DE1097038B

DE1097038B - Diffusionsverfahren zur Erzeugung von UEbergaengen an fuer Halbleiteranordnungen bestimmten Halbleiterkoerpern eines bestimmten Leitfaehigkeitstyps

Info

Publication number: DE1097038B
Application number: DEH30420A
Authority: DE
Inventors: Jon H Myer
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1956-05-01
Filing date: 1957-06-21
Publication date: 1961-01-12
Also published as: FR1179023A; US2828232A; FR1179027A; GB848226A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Diffusionsverfahren zur Erzeugung von Übergängen an für Halbleiteranordnungen bestimmten Halbleiterkörpern eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, insbesondere aus Silizium oder Germanium, bei dem die Oberfläche des Halbleiterkörpers ganz oder teilweise mit einem Aktivator in Berührung gebracht und auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß der Aktivator in flüssiger Phase in den Halbleiterkörper hineindiffundiert.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird der Aktivator mit dem Halbleiterkörper dadurch in Berührung gebracht, daß man eine den Aktivator als Element enthaltende Verbindung, beispielsweise Boroxyd, zusammen mit einem glasbildenden Stoff zur Herstellung einer Glasur auf dem Halbleiterkörper verwendet. Es ist ein Nachteil dieses Verfahrens, daß der Halbleiterkörper auf die verhältnismäßig hohe Temperatur gebracht werden muß, die zum Brennen einer Glasur nötig ist. Bei diesen Temperaturen sind selbst dann, wenn in einer inerten Atmosphäre gebrannt wird, unerwünschte Oxydationen als Folge schwer vermeidbarer Sauerstoffreste und Sauerstoffausbrüche nicht auszuschließen. Außerdem ist es schwierig, den zeitlichen Ablauf der Diffusion so zu steuern, daß die Dotierung sich auf die jeweils verlangte Tiefe erstreckt.

Bei einem anderen Verfahren der bezeichneten Art wird ein Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium in eine verflüssigte Legierung getaucht, von deren Komponenten mindestens eine einen Aktivator darstellt. Dabei besteht die Legierung insbesondere aus Lithium mit Antimon, Aluminium, Wismut, Kadmium od. dgl. Bei diesem Verfahren sind die Temperaturen verhältnismäßig niedrig. Da jedoch die Aktivatoratome ohne Bindung an andere Atome dem Halbleiterkörper gegenüberstehen, geht die Diffusion so schnell vonstatten, daß es wiederum schwer ist, die Tiefe des Bereiches, über den sich die Diffusion erstreckt, genau zu steuern. Daher fallen Halbleiteranordnungen, die nach diesem Verfahren hergestellt sind, in der Fertigung ungleichmäßig aus.

Im Gegensatz zu den vorstehend erläuterten bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß der Halbleiterkörper vor dem Anbringen der Elektrode mit einem Salz in Berührung gebracht, das einen Aktivator als eines seiner Elemente enthält, und es wird auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes und unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials und der Zersetzungstemperatur des Salzes liegt, worauf dann das überschüssige Salz von der Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, so daß die Gefahr der Oxyd-

Diffusionsverfahren zur Erzeugung
von Übergängen an für Halbleiteranordnungen bestimmten Halbleiterkörpern eines bestimmten
Leitfähigkeitstyps

Anmelder: ' ' / '
Hughes Aircraft Company,
Culver, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Jon H. Myer, Culver, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder "genannt worden

bildung auch dann, wenn man in einer von Sauerstoff nicht völlig freien Atmosphäre arbeitet, keine Oxydation des Halbleitermaterials zu befürchten braucht. Außerdem geht die Diffusion der Aktivatoratome aus dem Salz in den Halbleiterkörper langsam vonstatten.

