DE1151881B

DE1151881B - Method for manufacturing directional conductors, transistors and Like. With a single crystal semiconductor body

Info

Publication number: DE1151881B
Application number: DES40067A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Reimer Emeis
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-07-17
Filing date: 1954-07-17
Publication date: 1963-07-25

Description

Verfahren zum Herstellen von Richtleitern, Transistoren u. dgl. mit einem einkristallinen Halbleiterkörper Zum Umwandeln des Leitungstyps eines Teiles eines Halbleiterkörpers zwecks Herstellen eines p-n-Überganges wird an einer oder mehreren Stellen auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers von gegebenem Leitungstyp ein Dotierungsstoff, welcher geeignet ist, den entgegengesetzten Leitungstyp zu erzeugen, durch Legieren bzw. Diffusion derart eingebracht, daß er bis zu einer begrenzten Tiefe vordringt. Das kann entweder dadurch geschehen, daß der Dotierungsstoff als fester Körper, z. B. als Scheibe oder als Pille, oder als Pulverschicht, z. B: in Form einer aufgestrichenen Paste, auf den Halbleiterkörper aufgebracht und durch Erhitzen, beispielsweise in einem Ofen, aufgeschmolzen wird. Es ist auch bekannt, stellenweise auf den Halbleiterkörper eine Schicht des Dotierungsstoffes aufzudampfen. Dabei schlägt sich der erzeugte Dampf auf dem kalten bzw.. gering vorgeheizten Halbleiterkörper nieder. Die Diffusion bzw. das Legieren erfolgt ebenfalls durch nachträgliches Erhitzen, beispielsweise in einem Ofen. Diese bekannten Verfahren erfordern also zum Aufbringen und zum Umwandeln des Leitungstyps meist zwei verschiedene Behandlungsvorgänge. Außerdem entsteht hierbei in der Regel eine Schicht von verändertem Leitungstyp nur auf einer der beiden Seiten des scheibenförmigen Halbleiterkörpers. Schließlich lassen sich die Grenzen der veränderten Flächenbereiche und die Eindringtiefe der Veränderung schwer im voraus festlegen. Die Tiefe der Veränderung ist meist ungleichmäßig; sogar innerhalb eines Flächenbereiches reicht die Veränderung in der Mitte gewöhnlich tiefer als am Rande. Diese Nachteile der bekannten Verfahren können mit der Erfindung vermieden werden.Method for producing directional conductors, transistors and the like with a single crystal semiconductor body for converting the conductivity type of a part of a semiconductor body for the purpose of producing a p-n junction is at an or several locations on the surface of the semiconductor body of a given conductivity type a dopant which is capable of having the opposite conductivity type generate, introduced by alloying or diffusion in such a way that it is up to one penetrates limited depth. This can either be done by adding the dopant as a solid body, e.g. B. as a disc or as a pill, or as a powder layer, z. B: in the form of a spread paste, applied to the semiconductor body and is melted by heating, for example in an oven. It is also known to vaporize a layer of the dopant in places on the semiconductor body. The generated steam hits the cold or slightly preheated semiconductor body low. Diffusion or alloying also takes place through subsequent heating, for example in an oven. These known methods therefore require application and to convert the type of conduction usually two different treatments. In addition, a layer with a different conductivity type is usually created only on one of the two sides of the disk-shaped semiconductor body. In the end the limits of the changed surface areas and the depth of penetration of the It is difficult to determine change in advance. The depth of change is mostly uneven; even within an area, the change in the middle is usually sufficient deeper than on the edge. These disadvantages of the known methods can be overcome with the invention be avoided.

Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Richtleitern, Transistoren u. dgl. mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, bei dem ein Übergang durch Wärmebehandlung einer Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers mit einer Dotierungssubstanz geschaffen wird. Erfindungsgemäß wird der Halbleiterkörper in eine erhitzte Lösung des Dotierungsstoffes in einem von dem betreffenden Halbleiterstoff verschiedenen, jedoch weder mit diesem reagierenden oder legierenden noch die Änderung des Leitfähigkeitstyps beeinträchtigenden Lösungsmittel mindestens bis zum Benetzen seiner unteren Fläche eingetaucht.Accordingly, the invention relates to a method for producing directional conductors, Transistors and the like with a monocrystalline semiconductor body in which a transition by heat treatment of a surface layer of the semiconductor body with a dopant is created. According to the invention, the semiconductor body is placed in a heated solution of the dopant in a different from the semiconductor in question, however neither with this reacting or alloying nor the change of the conductivity type interfering solvent at least until it wets its lower surface immersed.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen festen Germaniumkörper von dem einen Leitfähigkeitstyp in eine Schmelze aus einer Mischung von zwei Stoffen zu tauchen, die Germanium zusammen mit einer aktivierenden Verunreinigung vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält, die eine Schmelztemperatur beträchtlich unter derjenigen des festen Germaniumkörpers besitzt und mit Germanium gesättigt ist. Hierbei wird also als Lösungsmittel der betreffende Halbleiterstoff selbst, nämlich Germanium, verwendet.A solid body of germanium has already been proposed of one conductivity type in a melt consisting of a mixture of two substances to dive, the germanium along with an activating impurity from the opposite Contains conductivity type that has a melting temperature considerably below that of the solid germanium body and is saturated with germanium. Here is i.e. the relevant semiconductor substance itself as solvent, namely germanium, used.

An Hand der Zeichnung sollen das neue Verfahren. und weitere Verbesserungen näher erläutert werden. Gemäß Fig. 1 ist eine Siliziumscheibe 2, welche beispielsweise von einem mittels des bekannten tiegelfreien, senkrechten Zonenschmelzverfahrens gewonnenen einkristallinen, eigen-, überschuß- oder mangelleitenden Siliziumstab abgesägt sein kann, in eine Lösung 3 eines Dotierungsstoffes in einem Zusatzstoff eingetaucht. Für den angenommenen Fall der Mangelleitung des Siliziums der Scheibe 2 seien als geeignete Dotierungsstoffe Donatorsubstanzen, wie Antimon, Phosphor, Arsen, genannt. Als Lösungsmittel kann z. B. flüssiges Blei verwendet werden, das mit dem Halbleiter nicht reagiert. Der Anteil des Bleies an der Lösung kann beispielsweise 50% und darüber betragen. Durch das Blei wird die flüssige Dotierungssubstanz gewissermaßen verdünnt, so daß sie sich nicht in Tropfenform auf der Scheibe 2 absetzen kann, sondern gleichmäßig in deren Oberfläche eindiffundiert. Die Verdünnung spielt mithin eine ähnliche Rolle wie die Verdampfung der Dotierungssubstanz nach einem früheren Vorschlag. Als weitere zur Verdünnung geeignete Stoffe seien unter anderem Kadmium und Quecksilber genannt. Das Dotierungsbad kann auch mehrere derartige Verdünnungsstoffe enthalten. Auch eine Salzschmelze, z. B. von Phosphorpentoxyd, kann als Verdünnungsfiüssigkeit verwendet werden. Die Lösung 3 befindet sich in einem Gefäß 4, z. B. aus Quarz, das in einen elektrisch beheizten Ofen 5 eingesetzt ist. Durch die eine längliche Einschnürung aufweisende Form des Gefäßes 4 wird erreicht, daß die Scheibe 2 in der gestrichelt angedeuteten, um 90° gedrehten Stellung ein- und ausgebracht werden kann. Das Gefäß 4 kann senkrecht zur Papierebene langgestreckt sein, so daß eine größere Anzahl Scheiben hintereinander eingesetzt und alle gleichzeitig behandelt werden können. Das Einsatzgut wird im Ofen einer Temperatur von beispielsweise 1000 bis 1300° C bei Silizium bzw. 700 bis 800° C bei Germanium während einer Zeit von 1/z bis 6 Stunden und darüber ausgesetzt, je nach der gewünschten Eindringtiefe. Der Ofen kann dabei mit einem neutralen Gas wie z. B. Argon gefüllt sein oder von einem solchen durchströmt werden, die Behandlung kann aber auch in einem Vakuumbehälter erfolgen.The new process should be based on the drawing. and other improvements are explained in more detail. According to Fig. 1 is a silicon wafer 2, which for example by means of the well-known crucible-free, vertical zone melting process obtained monocrystalline, intrinsic, excess or deficient conductive silicon rod can be sawn off into a solution 3 of a dopant in an additive immersed. For the assumed case of the silicon deficiency in the disk 2 Donor substances such as antimony, phosphorus, Called arsenic. As a solvent, for. B. liquid lead can be used, the does not react with the semiconductor. The proportion of lead in the solution can, for example 50% and above. The lead becomes the liquid dopant, so to speak diluted so that it cannot settle in the form of drops on the disc 2, but diffused evenly into their surface. The dilution therefore plays a role a role similar to that of the dopant's evaporation after an earlier one Proposal. Other substances suitable for dilution include cadmium and called mercury. The doping bath can also contain several such diluents contain. A molten salt, e.g. B. of phosphorus pentoxide, can be used as a diluent used will. The solution 3 is in a vessel 4, for. B. made of quartz, which is in a electrically heated furnace 5 is used. By an elongated constriction having the shape of the vessel 4 is achieved that the disc 2 in the dashed line indicated, 90 ° rotated position can be brought in and out. The container 4 can be elongated perpendicular to the plane of the paper, so that a larger number Discs inserted one behind the other and all can be treated at the same time. The charge is placed in the oven at a temperature of, for example, 1000 to 1300 ° C for silicon or 700 to 800 ° C for germanium for a time of 1 / z to 6 Hours and more exposed depending on the depth of penetration desired. The oven can with a neutral gas such. B. argon filled or such be flowed through, but the treatment can also take place in a vacuum container.

