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Verfahren zum Behandeln von Halbleiterbauelementen mit einem Halbleiterkörper
aus Halbleitermaterial mit einer großen Diffusionslänge Die Erfindung bezieht sich
auf die Verbesserung von Halbleiterbauelementen, wie z. B. Flächengleichrichter,
Spitzengleichrichter oder entsprechende Transistoren, bei denen ein Halbleitermaterial
mit großer Diffusionslänge, wie z. B. Germanium oder Silizium, verwendet wird. Die
Halbleiteranordnung kann eine solche sein, die im Halbleiter mit einem pn-übergang
arbeitet, oder auch eine solche, bei der der übergang Halbleiter-Metallelektrode
für die Gleichrichterwirkung ausgenutzt wird. Bei solchen Halbleiterbauelementen
hat sich gezeigt, daß sie oftmals Verunreinigungen enthalten können, die als Rekombinationszentren
wirken und die Diffusionslänge der Ladungsträger im Halbleitermaterial herabsetzen.
Es kann sich aber auch um solche Rekombinationszentren handeln, die erst im Verlaufe
des Fertigungsvorganges des Halbleiterbauelementes in den Halbleiter eindiffundieren
bzw. eindiffundiert sein können, und zwar bei einer besonderen thermischen Behandlung
des Halbleiterbauelementes für seine normale Fertigung. Das kann möglicherweise
dadurch vorgegeben sein, daß während der Fertigung eine solche Behandlung des Gleichrichterelementes
stattgefunden hat, die zur Ablagerung von Verunreinigungen auf der Oberfläche des
Halbleiterkörpers Anlaß geben kann, so daß diese Verunreinigung dann auf Grund von
Temperatureinflüssen in das Halbleiterbauelement eintreten kann. Eine solche Behandlung
kann beispielsweise ein Ätzvorgang sein. Bei Ätzlösungen hat sich gezeigt, daß sie
gegebenenfalls Verunreinigungen enthalten können, die sich an der Halbleiteroberfläche
abscheiden, auch durch einen nachträglichen Spülprozeß nicht beseitigt werden und
bei einer nachträglichen Behandlung des Halbleitermaterials zur Herstellung des
Bauelementes in den Halbleiterkörper eindiffundieren und dort als Rekombinationszentren
bzw. Störstellen wirken. Solche Rekombinationszentren, wie bereits oben angegeben,
können dann als unerwünschte Störstellen dazu Anlaß geben, daß in dem fertiggestellten
Halbleiterbauelement die Lebensdauer der Ladungsträger, welche für die Güte des
Bauelementes bestimmend ist, wesentlich herabgesetzt und dadurch die betriebsmäßige
Güte verschlechtert ist. Solche gegebenenfalls als unerwünschte Verunreinigungen
wirkenden Stoffe sind insbesondere die Elemente der Nebengruppen des Periodischen
Systems der Elemente, z. B. Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Kobalt, Nickel.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, solchen
Mangelerscheinungen bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung vorzubeugen. Sie
geht dabei von der Erkenntnis aus, daß solche Stoffe eine hohe Diffusionskonstante
besitzen und meist an ihren Einbaustellen nur schwach gebunden sind, so daß ein
Platzwechsel bei höheren Temperaturen sehr leicht eintreten kann. Werden diese Stoffe
bei hoher Temperatur, z. B. zwischen 800 und 1200° C, in dem Halbleiterkörper während
des Diffusionsprozesses oder eines Prozesses für die Legierungsbildung der Zonen
bestimmten elektrischen Leitungstyp, der an dem Halbleiterkörper vorgenommen wird,
durch Diffusion oder Legierungsbildung eingebaut und wird anschließend die Temperatur
erniedrigt, so stellt sich zu der niedrigeren Temperatur auch eine geringere Löslichkeit
dieser Fremdstoffe im Halbleiterkörper ein. Die Fremdstoffe werden daher den Platz
verlassen, an dem sie als Rekombinationszentren wirken und sich an Oberflächen des
Halbleiterkörpers oder an Gitterdefekten, wie z. B. Versetzungen oder Korngrenzen,
abscheiden.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Behandeln von
Halbleiterbauelementen mit einem Halbleiterkörper aus Halbleitermaterial mit einer
großen Diffusionslänge, wie Germanium oder Silizium. Für die Lösung der vorgezeichneten
Aufgabe wird dieses Verfahren erfindungsgemäß so durchgeführt, daß der Halbleiterkörper
zusätzlich vor oder nach Anbringung der Elektroden einer Wärmebehandlung bei einer
Temperatur von 200 bis 400° C während einer Zeit von einer Stunde bis zu einigen
Tagen so lange unterworfen wird, bis in dem Halbleiterkörper enthaltene unerwünschte
Fremdstoffe, die als Rekombinationszentren wirken, durch Abscheidung an Gitterdefektstellen,
z. B. Versetzungen oder Korngrenzen, unwirksam geworden sind.