Daher hat man es durch geeignete zeitliche Bemessung in der Hand, die Tiefe des Bereiches, über den sich die Diffusion erstreckt, genau zu steuern.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird das Salz als Schicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht und die Erhitzung in einem den Halbleiterkörper nicht beeinflussenden Stoff vorgenommen. Doch kann das Verfahren auch in der Weise gestaltet werden, daß der Halbleiterkörper nach Aufbringen einer Salzmenge auf einen Teil seiner Oberfläche so weit erhitzt wird, daß das schmelzende Salz sich weiter über die Oberfläche ausbreitet, daß der Halbleiterkörper hierauf abgekühlt und nach Einbringen in einen den Halbleiterkörper nicht beeinflussenden Stoff auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes und unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiterkörpers und der Zersetzungstemperatur des Salzes liegt.

Ein für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besonders geeignetens Salz ist wasserfreies Natriumtetraborat.

■ Sollen durch · das - Verfahren; nach" der" Erfindung p-n-Übergänge hergestellt werden, so empfiehlt es sich, im Salz ein für das Halbleitermaterial als Akzptor wirkendes Element zu verwenden. Handelt es

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sich dagegen um die Herstellung von Übergängen zwischen Zonen gleichen Leitfähigkeitstyps, so empfiehlt es sich, einen Halbleiterkörper aus p-Halbleitermaterial und im Salz ein als Akzeptor wirkendes Element zu verwenden.

Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein gemäß der Erfindung zu behandelndes Halbleiterplättchen,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform im Schnitt durch einen mit Salz gefüllten Tiegel, in das das Plättchen eingebettet ist, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Tiegel mit dem Plättchen nach Diffusion,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform,

Fig. S einen Querschnitt durch das Plättchen, nachdem es aus dem Tiegel nach Fig. 4 herausgenommen worden ist,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Tiegel mit dem Plättchen nach Fig. 5 während einer weiteren Stufe des Verfahrens,

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform im Schnitt durch ein Plättchen nach Fig. 1 zur Veranschaulichung des ersten Verfahrensschrittes,

Fig. 8 einen der Fig. 7 entsprechenden Schnitt während des zweiten Verfahrensschrittes,

Fig. 9 einen dritten Verfahrensschritt und

Fig. 10 einen Schnitt durch das Plättchen im Endzustand nach dem Ätzen.

Das Kristallplättchen 11 nach Fig. 1 kann entweder aus Germanium oder Silizium bestehen und entweder n- oder p-Leitfähigkeit haben. Einfachheitshalber sei für das folgende angenommen, daß das Plättchen 11 aus Silizium besteht und η-Leitfähigkeit hat.

Bei der ersten Aus f uhr ungs form des Verfahrens wird das Plättchen in Salz 12 eingebettet, das sich gemäß Fig. 2 in einem Tiegel 13 befindet. Das Salz wird in wasserfreier Form verwendet. Hierauf wird der Tiegel 13 mit einem Deckel 14 verschlossen und auf eine Temperatur gebracht, die oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes, jedoch unterhalb seiner Zersetzungstemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des Siliziums liegt. Als Salz kann wasserfreies Natriumtetraborat Verwendung finden. Wenn das Salz schmilzt, sinkt das Plättchen 11 langsam zu Boden und befindet sich schließlich in der Stellung nach Fig. 3. Während der Wärmeeinwirkung suchen Boratome aus dem Natriumtetraborat in den Kristallkörper des Plättchens 11 hineinzudiffundieren und schaffen darin einen aktivierten p-B ereich längs der Außenfläche des Plättchens. Dieser Bereich ist in Fig. 3 mit 15 bezeichnet. Nachdem der Diffusionsprozeß, der sich mit unten noch anzugebenden zusätzlichen Maßnahmen gut steuern läßt, beendet ist, wird das Plättchen aus dem Tiegel genommen und nach irgendeiner bekannten Methode geätzt. Schließlich werden die Enden des Plättchens parallel zu den Schmalseiten abgespalten, so daß eine p-n-p-Halbleiteranordnung entsteht, die als Transistor verwendbar ist.