Als weitere Dotierungsstoffe seien beispielsweise Bor, Indium, Gallium, Aluminium genannt, mit welchen z. B. auf n-leitendem Silizium bzw. Germanium eine p-leitende Oberflächenschicht auf die beschriebene Weise, nämlich durch Verdünnung mit den obengenannten oder anderen geeigneten Zusatzstoffen und Eintauchen des Halbleiters in eine solche Lösung bei gleichzeitiger Erhitzung, geschaffen werden kann.Other dopants include boron, indium, gallium, Called aluminum, with which z. B. on n-conductive silicon or germanium a p-type surface layer in the manner described, namely by thinning with the above or other suitable additives and dipping the semiconductor in such a solution with simultaneous heating, can be created.

Der nach dem beschriebenen Verfahren behandelte Halbleiterkörper besteht hinterher aus einem Kern vom ursprünglichen Leitungstyp und einer einem anderen, beispielsweise den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisenden Hülle. Zwischen Kern und Hülle befindet sich im Falle eines entgegengesetzten Leitungstyps ein pn-Übergang.The semiconductor body treated according to the method described consists afterwards from a core of the original conduction type and another one, for example, the opposite conductivity type having sheath. Between core and sheath there is a pn junction in the case of an opposite conductivity type.

Ein derartiger scheibenförmiger Halbleiterkörper ist in den Fig. 2 bis 4 in vergrößertem Maßstabe als Beispiel dargestellt. Der pn-t7bergang ist jeweils durch eine dünne ausgezogene Linie angedeutet, beiderseits welcher die Bezeichnungen n und p eingetragen sind. Ein solcher Halbleiterkörper wird vorteilhaft in der Weise weiterbehandelt, daß durch nachträgliche teilweise Entfernung der Oberflächenschicht der entgegengesetzten Leitungstyp aufweisende Kern an einer oder mehreren Stellen freigelegt wird. So kann beispielsweise der Rand der Siliziumscheibe ringsherum bis zu der in Fig. 3 eingezeichneten gestrichelten Kreislinie durch Atzen oder Schleifen entfernt werden. Beträgt die Fläche der Siliziumscheibe ein Mehrfaches der Fläche der fertigen Gleichrichter bzw. Transistoren, so wird z. B. gemäß Fig. 2 die Scheibe hinterher durch senkrechte Schnitte, die durch gestrichelte Linien a, b angedeutet sind, in mehrere Teile 7, S zerlegt, wobei der Rand ohne weiteres zum Abfall gehört. Die vorerwähnten Arbeitsvorgänge sind unter Umständen auch bei den bekannten Verfahren erforderlich. Sie stellen also keinen zusätzlichen, durch das neue Verfahren bedingten Aufwand dar.Such a disk-shaped semiconductor body is shown in FIGS. 2 to 4 on an enlarged scale as an example. The pn-t7 transition is indicated in each case by a thin solid line, on both sides of which the designations n and p are entered. Such a semiconductor body is advantageously further treated in such a way that the core having the opposite conductivity type is exposed at one or more locations by subsequent partial removal of the surface layer. For example, the edge of the silicon wafer all around up to the dashed circular line drawn in FIG. 3 can be removed by etching or grinding. If the area of the silicon wafer is a multiple of the area of the finished rectifier or transistors, z. B. according to FIG. 2, the disk afterwards by vertical cuts, which are indicated by dashed lines a, b , broken down into several parts 7, S, the edge easily belonging to the waste. The aforementioned operations may also be required in the known methods. So they do not represent any additional effort caused by the new procedure.

