DE2433991A1 - Verfahren zum dotieren einer halbleiterschicht - Google Patents

Verfahren zum dotieren einer halbleiterschicht

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DE2433991A1
DE2433991A1 DE2433991A DE2433991A DE2433991A1 DE 2433991 A1 DE2433991 A1 DE 2433991A1 DE 2433991 A DE2433991 A DE 2433991A DE 2433991 A DE2433991 A DE 2433991A DE 2433991 A1 DE2433991 A1 DE 2433991A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELISGHAPT ' München 2, den 1 5iJUL. 1974
Berlin und München Wittelsbaeherplatz2
VPA 74/1112
Verfahren zum Dotieren einer Halbleiterschicht
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dotieren einer auf einem Substrat angeordneten Halbleiterschicht mit einem Dotierstoff.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Dotierung eines Halbleiterkörpers mit Dotierstoffen bekannt. Bei einem dieser Verfahren wird der Dotierstoff aus der Gasphase durch eine Wärmebehandlung in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Der Dotierstoff kann dabei in einem Trägergas, wie beispielsweise einem Edelgas, enthalten sein,, Bei einem anderen Verfahren wird eine Isolatorschicht, wie beispielsweise eine Siliciumdioxidschichtj die mit einem Dotierstoff versetzt ist, auf den zu dotierenden Halbleiterkörper aufgebracht. Durch eine anschließende Wärmebehandlung diffundiert dann der Dotierstoff aus der Isolatorschicht in den Halbleiterkörper und bildet dort eine dotierte Halbleiterschicht. Bei einem weiteren Verfahren werden schließlich Ionen des Dotierstoffes mittels eines angelegten elektrischen Feldes in den Halbleiterkörper eingebracht (Ionenimplantation).
Alle diese Verfahren haben bestimmte Vorteile, so daß abhängig von dem mit der Dotierung angestrebten Ergebnis eines dieser Dotierungsverfahren ausgewählt wirdo Der ständig steigende Bedarf von insbesondere aus Silicium bestehenden Halbleiterbauelementen hat jedoch zu einem Bedürfnis naoh einem weiteren Dotierungsverfahren geführt9 bei dem eine möglichst homogene Dotierung des Halbleiterkörpers erreicht wird.
VPA 9/110/4043
9/720/4030 körnig o
9/110/4069 ' °
Kot/Dx
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Dotierung eines Halbleiterkörpers anzugeben, bei dem in der zu dotierenden Halbleiterschicht eine möglichst homogene Dotierung dieser Schicht erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiterschicht mit Neutronen bestrahlt wird, so daß die Halbleiteratome der Halbleiterschicht mittels einer an sich bekannten Reaktion in Dotierstoffatome umgewandelt werden.
Die Neutronen haben in einem Halbleiterkörper ein praktisch unbegrenztes Durchdringungsvermögen, so daß - "bei einem homogenen Neutronenfluß - auch eine homogene Dotierung einer auf einem Substrat angeordneten Halbleiterschicht erreicht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also eine homogene, genau einstellbare und reproduzierbare Dotierung einer Halbleiterschicht möglieh.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zum Dotieren einer Siliciumschicht mit Phosphor die Reaktion
30 31 31
Si + η —> Si + y —^ P + ß H 14 15
verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in vorteilhafter Weise zur Dotierung einer Silicium- oder A^-j-By-Verbindungsschicht, die epitaktisch auf einem Substrat abgeschieden ist. Als Substrat kann dabei ein Siliciumgrundkörper, ein AjJjBy-Verbindungsgrundkörper, ein Saphir-Grundkörper oder ein Spinell-Grundkörper verwendet werden. Vorzugsweise wird der Halbleiterkörper mit thermischen Neutronen bestrahlt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der in der Pig. 1 ein Substrat und eine Siliciumsehicht im Schnitt sowie eine Neutronenquelle und in der Pig. 2 Versuchsergebnisse in einem Diagramm dargestellt sind.
Auf einem Substrat 1 befindet sich eine Siliciumsehicht 2. Oberhalb der Siliciumsehicht 2 ist eine Neutronenquelle 3 vorgesehen. Die Neutronenquelle 3»-die beispielsweise ein Kernreaktor sein kann, befindet sich in einem Abstand von etwa 50 cm oberhalb der Oberfläche der Siliciumsehicht 2 und sendet Neutronen mit einer Energie von 0,3 eV (thermische Neutronen) aus. Die Neutronen dringen in die Siliciumsehicht 2 ein. Entsprechend der oben angegebenen Gleichung verwandeln sie das im natürlichen Silicium enthaltene :? .Si-Isotop in ein :? .Si-Isotop, wobei eine Ψ-Strahlung entsteht. Dieses zuletztgenannte Siliciumisotop ist instabil und zerfällt in Phosphor mit der Massenzahl 31. Dabei werden6 "-Teilchen abgestrahlt.
