DE1162489B

DE1162489B - Method for treating semiconductor components with a semiconductor body made of semiconductor material with a large diffusion length

Info

Publication number: DE1162489B
Application number: DES61541A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Horst Irmler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-01-30
Filing date: 1959-01-30
Publication date: 1964-02-06

Description

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.Method for treating semiconductor components with a semiconductor body of semiconductor material with a long diffusion length The invention relates on the improvement of semiconductor components such. B. surface rectifier, Tip rectifiers or corresponding transistors in which a semiconductor material with a long diffusion length, such as. B. germanium or silicon is used. the Semiconductor arrangement can be one that is in the semiconductor with a pn junction works, or one in which the transition from semiconductor to metal electrode is used for the rectifier effect. With such semiconductor components it has been shown that they can often contain impurities that act as recombination centers act and reduce the diffusion length of the charge carriers in the semiconductor material. However, it can also be a matter of such recombination centers that only occur in the course of diffuse into the semiconductor during the manufacturing process of the semiconductor component or can be diffused in, namely with a special thermal treatment of the semiconductor component for its normal production. That can possibly be given that such a treatment of the rectifier element during manufacture has taken place leading to the deposition of contaminants on the surface of the Semiconductor body can give occasion, so that this contamination then due to Temperature influences can occur in the semiconductor component. Such treatment can for example be an etching process. In the case of etching solutions it has been shown that they may contain impurities that are on the semiconductor surface separate, not be eliminated even by a subsequent rinsing process and in a subsequent treatment of the semiconductor material for the production of the Diffuse component into the semiconductor body and there as recombination centers or impurities act. Such recombination centers, as already indicated above, can then give rise to undesired defects in the finished Semiconductor component the service life of the charge carriers, which is responsible for the quality of the Component is determining, significantly reduced and thereby the operational Goodness is deteriorated. Such possibly as undesirable impurities Active substances are in particular the elements of the subgroups of the periodic System of elements, e.g. B. copper, silver, gold, iron, cobalt, nickel.

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.The present invention is based on the object of such To prevent deficiency symptoms in the manufacture of a semiconductor device. she is based on the knowledge that such substances have a high diffusion constant own and are usually only weakly bound at their installation sites, so that a Change of location can occur very easily at higher temperatures. Will these substances at high temperature, e.g. B. between 800 and 1200 ° C, in the semiconductor body during the diffusion process or a process for alloying the zones certain electrical conduction type that is carried out on the semiconductor body, incorporated by diffusion or alloy formation and is then the temperature if the temperature is lowered, the solubility is lower at the lower temperature of these foreign substances in the semiconductor body. The foreign matter will therefore take the place where they act as recombination centers and are located on surfaces of the Semiconductor body or lattice defects, such as. B. dislocations or grain boundaries, deposit.

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.The invention thus relates to a method for treating Semiconductor components with a semiconductor body made of semiconductor material with a long diffusion length, such as germanium or silicon. For solving the pre-drawn According to the invention, this method is carried out in such a way that the semiconductor body additionally before or after attaching the electrodes to a heat treatment at a Temperature from 200 to 400 ° C for a time from one hour to a few Days is subjected to unwanted contained in the semiconductor body Foreign substances that act as recombination centers through deposition at lattice defects, z. B. dislocations or grain boundaries have become ineffective.

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.This tempering treatment then gives rise to possibly in foreign substances contained in the semiconductor as undesirable recombination centers ineffective that they are due to this particular temperature treatment, as already mentioned above with regard to of the knowledge which forms the basis of the invention the semiconductor body on its surface or in the semiconductor body at dislocations or other lattice defects, such as grain boundaries or the like, are deposited. As soon they have reached these places, they are then as defects in the semiconductor material ineffective or eliminated and can no longer lead to deterioration or impairment the desired or desired properties of the semiconductor component lead.