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Diese Temperungsbehandlung gibt dann dazu Anlaß, daß eventuell in
dem Halbleiter als unerwünschte Rekombinationszentren enthaltene Fremdstoffe dadurch
unwirksam
werden, daß sie durch diese besondere Temperaturbehandlung, wie bereits oben hinsichtlich
der Erkenntnis, welche die Grundlage der Erfindung bildet, beschrieben wurde, aus
dem Halbleiterkörper an dessen Oberfläche oder in dem Halbleiterkörper an Versetzungen
oder anderen Gitterdefektstellen, wie Korngrenzen od. dgl., sich abscheiden. Sobald
sie diese Plätze erreicht haben, sind sie dann als Störstellen im Halbleitermaterial
unwirksam bzw. eliminiert und können nicht mehr zu einer Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung
der an dem Halbleiterbauelement angestrebten bzw. erwünschten Eigenschaften führen.
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Handelt es sich z. B. bei der betreffenden Halbleiteranordnung um
einen durch einen Legierungsprozeß hergestellten Flächengleichrichter mit pn-Übergang,
so können während des Legierungsprozesses bei etwa 800° C von dem bei der vor der
Legierung erfolgten Ätzung zur Reinigung der Oberfläche des Halbleiterbauelementes
an dieser Oberfläche verbliebenen Rückstand her oder von den Dotierungsmaterialkörpern
zur Erzeugung bestimmter Dotierungszonen im Halbleiterkörper her weitere Verunreinigungen
in den Halbleiterkörper eindiffundieren. Nach diesem Legierungsprozeß wird Üblicherweise
der Flächengleichrichter mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 bis 10° C pro Minute
abgekühlt. Während dieses Abkühlungsprozesses können sich an sich bereits einige
Fremdstoffe wieder an Versetzungen abscheiden. Um diesen Effekt jedoch planmäßig
und verstärkt herbeizuführen, wird an den Legierungsprozeß eine Nachtemperung der
Halbleiteranordnung angereiht, die bei etwa 200 bis 400° C, und zwar über einen
derart langen Zeitraum durchgeführt wird, daß dann gemäß angestellten Normenversuchen
oder gleichzeitigen oder nachherigen Messungen die Beseitigung der Rekombinationszentren
der Fremdstoffe in dem Halbleiterkörper erwartet werden kann bzw. eingetreten ist.
Diese Anreihung des besonderen Temperungsprozesses an den eigentlichen Legierungsprozeß,
z. B. eines Flächengleichrichters, kann so erfolgen, daß sie sich unmittelbar an
den Abkühlungsvorgang nach der Legierung der Halbleiteranordnung anschließt. Ist
z. B. die Abkühlung des Halbleiterbauelementes nach der Legierungsbildung bis auf
den Wert von etwa 400 bis 200° C abgesunken, so wird erfindungsgemäß nunmehr die
Temperatur über den entsprechenden Zeitraum in diesem Bereich aufrechterhalten,
damit der erfindungsgemäße Temperungsprozeß für die Beseitigung der genannten Fremdstoffe
als Rekombinationszentren bzw. Störstellen vor sich geht. Die Anwendung der Erfindung
kann jedoch auch derart erfolgen, daß das durch den Legierungsprozeß hergestellte
Flächengleichrichterelement, z. B. ein Siliziumflächengleichrichterelement, zunächst
vollständig abgekühlt wird und dann ein selbständiger, von dem Legierungsprozeß
zeitlich unabhängiger Temperungsprozeß durchgeführt wird, um den erfindungsgemäßen,
angestrebten Effekt herbeizuführen.