Auf diese Weise ist eine vollkommen homogene Dotierung der Siliciumsehicht 2 mit Phosphor möglich.
Es ist auch möglich, auf der Siliciumsehicht 2 eine Maskierungsschicht 6 mit einem Fenster 4 vorzusehen. Die Maskierungsschicht 6 kann eine Blechmaske aus Cadmium sein. Es ist auch möglich, für die Maskierungsschicht 6 eine Lackschicht aus Gadolinium zu verwenden, in die ein Fenster mittels der bekannten Photolack- und Ätztechnik eingebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich, lediglich den unter dem Fenster 4 vorgesehenen Bereich 5 der Halbleiterschicht 2 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu dotieren.
Für das Substrat 1 eignen sich ein ausreichend reiner Saphir oder Spinell. In derartigen Substraten entstehen bei der Akti-
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vierung während der Neutronenbestrahlung Isotope, die entweder nicht radioaktiv sind oder mit sehr kurzen Halbwertzeiten in inaktive Endprodukte übergehen. Derartige mögliche Reaktionen sind beispielsweise:
27
Al +
13		 ri - 28
~> Al
13		 28 28
+ Y- ; Al > Si +ß
0 13 2,3k 14 '
28
( Si
14		 ist stabil), oder
24
Mg +
12		 η - 25
—> Mg
12		 •τ
( Mg
12		 ist stabil).
Das Substrat 1 kann auch aus Silicium bestehen, das unter anderem insbesondere mit Antimon und/oder Arsen dotiert sein
kann. Die Dotierstoffe Arsen und Antimon werden durch thermische Neutronen von der Neutronenquelle 3 zum Teil in radioaktive Isotope überführt, die eine Halbwertszeit in der Größenordnung von einem beziehungsweise von 60 Tagen haben.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Dotierung einer AjyyBy-Yerbindungsschicht. Bei der Bestrahlung von beispielsweise Galliumarsenid oder Galliumphosphid mit thermischen Neutronen entstehen dabei zunächst instabile Radionuklide, die nach vollständigem Zerfall zum stabilen Dotierungselement führen:
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Bildungsreaktion Radionuclid Zerfalls
art		 Dotierungs Anteil a.d. 31 20 j - 93 7
des Radionuklides Ti/2 p- element Dotierung
M 		69
GaAs 69Ga (n, ^)70Ga 21 min 70Se 11 ] 32 "
P-
71Ga (n, ^)72Ga 14,1 h P- 72Se 61 >
75As (n, P76As 2657 h P- 76Se
GaP 69Ga (n, P70Ga 21 min 70Se
a —
71Ga (n, p72Ga 14,1 Ii f- 72Ss
51P (n, p32P 14,2 d ?2S
Die Beziehungen zwischen der angewandten Neutronenfluenz (= Neutronenflußdichte φ χ Bestrahlungszeit t) und der Zahl der gebildeten Atome/cm N des Dotierungselementes sind in der Pig. 2 für die Bestrahlung von GaAs (Strichlinie) und GaP (Vollinie) mit thermischen Neutronen aufgezeigt.
Hierzu soll noch ein Beispiel gegeben werdens
Ein einkristalliner GaAs-Stab soll eine η-Dotierung von 1 χ 10 Atomen/cm erhalten. Aus der Pig. 2 ergibt sich für eine Dotierung mit 1 χ 10 Atomen Ge+Se (= η-Dotierung) eine
18 2
nötige Neutronenfluenz von 5,6 χ 10 η . cm"" . Legt man eine Bestrahlung etwa im Porschungsreaktor Karlsruhe PR 2 mit einem
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1 -ζ
thermischen Neutronenfluß von 5x10n.cm de, so ergibt sich eine Bestrahlungszeit von
ρ -j·
.s zugrun
5 χ 10υ η
"1
Dies "bedeutet für die praktische Durchführung:
Ein GaAs-Stab von 2 cm Durchmesser und 6 cm Länge wird in eine SiOo-Ampulle eingeschmolzen oder in eine Aluminium-Bestrahlungskapsel eingeschweißt und im Reaktor in einer Position mit jl a 5 σ 10 η . cm" . s~ 31 h "bestrahlt .(am besten wird ein Flußstandard in der Kapsel mitbestrahlt, um den genauen Wert der Ueutronenflußdichte bestimmen zu können). Bei Bestrahlungsende weist der Stab mit einem Gewicht von 100 g eine Aktivität von
5 χ 1,97 x 48,2 χ 1,0 = 473 Oi 70Ga (T 1/2 = 20 min)
5 χ 3,73 x 48,2 χ 0,7824 = 704 Ci 72Ga (T 1/2 = 14,1 h)
5 x 11,75 χ 51,8 χ 0,5525 = 1685 Ci 76As (T 1/2 = 26,7 h) auf.
