten fall kann für die günütiGe Wirkung die T:r1Ll @:rl.?11 geltend -cina cht werden, daß der gerlittel-to ;fort der Atoi:iraclcxl der freiadetoff e derl lio.diue des jeweiligen T-ia lblcitermaterlals etwa entspricht, so d aß sich die einzelnen I-@reildstoffe in ihrer Lirkung auf das Gitter des falbae:iterriater:ial s einiGerma ßen koi:lI)eil:@tercil. Bei den i,1'`@IBV-Vcrbindungen tritt bekanntlich bei der Dotierung die Ges otzn::ßigkeit auf, daß Elemente der II.Gruppe des Periodischen Systems der Elemente auf J'Liii--P1@:'tzen Cingebaut ;.;erden und als Akzeptoren 1'tirl,enelälclente der VI. Gruppe des PeriodGchen Systerio der Elei1ente auf BV-1'lli#tzen und alo Domtoren wirken, GeriL-*>.ß ..der Erfindung 1@:nn zur I-ferr,-Irr Leitf#ihiglrcit vorn 1?-Zeitting "typ in AI=iB Verbindungen eine Kombination von Elementen der II.Grunpe vrcrc;e1lde-t @rci-den, zur Herstellung einer flohen Lci'tflihiG-heit vom.n-Zeitunotyp eine Kombination von Elementen der Vi.Gruppe. Auch hier mird alo Regel Cfunden= daß solche i'reixü@;toffc: g-eizoinsarl verwendet ,?erden, deren @ell:it@@elLe:r. 1;er-c der Atommaden etvrs, dem Radius des jerieill#;ei1 L:Le7:.en-L@i ele2";en Gitter pl":'tze sie im IIe.lbleitergitter besetzen, ents pri cht

Claims (5)

1. P a t a n t a, n o.p -r , ü c h. e 1. Verfahren zum Herstellen höherer Dotierungsgrade in lialblei ternaterialien-äls es die Löslichkeit eines- ' rremdstöffeu im Halbleitermaterial zulÜßt,. bei den weniGstenü zPci den gleichen Zeitungstyp erzeugende Premdstoffe in dad Ha lbleitermatcr ial eingebaut vier-. den,. dadurch gekennzeichnet, daß die Äüovrahl der Premdstoffe in AbhznGii;l;eit ihrer Atomradien getroffen wird, derart, daU durch den @cric,xisatcri .@inia=u' der Premdatoffo ein Auneleich der durch einen der Preridgtoffo. boi°rirlzten Voropannuna doa_ Gittere den Halbl.oitermaterials- bewirkt wird,, mit Ausnehme der Prer:datofec Gallium und AIuminium für Silizium und Germanium.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch Zekennzeichnet, daß Bein 1ialbleiterma torial Silizium- und Gerra^nium die AuS-wahl der Fremdstoffe derart getroffen wird, daß der -Gemittelte Ylert der Atonradien der Prendotoffe trcnigptens annähernd den Atomradus das Halbleitermaterials , äntspricht.
3. 3. Ve1#fahrgii, nach Anopruch 1 , dadurch gakerinzeichnc t, daß bei, chemizchcn Verbindungen mit Halbleltercha rahter die Auswahl der I'rerdatoffe derart getroffen wird, daß der gerüttelte Viert der Ktonradicn der Frend Stoffe vieniGotenü annt:fiernd der Atoraradiua d ca in Gitter der lalulciterverbindun-; durch die Frendatoffe jeweils eraetZten Elements en-t;apricht.
4. Verfahren nach haiapruch 2, dadurch gelconnzeiehnet, daß zurr Er cu-en von n-Zeitzm&atyp in dem ralbloiterriaterio;l Sili ium oder Gerrcniun die zwei Prcr2datoffe Phoonhor und Arsen verrreiidet werden:
5. 5. Verfuhren nach Anspruch 2, dadurch. Gekennzoichnct, da ß -um "rzeu@cn von n-heitungvtyp in den Silizium oder Germaniun die Frcmdutoffe Dar, Indiun und alluminium@ vervrendet werden. G. Verführen nach Anspruch 2, dadurch gclccruizeichnet, dc;ß zum ErzeuCen voll p-Tieittzn,-atyp in dem Halbleiterraaterial Siliuiun die lqrcrdotoffe Bor, Indiutl und Gallium vorwendet werden.