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Handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement um einen Spitzengleichrichter,
so wird bekanntlich an diesem gewöhnlich keine besondere Temperaturbehandlung vorgenommen.
Auch im Falle einer solchen Anordnung erweist sich aber die Anwendung der Erfindung
als technisch vorteilhaft, weil naturgemäß durch unerwünschte eingelagerte Fremdstoffe
die Lebensdauer der Ladungsträger in dem Halbleiterkörper in der angegebenen Weise
herabgesetzt wird, so daß das Halbleiterbauelement nur eine verringerte Güte aufweist,
denn durch die verringerte Lebensdauer der Ladungsträger steigen z. B. der Sperrstrom
und der Widerstand in Flußrichtung an.
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Auch bei Halbleiteranordnungen, bei denen kein besonderer gleichrichtender
Übergang oder pn-Übergang vorhanden ist, und bei denen betriebsmäßig nur eine Veränderung
des Widerstandes des Halbleiterkörpers als technische Wirkung ausgenutzt wird, wie
z. B. bei Halbleiterkörpern, deren Leitfähigkeit in Abhängigkeit von auf den Halbleiterkörpern
treffenden Strahlungen, wie z. B. Lichtstrahlen, Röntgenstrahlen oder Corpuscularstrahlen
verwendet wird, wird die erreichbare Modulation der Leitfähigkeit groß, wenn die
Diffusionslänge der Landungsträger in dem Halbleitermaterial möglichst groß erhalten
wird. Auch bei solchen Halbleiterkörpern ist also die Erfindung mit Vorteil anwendbar.
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Im Sinne der Erfindung wurden z. B. Proben aus p-leitendem und aus
n-leitendem Silizium, die zusätzlich zum eigentlichen Dotierungsstoff Kupfer als
Störstelle enthielten, einer Temperungsbehandlung zwischen etwa 200 und 400° C während
eines Zeitraumes von etwa einer Woche unterworfen. Hierbei zeigte sich, daß nach
Abschluß dieser Behandlung die Lebensdauer der freien Ladungsträger von etwa 50
Mikrosekunden vor der Behandlung bis auf 1000 Mikrosekunden nach dieser Behandlung
angestiegen war.
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Bekannt war eine Herstellungsmethode für Einkristalle inhomogener
Störstellenverteilung durch nachträgliche Umwandlung annähernd homogener Einkristalle
unter Benutzung eines Wärmebehandlungsverfahrens ohne Verunreinigungszusatz. Es
wurde hierbei also eine Temperung durchgeführt, durch welche unter Wahl eines Temperaturintervalles
bestimmter Höhe sich einkristallines Germanium in ein solches bestimmten elektrischen
Leitungstyps umwandeln und mit bestimmter Größe des spezifischen Widerstandes einstellen
läßt. Der Effekt dieser durch die bekannte Wärmebehandlung erzeugten Leitf'ähigkeitsänderungen
wurde damit erklärt, daß Änderungen in der Anzahl der Ladungsträger, d. h. Änderungen
in der Wirksamkeit vorhandener Störstellen angenommen werden müssen, und je nach
dem überwiegen der einen oder anderen Störstellenart n- oder p-Leitung auftritt.
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Das Wesen dieses bekannten Verfahrens unterscheidet sich also eindeutig
von demjenigen nach der vorliegenden Erfindung, indem eine Wärmebehandlung in der
Weise und so lange durchgeführt wird, bis ein bestimmter Umwandlungsleitungstyp
an dem Halbleitermaterial in der gewünschten Weise erzeugt worden ist.