DE1544290B2

DE1544290B2 - Verfahren zum herstellen eines hoeheren dotierungsgrades in halbleitermaterialien, als ihn die loeslichkeit eines fremdstoffes im halbleitermaterial zulaesst

Info

Publication number: DE1544290B2
Application number: DE19621544290
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen; Winstel Günther Dipl.-Phys.Dr. 8000 München Ziegler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-09-21
Filing date: 1962-09-21
Publication date: 1972-11-09
Also published as: DE1292258B; DE1544290A1

Description

Silicium oder Germanium vorliegen. Durch gleichzeitige Anwendung von Phosphor und Arsen als n-Leitungstyp erzeugende Fremdstoffe werden in Silicium und Germanium Dotierungsgrade erhalten, die über die Löslichkeit eines der beiden Fremdstoffe in Silicium oder Germanium hinausgehen. Ähnlich günstig wirkt sich für die Erreichung hoher Konzentration an p-dotierenden Stoffen im Silicium 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 verwendet 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 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 Siliciums 1,34 Ä, der des Germaniums 1,39 Ä. Der Radius des Phosphoratoms mißt 1,3 A, der des Arsens 1,48 A, 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 A und 1,39 A.

Vorteilhafte Ergebnisse lassen sich bei der Dotierung von Silicium oder besonders Germanium weiterhin mit einer Kombination von Lithium mit Phosphor oder mit Arsen erzielen. Lithium verleiht dem Silicium und Germanium bekanntlich n-Leitungstyp. Weiterhin kann Kupfer, kombiniert mit Bor, AIuminium oder Gallium, für eine hohe p-Dotierung von Germanium verwendet werden, ebenso auch Zink in Kombination mit den genannten Metallen.

Bei den AⁱⁿB^v-Verbindungen tritt bekanntlich bei der Dotierung die Gesetzmäßigkeit auf, daß Elemente der II. Gruppe des Periodensystems auf A^m-Plätzen eingebaut werden und als Akzeptoren wirken, Elemente der VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente auf B^v-Plätzen und als Donatoren wirken. Gemäß der Erfindung kann zur Herstellung hoher Leitfähigkeit vom p-Leitungstyp in AⁱⁿB^v-Verbindungen eine Kombination von Elementen der II. Gruppe verwendet werden, zur Herstellung einer hohen Leitfähigkeit vom n-Leitungstyp eine Kombination von Elementen der VI. Gruppe. Auch hier wird als Regel gefunden, daß solche Fremdstoffe gemeinsam verwendet werden, deren gemittelter Wert der Atomradien etwa dem Radius des jeweiligen Elements, dessen Gitterplätze sie im Halbleitergitter besetzen, entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 dargestellt und werden an Hand des Einbaues von Patentansprüche: zwei Fremdstoffen in Halbleitermaterial erläutert. In den gleichseitigen Dreiecken sind die Löslich-

1. Verfahren zum Herstellen eines höheren Do- keitskurven 4 der Fremdstoffe 1 und 3 bzw. Γ und 3' tierungsgrades in Halbleitermaterialien, als ihn die 5 im Halbleitermaterial aufgetragen. In F i g. 1 beträgt Löslichkeit eines Fremdstoffes im Halbleiter- die Konzentration des Fremdstoffes 3 im Halbleitermaterial zuläßt, bei dem zwei den gleichen Leitungs- material 2 beim Punkt 5, der der maximal möglichen, typ erzeugende Fremdstoffe in das Halbleiter- durch die Löslichkeit begrenzten Konzentration entmaterial eingebaut werden, dadurch ge- spricht, beispielsweise 10¹⁸ Atome/cm³, die des kennzeichnet, daß die Fremdstoffe so io Fremdstoffes 1 beim Punkt 6 etwa 10¹⁸ Atome/cm³, ausgewählt werden, daß der Mittelwert der Atom- Die Gesamtkonzentration der Fremdstoffe, die Punkt 7 radien der beiden Fremdstoffe wenigstens an- wiedergibt, beträgt nur etwa 10¹⁷ Atome/cm³. Die nähernd dem Atomradius des Halbleiterelementes Kombination der Fremdstoffe 1 und 3 mit dem Halbentspricht, dessen Gitterplätze von den Atomen leitermaterial 2 führt also nicht zum Ziele eines erder Fremdstoffe besetzt werden. . · . 15 höhten Dotierungsgrades.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Dagegen zeigt F i g. 2 ein im Sinne der Erfindung zeichnet, daß zum Erzeugen von n-Leitungstyp in günstiges Beispiel einer Erhöhung der Gesamtkonzendem Halbleitermaterial Silicium oder Germanium tration. Punkt 8 gibt die Löslichkeitsgrenze des die zwei Fremdstoffe Phosphor und Arsen ver- Fremdstoffes 3'im Halbleitermaterial 2 mit beispielswendet werden. 20 weise 10¹⁸ Atome/cm³ wieder, Punkt 9 zeigt die Konzentration des Fremdstoffes 1' im Halbleitermaterial 2

mit beispielsweise . 10¹⁷ Atomen/cm³. Im Punkt 10, dem sogenannten kritischen Punkt mit der kritischen