Bei dem weiter ausgebildeten Verfahren nach Fig. 4 wird das Plättchen 11 mit Hilfe einer Pinzette 18 in einen Tiegel 17 gelegt, der wiederum mit einem wasserfreien, einen Akzeptor enthaltenden und bereits geschmolzenem Salz gefüllt ist. Das Plättchen 11 bleibt dabei nur so lange im Tiegel, wie nötig ist, daß sich aus dem Salz ein Überzug 21 bildet, wie er in Fig. 5 schematisch angedeutet ist. Hat der Überzug die gewünschte Dicke, so wird das Plättchen 11 aus der Salzschmelze entfernt und gemäß Fig. 6 in einen Tiegel 22 gelegt, der mit einem inerten Stoff, beispielsweise Kohlenstaub, gefüllt ist. Der Tiegel wird mit einem Deckel 23 verschlossen und auf eine Temperatur gebracht, die oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes und unterhalb des Schmelzpunktes des Plättchens sowie unterhalb der Zersetzungstemperatur des Salzes liegt. Diese Weiterbildung des Verfahrens hat den Vorteil, daß sich der ganze Prozeß besonders leicht steuern und überwachen läßt. Im Tiegel 22

ίο findet die Diffusion statt, und es entsteht dadurch im Plättchen 11 ein p-Bereich und damit ein p-n-Übergang.

Bei einer anderen Weiterbildung des Verfahrens nach Fig. 7 bis 10 findet wiederum "als Ausgangskörper ein Kristallplättchen 11 mit n-Leitfähigkeit Verwendung, an dem ein p-Bereich unter Verwendung eines Borsalzes hergestellt werden soll, jedoch auf etwas andere Weise als in Fig. 1 bis 6. Aus dem Salz, das Bor als Aktivator enthält, wird eine Perle 25 ge-

ao schmolzen und auf des Plättchen 11 gelegt. Das ganze wird hierauf in eine inerte Gasatmosphäre gebracht, die der Bildung einer Oxydschicht auf der Oberfläche des Plättchens 11 entgegenwirkt, und dann erhitzt, bis das Salz zu fließen beginnt, wie in Fig. 8 bei 26 veranschaulicht ist.

Das Gebilde nach Fig. 8 wird sodann in einen Tiegel 30 gemäß Fig. 9 gelegt, der mit inertem Pulver 31, beispielsweise Kohlenstaub, gefüllt ist. Der Tiegel 30 wird durch einen Deckel 32 geschlossen und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes und unterhalb des Schmelzpunktes des Plättchens 11 und der Zersetzungstemperatur des Salzes gebracht. Das geschmolzene Salz fließt dann über die Außenfläche des Kristalls 11 und nimmt dadurch die in Fig. 9 mit 33 bezeichnete Gestalt an. Bei weiterer Einwirkung von Wärme diffundieren Boratome aus dem wasserfreien Bornatriumsalz in das Plättchen 11 und erzeugen so einen durch einen Akzeptor dotierten Bereich 34 von p-Leitfähigkeit. Nach Beendigung der Diffusion läßt man den Tiegel abkühlen, worauf das. Plättchen 11 herausgenommen werden kann. Das bei 33 noch befindliche Salz auf der Fläche des Plättchens 11 kann dann in geeigneter Weise, etwa durch Ätzen, entfernt werden.

Das Verfahren ist hier im einzelnen für ein Kristallplättchen aus Silizium von η-Leitfähigkeit als Ausgangskörper unter Verwendung von wasserfreiem Natriumtetraborat als Akzeptorlieferant beschrieben worden. Doch kann das Plättchen auch aus Germanium bestehen. Überdies kann der Ausgangskörper auch p-Leitfähigkeit aufweisen.

