DE1040697B - Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkoerpern - Google Patents

Description

• Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern zwecks Änderung der Leitfähigkeit bzw. des Leitungstyps eines Oberflächenbereichs mit Hilfe eines Legierungsvorgangs und unter Verwendung einer dampfförmigen Dotierungssubstanz und besteht darin, daß der Halbleiterkörper an der Kontaktierungsstelle mit einer Auflage eines mit ihm legierenden Materials versehen wird und in einem Raum, der von einer dampfförmigen, vom Legierungsmaterial verschiedenen Dotierungssubstanz erfüllt ist, bis über den Schmelzpunkt des Legierungseutektikums zwischen Halbleiter und Auflage- bzw. Legierungsmaterial erhitzt wird, so daß dampfförmige Dotierungssubstanz in der Legierungsschmelze gelöst und beim allmählichen Abkühlen infolge Rekristallisation wieder ausgeschieden wird.
• Es ist bereits das Bedampfen von Halbleiterkörpern mit einem Aktivatormaterial bei Legierungstemperaturen über der Eutektikumstemperatur ebenso wie die Dampfdiffusion in einem Halbleiterkörper bekannt. Diese Verfahren sind aber nicht bei allen Legierungsmaterialien bequem anwendbar.
• Bekanntlich ist Aluminium gut geeignet, um Germanium oder Silizium in p-Richtung zu dotieren und zugleich zu kontaktieren, d. h. einen lötbaren Anschlußkontakt zu schaffen. Zur Dotierung in n-Richtung fehlt es an einem gleich geeigneten Stoff, da es in der V. Gruppe kein passendes, leicht legierendes Metall gibt. Man hilft sich daher mit einem Trägermetall, wie Gold, welches noch den weiteren Vorteil hat, daß es beim Nachätzen nicht angegriffen wird. Aus diesem Grunde kann unter Umständen auch seine Verwendung als Träger für Aluminium oder einen anderen in p-Richtung dotierenden Stoff vorteilhaft sein. Mit der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe, einen Halbleiter durch Legierungsbildung mit einem Trägermetall, das eine Dotierungssubstanz enthält, sowohl zu dotieren als auch zu kontaktieren, ein neuer Weg beschritten, der verhältnismäßig einfach ist und vergleichsweise kurze Zeit beansprucht, wobei noch Schwierigkeiten umgangen werden, die manche Stoffzusammensetzungen bei anderer Behandlungsweise zeigen, z. B. die Sprödigkeit von antimonhaltigem Gold oder Silber, welche die Herstellung von Folien erschwert, oder der hohe Dampfdruck von Phosphor, welcher das Aufdampfen von phosphorhaltigem Gold verhindert.
• Im einzelnen kann das neue Verfahren beispielsweise wie folgt durchgeführt werden: Das Trägermetall, z. B. Gold oder Silber, wird zunächst ohne Zusatz einer Dotierungssubstanz nach einem beliebigen bekannten Verfahren auf den Halbleiter als Belag aufgebracht. Der Halbleiter sei eine 0,2 bis 0,3 mm starke Scheibe aus hochgereinigtem Material mit einem Durchmesser von 15 mm. Es genügt beispielsweise eine lose Auflage des Trägermetalls in Gestalt einer vorzugsweise 30 bis 60 1. starken Folie von 12 mm Durchmesser, welche mit einer darübergelegten Graphitplatte unter leichtem mechanischem Druck z. B. mittels einer Metallklammer oder mittels eines Gewichtes in konzentrischer Lage zu der Halbleiterscheibe festgehalten werden kann. Dann wird der mit dem Belag versehene Halbleiter in einem Raum, welcher mit einer in der Dampfphase befindlichen Dotierungssubstanz gefüllt ist, so weit erhitzt, daß das Trägermetall schmilzt und mit dem Halbleiter legiert.
• An Hand der Fig. 1 bis 3 soll das neue Verfahren näher erläutert werden. Die Fig. 1 und 2 zeigen in verschiedenen Ansichten eine Halbleiterscheibe 2, welche von einem nach bekanntem Verfahren gewonnenen einkristallinen Siliziumstab abgesägt sein kann und einen spezifischen Widerstand im Bereich von 30 bis 100 Ohm cm sowie beispielsweise p-Leitfähigkeit aufweisen möge. Die Scheibe 2 ist mit einer Goldauflage in Gestalt einer Folie 7 versehen, welche ihrerseits durch eine Graphitplatte 8 abgedeckt ist. Das Ganze wird durch eine in Fig.3 perspektivisch dargestellte Molybdändrahtklammer 9 zusammengehalten und ist mit einer aus dem Dotierungsstoff, und zwar in dem vorliegenden Fall beispielsweise aus einer Donatorsubstanz, z. B. Phosphor, bestehenden Pille 4 zusammen in eine Quarzampulle 3 eingeschlossen. Die Ampulle wird nach dem Einbringen der genannten Teile vorteilhaft evakuiert und dann zugeschmolzen. Sie kann aber auch mit einem Gas gefüllt werden, mit dein sich dann später der Dampf des Dotierungsstoffes vermengt. Ein geeignetes Gas, das an dem Diffusionsvorgang nicht teilnimmt, ist beispielsweise Argon. Es kann auch ein Gas verwendet «erden, mit welchem der Dampf des Dotierungsstofffes eine gasförmige Verbindung eingeht. Die Ampulle kann auch von vornherein mit einer solchen gasförmigen Verbindung des Dotierungsstoffes oder mit einem Dotierungsstoff. der selbst gasförmig ist, z. B. mit Stickstoff. gefüllt werden. Eine besondere Dotierungspille ist dann nicht erforderlich.