Bei der Herstellung optimaler Tunneldioden ist es Zusammensetzung des ternären Systems, besitzt die zur Erzielung des Tunneleffekts erforderlich, in den 25 Gesamtkonzentration der Fremdstoffe den höchsten verwendeten Halbleiterkristallen eine extrem hohe Wert, im Beispiel etwa 10²⁰ Atome/cm³. Trägerdichte, etwa 10¹⁹ bis 10²⁰ Atome/cm³, d. h. bis Nimmt die Kurve 4, die die Löslichkeitsgrenzpunkte oberhalb der Entartungsdichte, zu erzeugen. Ebenso zweier Stoffe X" und 3", etwa zweier Dotierstoffe, in sind für die Gewinnung günstiger elektrischer Eigen- einem dritten Stoff, beispielsweise einem Halbleiterschaften von Transistoren häufig hohe Dotierungs- 30 material, miteinander verbindet, diesen oder einen grade der Emitterzone angebracht. Der maximal ähnlichen, beispielsweise den in F i g. 3 gezeigten erreichbare Dotierungsgrad ist jedoch durch die Verlauf, dann führt die Verwendung dieser beiden Löslichkeit des Dotierstoffes im Halbleitermaterial Dotierstoffe zu einer Erhöhung der Gesamtkonzenbegrenzt. tration der Dotierstoffe im Halbleitermaterial, führt

Außerdem treten beim Arbeiten in der Nähe der 35 also über die Löslichkeitsgrenze eines der beiden Löslichkeitsgrenze Schwierigkeiten bei der Kristall- Dotierstoffe im Halbleitermaterial hinaus; derartige Züchtung auf, d.h., die einkristalline Struktur des Halb- Kombination von Fremdstoffen und Halbleiterleitermaterials geht hierbei oft durch Fremdkristall- material erweist sich im Sinne der Erfindung als voreinschlüsse verloren. teilhaft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver- 40 Im allgemeinen tritt dieser günstige Fall auf, wenn fahren anzugeben, nach dem es möglich ist, höhere in den beiden Grenzsystemen Eutektika auftreten, Dotierungsgrade in Halbleitermaterialien herzustellen, wie es etwa von dem ternären System Kupfer mit Beiais es die Löslichkeit eines Fremdstoffes im Halbleiter- mengungen von Silber und Blei bekannt ist. In den material zuläßt, wobei zwei den gleichen Leitungstyp Systemen Kupfer/Silber und Kupfer/Blei werden erzeugende Fremdstoffe in das Halbleitermaterial ein- 45 eutektische Mischungen beobachtet, wobei das Eutekgebaut werden. tikum fast ganz auf der Seite des Kupfers liegt. Im

Die Erfindung sieht zur Lösung der gestellten Auf- ternären System wird die Löslichkeit des Bleis im

gäbe vor, daß die Fremdstoffe so ausgewählt werden, Kupfer durch die Anwesenheit von Silber im Kupfer

daß der Mittelwert der Atomradien der beiden Fremd- , erhöht. Ebenso ist auch die Löslichkeit des Silbers im

stoffe wenigstens annähernd dem Atomradius des 50 Kupfer gering; sie läßt sich jedoch durch gleichzeitigen

Halbleiterelementes entspricht, dessen Gitterrilätze ' Zusatz von Blei über die Löslichkeitsgrenze hinaus

von den Atomen der Fremdstoffe besetzt werden. erhöhen.

Unter Halbleitermaterialien sind hier sowohl EIe- Die gleichen günstigen Erscheinungen in bezug auf mente wie Germanium oder Silicium als auch Ver- die Löslichkeit treten aber auch im System Silber mit bindungen mit durchschnittlich vier Valenzelektroneri 55 Beimengungen von Kupfer und Blei auf. In reinem pro Atom zu verstehen, wie etwa Verbindungen der , Silber löst sich nur wenig Kupfer und nur Spuren von III. und V., der II. und VI. oder der I. und VII. Gruppe Blei, d. h* weniger als 0,1 Atomprozent. Bei der Andes Periodensystems der Elemente sowie Oxide, Boride Wesenheit beider Stoffe wird jedoch die Löslichkeit und Karbide mit halbleitenden Eigenschaften. heraufgesetzt.

Bekanntlich bestehen in einem ternären oder auch 60 Die Löslichkeitsgrenzkurven dieses Dreistoffsystems quasiternären System zwei Möglichkeiten für die Aus- sind in F i g. 4 schematisch dargestellt. In Punkt 11 bildung der Löslichkeitsgrenzkurven: Entweder wird ist die Löslichkeit des Kupfers und Bleis im Silber am durch die Zugabe eines zweiten Fremdstoffs zu einem größten; das System hat hier die kritische Zusammenbestimmten Material eine geringere Gesamtkonzen- Setzung. Punkt 12 zeigt die kritische Zusammentration der Fremdstoffe oder eine höhere Gesamt- 65 setzung für die Metalle Silber und Blei in Kupfer, konzentration in dem Material bewirkt, als es die Lös- Auf Grund eingehender Versuche wurde die Erlichkeit eines der Fremdstoffe zuläßt. kenntnis gewonnen, daß ähnliche Verhältnisse bei

Die beiden Möglichkeiten sind in den F i g. 1 und 2 einer Kombination von Phosphor und Arsen im