Bei genügend großer Scheibendicke kann der Halbleiterkörper auch, wie in Fig. 4 beispielsweise durch eine gestrichelte senkrechte Linie angedeutet ist, so zerschnitten werden, daß sein Kern teilweise freigelegt wird. Einen der beiden so erhaltenen Teile zeigt Fig.5.With a sufficiently large wafer thickness, the semiconductor body can also as indicated in FIG. 4, for example, by a dashed vertical line is to be cut so that its core is partially exposed. One of the 5 shows the two parts obtained in this way.

Wird vor oder nach der Ausführung des in Fig. 4 dargestellten Parallelschnittes der Rand mit mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt, wie früher erwähnt und in Fig. 3 und 4 durch weitere gestrichelte Linien angedeutet, so entsteht die in Fig. 6 abgebildete Form des Halbleiterkörpers. Die beiden Formen gemäß Fig. 5 und 6 können beiderseits in an sich bekannter Weise kontaktiert und als Gleichrichter verwendet werden.Is before or after the execution of the parallel cut shown in FIG the edge removed by mechanical or chemical means, as mentioned earlier and indicated by further dashed lines in FIGS. 3 and 4, the result in FIG 6 shows the shape of the semiconductor body. The two forms according to FIG. 5 and 6 can be contacted on both sides in a manner known per se and as a rectifier be used.

Unterbleibt bei einem Halbleiterkörper ähnlich demjenigen nach Fig. 3 und 4, jedoch vorteilhaft mit geringerer Gesamtdicke, nach dem Abschleifen des Randes eine weitere Zerlegung, so hat er die in Fig. 7 dargestellte Form. Er kann dann zu einem Transistor weiterverarbeitet werden, indem je eine Kontaktelektrode auf den beiden Seitenflächen angebracht wird, von denen die eine die Kollektorelektrode und die andere die Emitterelektrode bildet, und eine Basiselektrode am Rande dort, wo der Kern zu Tage tritt. Die Anbringung einer solchen Basiselektrode ist aber wegen der geringen Breite dieses Umfangsstreifens verhältnismäßig schwierig. Es empfiehlt sich daher, zunächst durch Entfernung weiterer Teile der umgewandelten Oberflächenschicht etwa wie in Fig. 7 durch gestrichelte Linien angedeutet, den Kern des Halbleiterkörpers zum Teil an mehreren Seiten für die Anbringung der Basiselektrode freizulegen.In the case of a semiconductor body similar to that according to FIG. 3 and 4, but advantageously with a smaller overall thickness, after grinding the If the edge is broken down further, it has the form shown in FIG. 7. He can then further processed into a transistor by adding a contact electrode is attached to the two side surfaces, one of which is the collector electrode and the other forms the emitter electrode, and a base electrode on the edge there, where the core comes to light. The attachment of such a base electrode is, however relatively difficult because of the narrow width of this peripheral strip. It It is therefore advisable to first remove further parts of the converted Surface layer as indicated by dashed lines in FIG. 7, the Core of the semiconductor body partly on several sides for attaching the base electrode to expose.

Eine bequemere Möglichkeit zu einer weiteren Freilegung des Kernes mit Hilfe einer an sich bekannten Schleifvorrichtung, mit welcher ebene Schliffe hergestellt werden können, veranschaulichen die folgenden Figuren. Nach den Fig. 8 und 9 ist der scheibenförmige Halbleiterkörper an seinem unteren Rande verdickt. Nach der Tauchbehandlung wird zunächst der Rand ringsherum entfernt. Anschließend werden die Vorsprünge auf beiden Seiten weggeschliffen, so daß beide Seitenflächen völlig eben sind. In Fig.9 ist dies durch gestrichelte Linien angegeben. Von der nunmehr vorhandenen Zylinderscheibe haben gemäß Fig. 10 und 11 nur die oberen Teile der beiden Seitenflächen noch eine Schicht von verändertem Leitungstyp. Hier werden die Kontaktelektroden 11 und 12 mit den daran befestigten Anschlußdrähten angebracht. Für die Anbringung der Basiselektrode 10 steht hier der untere Teil der Scheibe 9 zur Verfügung, wo der Kern an drei Seiten freigelegt ist. Die Basiselektrode 10 kann infolgedessen, wie dargestellt, so angebracht werden, daß sie diesen freigelegten Teil des Kernes umklammert. Diese Kontaktierung ist verhältnismäßig bequem durchführbar.The following figures illustrate a more convenient way of further exposing the core with the aid of a grinding device known per se, with which flat cuts can be made. According to FIGS. 8 and 9, the disk-shaped semiconductor body is thickened at its lower edge. After the immersion treatment, the edge around it is first removed. Then the projections are ground away on both sides so that both side surfaces are completely flat. In Figure 9 this is indicated by dashed lines. According to FIGS. 10 and 11, only the upper parts of the two side surfaces of the cylinder disk that is now present have a layer of a different conduction type. The contact electrodes 11 and 12 with the connecting wires attached to them are attached here. For the attachment of the base electrode 10 , the lower part of the disk 9 is available here, where the core is exposed on three sides. As a result, the base electrode 10 can be positioned, as shown, so as to clasp this exposed portion of the core. This contacting can be carried out relatively easily.

Das Herstellen der stellenweise verdickten Halbleiterscheiben gemäß Fig. 8 und 9 aus einem stabförmigen Einkristall, wie er beispielsweise durch das senkrechte Zonenziehverfahren gewonnen wird, kann mittels der bekannten Fadensäge durch Stufenschnitte beispielsweise gemäß Fig.12 derart durchgeführt werden, daß möglichst wenig Abfall entsteht.The production of the partially thickened semiconductor wafers according to 8 and 9 from a rod-shaped single crystal, as it is, for example, by the vertical zone drawing process is obtained, can by means of the known thread saw be carried out by step cuts, for example according to FIG. 12, in such a way that As little waste as possible is produced.

Bei den Scheibenformen gemäß den Fig. 13 und 14 befindet sich die Verdickung in der Mitte der beiden Flachseiten der Scheibe. Nach der oben beschriebenen Tauchbehandlung wird auch hier zunächst der Rand ringsherum abgeschliffen. Danach werden die beiden Seitenflächen eben geschliffen und damit der unverändert gebliebene Kern auch in der Mitte in Form eines Streifens freigelegt. Dann wird die Scheibe gemäß Fig. 15 beispielsweise in vier Teile 13 zerschnitten und jeder dieser Teile 13 gemäß Fig. 16 mit den Kontaktelektroden 11 und 12 und der den freigelegten Kernteil auf drei Seiten umfassenden Basiselektrode 10 versehen. Durch Herstellung mehrerer, gegebenenfalls einer größeren Anzahl von Verdickungen, etwa in Form einer einseitigen Bemusterung durch Einätzen oder Einsägen von Rillen kann mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens und nachträglicher Entfernung der veränderten Oberflächenschicht am Rande und auf der bemusterten Seite sowie an den Seitenwänden der Rillen ein Flächentransistor geschaffen werden.In the case of the disc shapes according to FIGS. 13 and 14, the thickening is in the middle of the two flat sides of the disc. After the immersion treatment described above, the edge is first sanded off all around. Then the two side surfaces are sanded flat and the core, which has remained unchanged, is also exposed in the middle in the form of a strip. 15 is then cut into four parts 13, for example, and each of these parts 13 is provided with the contact electrodes 11 and 12 and the base electrode 10 encompassing the exposed core part on three sides, as shown in FIG. By producing several, possibly a larger number of thickenings, for example in the form of a one-sided pattern by etching or sawing in grooves, a flat transistor can be created with the aid of the method described and subsequent removal of the modified surface layer on the edge and on the patterned side as well as on the side walls of the grooves be created.

Zur einseitigen Umwandlung kann man, wie Fig. 17 erkennen läßt, den vorzugsweise scheibenförmigen Halbleiterkörper 2 auf der Dotierungsflüssigkeit 3 schwimmen lassen. Der Tiegel 4, der auch aus Graphit bestehen kann, hat dann beispielsweise die dargestellte einfachere Form. Auf diese Weise können auch p-i-n-Gleichrichter gemäß Fig. 18 erzeugt werden, indem man einen sehr hochohmigen, nahezu eigenleitenden Halbleiter mit einer Seite in einer überschußleitung erzeugenden Dotierungsflüssigkeit, z. B. Phosphor mit Blei verdünnt, und danach mit der anderen Seite in einer Mangelleitung erzeugender Dotierungsflüssigkeit, z. B. Indium mit Blei verdünnt, schwimmend im Vakuum oder unter Schutzgas der beschriebenen Wärmebehandlung unterzieht.For one-sided conversion, as shown in FIG. 17, one can use the preferably disk-shaped semiconductor body 2 on the doping liquid 3 let swim. The crucible 4, which can also consist of graphite, then has, for example the simpler form shown. In this way, p-i-n rectifiers can also be used can be generated according to FIG. 18 by creating a very high-resistance, almost intrinsic Semiconductors with one side in a doping liquid generating excess conduction, z. B. phosphorus diluted with lead, and then with the other side in a mangle line generating doping liquid, e.g. B. Indium diluted with lead, floating in the Vacuum or under protective gas subjected to the heat treatment described.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for manufacturing directional conductors, transistors and the like with a monocrystalline semiconductor body, in which a transition by heat treatment a surface layer of the semiconductor body is created with a dopant is, characterized in that the semiconductor body in a heated solution of the Dopant in a different from the semiconductor in question, however neither with this reacting or alloying nor the change of the conductivity type interfering solvent at least until it wets its lower surface is immersed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Semiconductor body completely immersed and after removal from the solution of the terms its conduction type remained unchanged core by cutting the semiconductor body is exposed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the semiconductor body completely immersed and after removing from the solution the terms of his Conductor type unchanged core by removing parts of the changed Surface layer by mechanical or chemical means on one or more Bodies is exposed.

4. The method according to claim 3, characterized in that a disk-shaped semiconductor body is used and that subsequently Edge, as far as it has a changed line type, is removed all around.

5. Method according to Claim 4, characterized in that the disk-shaped semiconductor body divided by a parallel cut to the flat sides, in particular halved, will.

6. The method according to claim 1, characterized in that a practically intrinsic disk-shaped semiconductor body successively with different sides in different doping solutions is immersed. Publications considered: The Radio Market, Supplement in the magazine Elektro-Technik, Coburg, from February 9, 1951, pp. 15 and 16; Proc. IRE, Vol. 40, 1952, pp. 1512 to 1518.