Statt des vorerwähnten Natrium-Tetraboratsalzes kann auch ein Salz Verwendung finden, das einen Donator enthält, beispielsweise Antimontrioxyd, um einen η-Bereich an einem Ausgangskristall zu schaffen, der entweder p- oder η-Leitfähigkeit hat.

Es ist weiterhin möglich, mit dem aktiven Salz ein inertes Salz oder mehrere inerte Salze zu vermischen, so daß die Konzentration des Aktivators in der Salzmasse herabgesetzt wird. Dadurch läßt sich der Diffusionsprozeß leichter beherrschen.

Salze, die als Element einen Akzeptor enthalten und bei dem Verfahren nach der Erfindung mit Erfolg angewendet werden können, sind unter anderem Natriumtetraborat, das bei 741° C schmilzt, sich bei 1575° C zersetzt und geeignet ist, den von ihm beeinflußten Bereich p-leitend zu machen, ferner Natriumpyrophosphat mit einem Schmelzpunkt von 880° C zur Umwandlung in den n-Leitungstyp. Um einen Bereich η-leitend zu machen, kann ferner Antimontrioxyd ver-

wendet werden, das bei 656° C schmilzt und bei 550° C siedet. Andere brauchbare Salze sind:

Indiumfluorid (InF₃), Schmelzpunkt 1170° C,
Indiumsulfid (In₂S₃), Schmelzpunkt 1050° C,
Aluminiumfluorid (Al F₃), Schmelzpunkt 1040° C, Aluminiumsulfid (Al₂S₃), Schmelzpunkt 1100° C, Galliumselenid (Ga₂Se₃), Schmelzpunkt 1020⁰C, Galliumsulfid (Ga₂S₃), Schmelzpunkt 1255° C.

Es ist unter Umständen empfehlenswert, das Salz vorher mit Silizium zu sättigen, wenn der zu behandelnde Kristall aus Silizium besteht, um die Möglichkeit auszuschließen, daß das Silizium von dem Salz vollständig aufgelöst wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Diffusionsverfahren zur Erzeugung von Übergängen an für Halbleiteranordnungen bestimmten Halbleiterkörpern eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, insbesondere aus Silizium oder Germanium, bei dem die Oberfläche des Halbleiterkörpers ganz oder teilweise mit einem Aktivator in Berührung gebracht und auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß der Aktivator in flüssiger Phase in den Halbleiterkörper hineindiffundiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vor dem Anbringen der Elektrode mit einem Salz in Berührung gebracht wird, das einen Aktivator als eines seiner Elemente enthält, daß auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes und unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials und der Zersetzungstemperatur des Salzes liegt, und daß dann das überschüssige Salz von der Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernt wird.

2. Diffusionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz als Schicht auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird und daß die Erhitzung in einem den Halbleiterkörper nicht beeinflussenden Stoff vorgenommen wird.

3. Diffusionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nach Aufbringen einer Salzmenge auf einen Teil seiner Oberfläche so weit erhitzt wird, daß das schmelzende Salz sich weiter über die Oberfläche ausbreitet, daß der Halbleiterkörper hierauf abgekühlt und nach Einbringen in einen den Halbleiterkörper nicht beeinflussenden Stoff auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb des Schmelzpunktes des Salzes und unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiterkörpers und der Zersetzungstemperatur des Salzes liegt.

4. Diffusionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Salz wasserfreies Natriumtetraborat verwendet wird.

5. Diffusionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß p-n-Übergänge hergestellt werden und daß im Salz ein für das Halbleitermaterial als Akzeptor wirkendes Element verwendet wird.

6. Diffusionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übergang zwischen Zonen gleichen Leitfähigkeitstyps hergestellt und ein Halbleiterkörper aus p-Halbleitermaterial verwendet wird und daß im Salz ein als Akzeptor wirkendes Element verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung W 4642 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 30. 8. 1951);

USA.-Patentschriften Nr. 2 725 316, 2 788 300, 794 846.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen