DE2019251A1 - Verfahren zum Eindiffundieren oder Einlegieren eines Fremdstoffes in einen Halbleiterkoerper - Google Patents
Verfahren zum Eindiffundieren oder Einlegieren eines Fremdstoffes in einen HalbleiterkoerperInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 2 1. APR. 1970
Berlin und München Witteisbacherplatz 2
γρι 70/10 76
Verfahren zum Eindiffundieren oder Einlegieren eines Fremdstoffes in einen Halbleiterkörper ■ .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindiffundieren oder Einlegieren
eines Fremdstoffes in einen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium oder Germanium, durch Erhitzen des Halbleiterkörpers
und des Fremdstoffes in einem verschlossenen Behandlungsgefäß in
Gegenwart eines die Bildung von molekularem Wasserstoff beschleunigenden
Katalysators,
Hierbei kann es sich z.B. um das Eindiffundieren von aus einer Dotierungsstoffquelle verdampftem Dotierungsstoff in den Halbleiterkörper
oder um das Einlegieren einer Metallfolie in den Halbleiterkörper unter Ausbildung einer Kontaktelektrode handeln.
Aus der "Zeitschrift für Naturforschung", Band 13 a, Heft 4, 1958,
Seiten 354 und 355, ist bekannt,, daß Wasserstoffatome, die während
des Ätzens mit konzentrierte Salpetersäure und Eisessig oder Kaliumpermanganat enthaltender Flußsäure oder mit heißer Natronlauge in
einen Siliziumkörper gelangen, im Kristallgitter des Siliziums Rekombinationszentren bilden, die dort die Lebensdauer der Minorität
sträger verkürzen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß molekularer Wasserstoff
auch während des Diffundierens oder legierens aus dem
Material des erhitzten Behandlungsgefäßes in dessen Innenraum gelangt und dort wegen der hohen Temperatur zu atomarem Wasserstoff
dissoziiert, welcher leicht in den Halbleiterkörper eindiffundiert und dort die besagten Rekombinationszentren bildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Wasserstoffatome
aus dem Halbleiterkörper möglichst weitgehend zu entfernen, so daß die elektrischen Kenngrößen (z.B. beim Gleichrichter die
Durchbruchsspannung oder maximale Sperrspannung in Sperrichtung,
beim Thyristor die Kippspannung oder maximale Sperrspannung in
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Durchlaßrichtung und die Burchbruchsspannung) des aus dem Halbleiterkörper gewonnenen Bauelements auch wirklich die vorbestimmten
Werte haben»
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Katalysator Tor dem Erhitzen auf die Diffusions- oder Eegierungstempsratur
iixii vor dem ?@rsohli@ß@n des Behandlungsgefäßes in dieses
eingebracht wird®
Günstlgerwelse uisä ein Katalysator gewählt, der weder ein Akzeptor-
noch ein Donatorstoff ist und der praktisch keine Eekombinationszentren
im Halbl@it©2?körp@r bildet«, Vorteilhaft ist ferner
j, wenn, mir verhältnismäßig geringe M©agen dieses Katalysators
zur Beschleunigung d©r Bildung von molekularem Wasserstoff erforderlich
sindo In'di@s©ffi Sins© "besonders gut geeignet sind
zweiwertige Blelioasn bswo ©la aueiwostige Bleiionen enthaltender
und abgebendes· Stoff9 öLot in ias Behandlungsgefäß eingebracht
wird»
Wegen der Hits© im BehaMlmigsgefäß dampft Katalysatormaterial
ungehindert zur Oberfläch© des Halbleiterkörpers, wo es während
des Abkühlens nacli dem Siniiffundieren oder Einlegieren des Fremdstoffes
die Bildung von molekularem Wasserstoff aus atomarem und dadurch auch die Einstellung des chemischsn Grleichgewiöhtsf welches
bei Zimmertemperatur auf selten des molekularem Wasserstoffs liegt j beschleunigte Dies hat sogar zur Folge„ daß bereits
im Halfeleiterkörper befindliche Waseerstoffatome während
des Abkühlens desselben in Gegenwart des besagten Katalysators wieder
ausdiffundieren, so daß sich nach Abschluß des Diffusions-Oder Legierungsprozesses praktisch keine Wasserstoffatome im auf
Zimmertemperatur abgekühlten Halbleiterkörper befinden.
Aus der französischen Patentschrift 1 293 554 ist zwar ein Verfahren
zum Eindiffundieren von Gallium in Siliziumscheiben bekannt,
bei dem die Silisiumscheiben und die Galliumquelle in
einer Quarzampulle angeordnet werden, welche sodann verschlossen und in einem Ofen erhitzt wird, so daß die Siliziumscheiben die
erforderliohe Diffusionstemperatur annehmen. Zum Gettern uner-
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wünschter, aus dem Ofenmaterial stammender Schwermetallatome,
wie Kupfer, Nickel und Eisen, die in den Siliziumscheiben ebenfalls RekombinationsZentren bilden, wird die Quarzampulle vor
dem Erhitzen mit einer Schicht aus einem Gemisch von Natriumorthosilikat
und Bleioxyd überzogen, welches sich jedoch auf der Außenfläche der Quarzampulle und nicht in deren Innenraum befindet.
Daher gelangen zu wenig Bleiionen in den Innenraum der Quarzampulle -und zur Oberfläche der Siliziumscheiben, so daß in die
Siliziumscheiben eindiffundierte Wasserstoffatome, die durch
Dissoziation von dem Quarz entstammenden Wasserstoffmolekülen entstanden sind, während des Abkühlens nach dem Diffusionsprozeß
im Silizium verbleiben und dort unerwünschte Rekombinationszentren bilden.
Der zweiwertige Bleiionen abgebende Stoff, z.B. Bleiacetat, Bleichlorid
oder Bleinitrat, kann vor der Durchführung des Diffusionsoder Legierungsprozesses in fester Form im Behandlungsgefäß angeordnet
werden. Günstigerweise kann aber auch die Oberfläche eines innerhalb des Behandlungsgefäßes befindlichen Körpers und/oder
die Innenfläche des Behandlungsgefäßes mit einer zweiwertige Bleiionen enthaltenden Flüssigkeit benetzt werden, die vor dem Erwärmen
auf die Behandlungstemperatur im offenen Behandlungsgefäß verdampft wird. Statt dessen kann auch im Behandlungsgefäß ein Körper
angeordnet werden, der mit einer zweiwertige, Bleiionen enthaltenden
Flüssigkeit benetzt ist, die vor dem Erwärmen auf die Behandlungstemperatur im offenen Behandlungsgefäß verdampft wird.
Die Erfindung und ihre Vorteile seien an einem Ausführungsbeispiel
anhand der Figur näher erläutert:
Die Figur zeigt die Sperr- und Kippkennlinien von zwei Thyristoren,
von denen einer entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
In einer langgestreckten, einseitig offenen Quarzampulle werden an einem Ende eine Dotierungsstoffquelle, z.B. ein offener Behälter
mit Gallium, und am anderen Ende 50 Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von 33 mm und einer Dicke von 300 u angeordnet.
Letztere werden durch Stützkörper aus Silizium so gehaltert, daß
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sie zur Vermeidung von Kristallversetzungen in den Siliziumscheiben
die Quarzampulle nicht berühren. Sodann wird die Innenwand der Ampulle mit etwa 10 bis 20 Tropfen einer Flüssigkeit benetzt, die
10 bis 30 ία Gramm zweiwertige Bleiionen pro Milliliter enthält.
Besonders geeignet ist z.B. Wasser oder Alkohol, in dem 20 bis 60 » Gramm Bleiacetat, Bleichlorid oder Bleinitrat pro Milliliter
gelöst sind. Günstig ist es, wenn sich pro QuadratZentimeter der
Gesamtoberfläche aller in der Quarzampulle befindlichen Siliziumscheiben 0,001 bis 1 u Gramm, vorzugsweise" 0,02 u Gramm zweiwertige
Bleiionen, d.h. 0,002 bis 2 u Gramm, vorzugsweise 0,04 U Gramm, Bleiacetat, Bleichlorid oder Bleinitrat innerhalb der
Quarzampulle befinden.
Nach dem Benetzen der Innenwand der Ampulle mit der zweiwertige Bleiionen enthaltenden Flüssigkeit wird die unverschlossene Ampulle
auf etwa 80 bis 1000C erwärmt und die Flüssigkeit, also
Wasser oder Alkohol verdampft, während der gelöste, zweiwertige Bleiionen enthaltende Stoff auf der Innenwand der Ampulle zurückbleibt.
Anschließend wird die Ampulle evakuiert und vakuumdicht verschmolzen. Schließlich wird die Ampulle in einen Ofen eingeschoben
und während der vorgeschriebenen Diffusionszeit an dem Ende mit den Siliziumscheiben auf eine Temperatur von etwa 12000C
und am Ende mit der Galliumquelle auf etwa 11000C erhitzt.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Benetzungsflüssigkeit 20 u Gramm Bleiionen pro Milliliter enthält.
Es ist auch möglich, die Siliziumscheiben mit der besagten, zweiwertige
Bleiionen enthaltenden Flüssigkeit vor dem Erhitzen auf Diffusionstemperatur zu benetzen und die Flüssigkeit vor dem Verschließen
der Ampulle zu verdampfen. '
Auch beim Einlegieren z.B. von dotierungsstoffhaltigen Goldfolien in Siliziumscheiben innerhalb eines in einem Legierungsofen angeordneten
Gefäßes können vorteilhaft Wasserstoffatome in derselben Weise wie oben beim Diffundieren in einer Quarzampulle
beschrieben aus den Siliziumscheiben entfernt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch
aus, daß es schnell und besonders einfach durchgeführt werden kann,
Ferner hat es den Vorteil, daß nur relativ geringe Mengen von zweiwertige
Bleiionen enthaltenden Stoffen erforderlich sind, so daß durch diese Stoffe weder das Behandlungsgefäß noch der zu behandelnde
Halbleiterkörper in Mitleidenschaft gezogen wird.
In der Figur stellt 1 die Sperrkennlinie und 3 die Kippkennlinie
eines ersten Silizium-Thyristors dar mit einer Siliziumscheibe, welche einen Durchmesser von 33 mm und eine Dicke von 300 u hat
und die zusammen mit 50 gleichgroßen Siiiziumscheiben und einer. Dotierungsstoffquelle zum Eindiffundieren von Dotierungsstoff in
einer verschlossenen Quarzampulle erhitzt wurde, deren Innenwandung vor dem Verschließen mit 15 Tropfen Wasser benetzt wurde,
welches 40 u Gramm Bleiacetat pro Milliliter enthielt. Das Wasser wurde vor dem Verschließen der Ampulle verdampft.
Zum Vergleich stellen 2 und 4 die Sperr- und Kippkennlinie eines zweiten Silizium-Thyristors mit gleichem Aufbau und einer Siliziumscheibe
dar, die dieselben Abmessungen hat und von demselben Ausgangsstab abgetrennt wurde wie die Siliziumscheibe des ersten
Thyristors. In die Siliziumscheibe des zweiten Thyristors wurde jedoch der Dotierungsstoff innerhalb einer abgeschlossenen Quarzampulle
eindiffundiert, die keine zweiwertige Bleiionen oder einen anderen die Bildung von molekularem Wasserstoff aus atomarem
Wasserstoff beschleunigenden Katalysator enthielt.
Wie man erkennt, sind die Durchbruchsspannung TJpj und die Kippspannung
UjQTT des ersten Thyristors beträchtlich größer als die
Durchbruchsspannung UDII und die Kippspannung Ujqv des
Thyristors.
1 Figur
6 Patentansprüche
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Claims (6)
1. Verfahren gum Eindiffundieren oder Einlegieren eines Fremdstoffes
in einen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium
oder Germanium» durch Erhitzen des Halbleiterkörpers und des Fremdstoffss in einem verschlossenen Behandlungsgefäß in Gegenwart
eines die Bildung von molekularem Wasserstoff aus atomarem Wasserstoff beschleunigenden Katalysators, dadurch gekennzeichnet
j daß der Katalysator vor eiern Erhitzen auf die
Diffusions-= ©der Le gieriangs temperatur und vor dem Verschließen
dee Behanäliazigsgefäßes in dieses eingebracht wird.
2. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekensselehnet, daß als
Katalysator ein zweiwertige Bleiionen abgebender Stoff in das
Behandlungsgefäß eingebracht wird»
3. Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die-Oberfläche
eines innerhalb des B©handlimgsgefäßes befindlichen Körpers
und/oder ix© Innenfläche des Behandlungsgefäßes mit einer
zweiwertig® Bleiionen enthaltenden Flüssigkeit benetzt wird, die vor dem VersehlieBen des Behandlimgsgefäßes verdampft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Behandlungsgefäß
ein Körper auge ordnet-- wird, der mit einer zweiwertige
Bleiionen enthaltenden Flüssigkeit benetzt ist, die vor dem Verschließen des Behandlungsgefäßes verdampft wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Benetsungsflüssigkeit verwendet wird, die 10 bis 30 u
Gramm zweiwertige Bleiionen pro Milliliter enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Benetzungsflüssigkeit
Wasser oder Alkohol mit gelöstem Bleiacetat, Bleichlorid oder Bleinitrat verwendet wird.
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