Bis zum vollständigen Zerfall des längstlebigsten Produktes (7 As) verbleibt die Probe 4 x 267 h = 1068 h = 45 Tage in der Reaktorstation in einer Abklingposition. Um die von der Bestrahlung herrührenden Kristallstörungen und Gitterdefekte zu beseitigen, muß nach der Bestrahlung eine Temperung bei 600 bis 700 0C erfolgen. An den bestrahlten Proben können dann die Ladungsträgerkonzentrationen sowie weitere elektrische Parameter bestimmt werden.
Die Bestrahlung von Al-, Ga-, Ii-, P-, As-, Sb-haltigen Halbleitermaterialien sollte zu gleichmäßiger Dotierung über
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den gesamten Kristall hinweg führen. Bei B- und In-Verbindungen beziehungsweise -Mischkristallen entstehen dabei wegen der starken Neutronenabsorption der Elemente Konzentrationsprofile mit stark abnehmender'Dotierung von der Oberfläche zum Kristallinneren, die vorteilhaft im bestimmten Bauelementen ausgenutzt werden können.
16 Patentansprüche
2 Figuren
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Claims (16)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum Dotieren einer auf einem Substrat angeordneten Halbleiterschicht mit einem Dotierstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2) mit Neutronen bestrahlt wird, so daß die Halbleiteratome der Halbleiterschicht (2) mittels einer an sich takannten Reaktion in Dotierstoffatome umgewandelt
    werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Dotieren einer Siliciumschicht mit Phosphor die Reaktion
    - 3W
    15 r
    verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Dotieren einer Aj1-I
    dungsschicht die Reaktionen
    69 . 70 ' 70
    Ga + η —» Ga —* Ge + P "~ oder
    31 31 32 '
    71 72 72 fl _
    Ga + η —^ Ga —> Ge Λ-γ oder
    31 31 32
    75 * 76 76
    As + η —> As —5> Se +
    verwendet werden.
    ΊΈΑ 9/11C/] ""Ά" ' - 9'-
    9/'110A-US §Qi8S8/0§32
    30 Si 14 + n—* 31 Si 14
    _ g ™ ■
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1S dadurch gekennzeichnet s daß zum Dotieren einer Galliumphosphidschicht die Reaktionen
    69 70 70
    Ga + η —■=5> Ga —^ Ge +
    71 72 72
    Ga + η —£> Ga ——*. Ge
    31 32 32
    verwendet werden,
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß zum Dotieren einer Germaniumschicht mit Arsen die Heaktion
    74 75 75
    Ge + η —-£> Ge —^ As + β 32 32 33
    verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 59 dadurch gekennzeichnet 9 daß thermische neutronen verwendet werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6} dadurch gekennzei chnet , daß thermische Neutronen mit einer Energie von 0,025 eV verwendet werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis I9 dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2) epitaktisch auf dem Substrat (1) abgeschieden wird.
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    - ίο -
  9. 9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein Siliciumgrundkörper verwendet wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein Saphir O^)-Grundkörper verwendet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß als Substrat (1) ein Spinell-(MgAIpO.)-Grundkörper verwendet wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Antimon und/oder Arsen dotierter Siliciumgrundkörper verwendet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 9S dadurch gekennzeichnet , daß ein mit B angereichertes Silicium als Grundkörper verwendet wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterschicht (2) eine Maskierungsschicht (3) mit mindestens einem Fenster (4) zum bereichsweisen Dotieren der Halbleiterschicht (2) aufgebracht wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Maskierungsschicht (3) eine Blechmaske aus Cadmium ist.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierungsschicht (3) eine Gadolinium-Lackschicht ist.
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    9/720/4030
    9/110/4069 809886/0532
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