• Die verschlossene Ampulle wird dann in waagerechter Lage in einen elektrisch beheizten Ofen 5 eingesetzt. der ebenso wie sein Verschluß 6 in Fig. 1 nur schematisch angedeutet ist. Die im wesentlichen kreisförmige Siliziumscheibe 2 befindet sich an dem einen und die Dotierungspille 4, falls eine solche vorhanden ist. am anderen Ende der Ampulle 3. Der Ofen wird dann innerhalb von 30 bis 60 Minuten bis auf eine Temperatur von etwa 800° C aufgeheizt, so daß die Goldfolie 7 schmilzt und mit dem benachbarten Teil der Siliziumscheibe 2 in dem durch die Temperatur gegebenen Verhältnis legiert. Dabei löst sich ein Teil der dampfförmigen Dotierungssubstanz in der Legierungsschmelze und gelangt dadurch in den Halbleiter bis zur Grenze festflüssig hinein. Im Anschluß hieran läßt man die Ampulle nebst Inhalt langsam während einer Zeit von 4 bis 5 Stunden gleichmäßig erkalten. Beim Erkalten rekristallisiert zunächst eine gewisse, über das eutektische Verhältnis hinaus aufgeschmolzene Menge des Halbleiterstoffes, so daß die Legierungsgrenze zurückweicht. Bei dieser Rekristallisation des Halbleiters wird aber ein Teil des Dotierungsstoffes in den rekristallisierenden Bereich mit eingebaut und verbleibt somit vor der endgültigen Front der im eutektischen Verhältnis erstarrten Legierung.
• Zur Kontaktierung von Germanium ist die Endtemperatur der Erhitzung niedriger zu wählen. Sie soll etwa 670° C betragen.
• Zur Kontaktierung und teilweisen Umdotierung einer ii-leitenden Halbleiterscheibe sind besonders die Verbindungen Bortrichlorid und Aluminiumchlorid, welche Elemente der 111. Gruppe des Periodischen Systems enthalten, als Dotierungssubstanzen geeignet. Bortrichlorid verdampft sehr leicht, da sein Siedepunkt bei 13° C liegt. Aluminiumchlorid ist etwa von 200° C ah flüchtig.
• Eine Legierungsbildung mit dem undotierten Trägermetall kann auch als besonderer Verfahrensschritt der Behandlung im Dampf des Dotierungsstoffes vorausgehen. Diese Vorbehandlung wird vorteilhaft mit geringerer Temperatur vorgenommen. lediglich zu dem Zweck einer innigen Vereinigung von Halbleiter und Trägermetall. Bei dem nachfolgenden Schritt wird dann die Legierung noch einmal aufgeschmolzen und unter Anwendung einer höheren Temperatur das gewünschte Ergebnis herbeigeführt. wie oben geschildert.
• Das Verfahren eignet sich sowohl zur Höherdotierung bei gleichbleibendem Leitungstyp als auch zur Umdotierung von Halbleiterbereichen zwecks Schaffung von p-n-Übergängen.
• Die nicht an der Legierungsbildung beteiligten Oberflächenbereiche des Halbleiters werden von dein beschriebenen Behandlungsverfahren wegen der verhältnismäßig niedrigen Erhitzungstemperatur so gut wie gar nicht verändert. Eine hauchdünne Schicht, welche nach der Behandlung in der erwähnten Gasatmosphäre etwa eine unerwünschte Dotierung aufweisen sollte, kann z. B. durch kurzzeitige Atzung leicht entfernt werden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Dotierung von Halbleiterkörpern zwecks Änderung der Leitfähigkeit bzw. des Leitungstyps eines Oberflächenbereichs mit Hilfe eines Legierungsvorgangs und unter Verwendung einer dampfförmigenDotierungssubstanz. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an der Kontaktierungsstelle mit einer Auflage eines mit ihm legierenden Materials versehen wird und in einem Raum, der von einer dampfförmigen. vom Legierungsmaterial verschiedenen Dotierungssubstanz erfüllt ist, bis über den Schmelzpunkt des Legierungseutektikums zwischen Halbleiter und Auflage- bzw. Legierungsmaterial erhitzt wird, so daß dampfförmige Dotierungssubstanz in der Legierungsschmelze gelöst und beim allmählichen Abkühlen infolge Rekristallisation wieder ausgeschieden wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Auflage- bzw. Legierungsmaterial in den Halbleiterkörper einlegiert und dann in einem getrennten Vorgang mit nochmaliger Aufschmelzung der Legierung die Dampfdotierung durchgeführt wird. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschriften Nr. 840418, 885756; USA.-Patentschrift Nr. 2 695 852; österreichische Patentschrift Nr. 177 475: Proc. IRE, Bd. 40 (November 1952), S. 13-11;1342.