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.Is it z. B. in the semiconductor device concerned a surface rectifier with a pn junction made by an alloy process, so can during the alloying process at about 800 ° C from the one before the Alloy were etched to clean the surface of the semiconductor component residue remaining on this surface or from the doping material bodies further impurities to produce certain doping zones in the semiconductor body diffuse into the semiconductor body. After this alloying process is usually the surface rectifier at a rate of about 5 to 10 ° C per minute cooled down. During this cooling process, some of them can already be Separate foreign matter again at dislocations. To this effect, however, according to plan and to bring about stronger, a post-tempering of the alloying process is required Semiconductor array lined up at about 200 to 400 ° C, over a is carried out for such a long period of time that then according to established standards tests or simultaneous or subsequent measurements, the elimination of the recombination centers the foreign matter can be expected or has occurred in the semiconductor body. This alignment of the special tempering process with the actual alloying process, z. B. a surface rectifier, can be done so that they are directly on the cooling process after the alloying of the semiconductor device follows. is z. B. the cooling of the semiconductor component after the alloy formation up to If the value has dropped from about 400 to 200 ° C., according to the invention, the Maintain temperature in this area for the corresponding period of time, thus the tempering process according to the invention for the removal of said foreign matter occurs as recombination centers or impurities. Application of the invention however, it can also be done in such a way that the material produced by the alloying process Surface rectifier element, e.g. B. a silicon surface rectifier element, initially is completely cooled and then an independent, from the alloying process time-independent tempering process is carried out in order to achieve the to bring about the desired effect.

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.If the semiconductor component is a peak rectifier, as is well known, this is usually not subjected to any special temperature treatment. Even in the case of such an arrangement, however, the application of the invention has proven itself as technically advantageous, because naturally due to undesired embedded foreign matter the lifetime of the charge carriers in the semiconductor body in the specified manner is reduced so that the semiconductor component has only a reduced quality, because the reduced life of the charge carriers increase z. B. the reverse current and the resistance in the direction of flow.

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.Even with semiconductor arrangements where there is no special rectifying Junction or pn junction is present, and in which there is only one operational change the resistance of the semiconductor body is used as a technical effect, such as z. B. in semiconductor bodies, the conductivity of which depends on the semiconductor bodies hitting radiations, such as B. light rays, X-rays or corpuscular rays is used, the achievable modulation of conductivity becomes large when the Maintain the diffusion length of the landing carrier in the semiconductor material as large as possible will. The invention can therefore also be used with advantage in such semiconductor bodies.

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.For the purposes of the invention, for. B. Samples from p-type and from n-conductive silicon, which in addition to the actual dopant copper as Contain imperfections, an annealing treatment between about 200 and 400 ° C during subjected to a period of about a week. It was found that after Completion of this treatment the lifetime of the free charge carriers of about 50 Microseconds before treatment to 1000 microseconds after this treatment had increased.

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.A manufacturing method for single crystals that was more inhomogeneous was known Distribution of defects through subsequent conversion of almost homogeneous single crystals using a heat treatment process with no added impurities. It a tempering was carried out here, through which a temperature interval was selected of a certain level, single-crystalline germanium turns into such a certain electric Convert the line type and set the specific resistance with a certain size leaves. The effect of these changes in conductivity produced by the known heat treatment it was explained that changes in the number of charge carriers, i.e. H. Changes in the effectiveness of existing imperfections must be assumed, and depending on the predominance of one or the other type of impurity n- or p-line occurs.

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.The essence of this known method is clearly different of that of the present invention by performing a heat treatment in the Manner and is carried out until a certain type of conversion line has been produced on the semiconductor material in the desired manner.

Claims

Claims: 1. Method for treating semiconductor components with a semiconductor body made of semiconductor material with a large diffusion length, like germanium or silicon, d u r c h e k e n n n e i c h n e t that the Semiconductor body additionally before or after attachment of the electrodes of a heat treatment at a temperature of 200 to 400 ° C for a time from one hour to is subjected to a few days until it is contained in the semiconductor body unwanted foreign matter acting as centers of recombination works, by deposition at lattice defects, e.g. B. dislocations or grain boundaries, ineffective became.

2. The method according to claim 1, characterized in that it is at Semiconductor components with pn junction, such as rectifiers or transistors, are used will.

3. The method according to claim 1, characterized in that it is at controllable Semiconductor components without a pn junction is used. Considered publications: German Patent No. 522 002; German patent application p 41768 D VIII c / 21 g (published October 25, 1951); Austrian patent application No. 200 622; Das Elektron, Vol. 5, 1951/1952, Heft 13/14, pp. 429 to 439 (434 and 435); magazine für Elektrochemie, Vol. 58, 1954, No. 5, pp. 283 to 321 (300); Phys. Rev., Vol. 91, 1953, pp. 757 and 758.