DE1191585B

DE1191585B - Use of a silver alloy as a dopant to generate p-conductivity in semiconductor materials

Info

Publication number: DE1191585B
Application number: DEW27011A
Authority: DE
Inventors: William B Green; Donald R Thornburg
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1959-01-23
Filing date: 1960-01-04
Publication date: 1965-04-22
Also published as: GB925182A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES S/WWWl· PATENTAMTFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN S / WWWl · PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. α.:Int. α .:

C22cC22c

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

Deutsche Kl.: 40 b-5/00 German class: 40 b -5/00

W27011VI a/40b
4. Januar 1960
22. April 1965W27011VI a / 40b
4th January 1960
April 22, 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Legierung, bestehend aus 0,01 bis 1 °/₀ Bor und insgesamt bis 6 °/o mindestens eines der Elemente Germanium, Blei, Gallium, Zinn, Indium, Aluminium und Silicium, Rest Silber, als Dotierungsstoff zur Erzeugung von p-Leitfähigkeit in Halbleiterstoffen. The present invention relates to the use of an alloy consisting of 0.01 to 1 ° / ₀ and a total boron to 6 ° / o of at least one of the elements germanium, lead, gallium, tin, indium, aluminum and silicon, the remainder being silver, as a dopant to generate p-conductivity in semiconductor materials.

Es ist vorgesehen, daß eine derartige Legierung in Form einer dünnen kaltgewalzten Folie mit einer Stärke bis zu 0,1 mm als Dotierungsmaterial zur Erzeugung von p-Leitung verwendet wird.It is envisaged that such an alloy in the form of a thin cold rolled foil with a Thickness up to 0.1 mm is used as a doping material for generating p-type conduction.

Es ist bekannt, zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen zwei Körpern ein Lot zu verwenden, das aus einem Gemisch verschiedener Metalle besteht, das unter anderem Indium und/oder Silber und/oder Gold und/oder Aluminium und/oder Zinn und/oder Blei aufweist und dem gegebenenfalls ein dotierender Zusatz beigegeben sein kann.It is known to use a solder to produce a soldered connection between two bodies, which consists of consists of a mixture of different metals, including indium and / or silver and / or gold and / or aluminum and / or tin and / or lead and optionally a doping additive can be added.

Ferner ist es bekannt, als Elektroden für Flächengleichrichter- bzw. -transistorsysteme, insbesondere solche aus Indium, Silber, Gold, Aluminium, Zinn oder Blei zu verwenden, die gegebenenfalls noch einen Zusatz enthalten, der besonders für die Dotierung der an die Elektrode angrenzenden Zonen des Halbleiters mit p- oder η-Leitfähigkeitscharakter geeignet ist.It is also known as electrodes for surface rectifier or transistor systems, in particular those made of indium, silver, gold, aluminum, tin or lead should be used, which may also be used contain an additive that is particularly useful for doping the zones adjacent to the electrode Semiconductor with p- or η-conductivity character is suitable.

Es ist außerdem bekannt, zur Herstellung von pn-Schichten in Halbleitergeräten den Halbleiterkörper in eine Schmelze des Halbleitermaterials, in der mindestens zwei Dotierungsstoffe enthalten sind, einzutauchen. Dieses Dotierverfahren entspricht dem, wie es beim Ziehen aus der Schmelze zur Anwendung kommt. Die Dotierung erfolgt dabei durch Einbau der in der Schmelze vorhandenen Verunreinigungen in den aus der Schmelze herauszuziehenden Halbleiterkristall.It is also known to use the semiconductor body for the production of pn layers in semiconductor devices to immerse in a melt of the semiconductor material in which at least two dopants are contained. This doping process corresponds to that used for drawing from the melt comes. The doping takes place by incorporating the impurities present in the melt into the Semiconductor crystal to be extracted from the melt.

Demgegenüber wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, eine Legierung aus 0,01 bis 1 % B°^r und insgesamt bis 6% mindestens eines der Elemente Germanium, Blei, Gallium, Zinn, Indium, Aluminium und Silicium, Rest Silber, besonders in Form einer dünnen kaltgewalzten Folie mit einer Stärke bis zu 0,1 mm, als Dotierungsstoff zur Erzeugung von p-Leitfähigkeit in Halbleiterstoffen zu verwenden. Die Verwendung einer derartigen Legierung zur Dotierung von Halbleiterstoffen bietet gegenüber den bekannten Verfahren erhebliche Vorteile, die insbesondere darin bestehen, daß es auf diese Weise ohne großen Aufwand und ohne Anwendung komplizierter Hilfsmittel gelingt, den erwünschten Dotierungsgrad im Halbleiterkristall einzustellen. Das Aufbringen von Folien ermöglicht überdies die Herstellung sehr glatter Dotierungsfronten, was bei Dotierungsverfahren, bei denen die Verwendung einer Silberlegierung als
Dotierungsstoff zur Erzeugung von p-Leitfähigkeit in HalbleiterstoffenIn contrast, according to the invention, an alloy of 0.01 to 1% B ° ^r and a total of up to 6% of at least one of the elements germanium, lead, gallium, tin, indium, aluminum and silicon, the remainder silver, especially in the form of a thin one, is proposed cold-rolled foil with a thickness of up to 0.1 mm, to be used as a dopant to generate p-conductivity in semiconductor materials. The use of such an alloy for doping semiconductor materials offers considerable advantages over the known methods, in particular that it is possible in this way to set the desired degree of doping in the semiconductor crystal without great effort and without the use of complicated aids. The application of foils also enables the production of very smooth doping fronts, which is the case with doping processes in which the use of a silver alloy as
Dopant for generating p-conductivity in semiconductor materials

Anmelder:Applicant:

Westinghouse Electric Corporation,Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. R. Barckhaus, Patentanwalt,Dipl.-Ing. R. Barckhaus, patent attorney,

München 2, Wittelsbacherplatz 2Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Donald R. Thomburg, Pittsburgh, Pa.;Donald R. Thomburg, Pittsburgh, Pa .;

William B. Green, Greensburg, Pa. (V. St. A.)William B. Green, Greensburg, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Januar 1959
(788 502)Claimed priority:
V. St. v. America January 23, 1959
(788 502)

Dotierung durch Eintauchen des Halbleiterkristalls in eine den Dotierungsstoff enthaltende Schmelze erfolgt, nicht erreicht werden kann.Doping takes place by immersing the semiconductor crystal in a melt containing the dopant, cannot be achieved.

Gegenüber dem Verfahren, einem Lot Dotierungsstoffe beizufügen, besteht der Vorteil, daß durch die Verwendung dünner Folien aus einer Dotierungslegierung die Lokalisierung der Legierungsflecken außerordentlich begünstigt wird.Compared to the method of adding dopants to a solder, there is the advantage that the Use of thin foils made of a doping alloy to localize the alloy spots is extraordinarily favored.

Die Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung läßt sich vorteilhafterweise dadurch bewerkstelligen, daß die eine mittlere Teilchengröße bis zu 150 Mikron besitzenden Komponenten homogen durcheinandergemischt werden, das Gemisch mit einem Druck von 800 bis 9500 kg/cm² gepreßt, mindestens ¹I₂ Stunde in Schutzgasatmosphäre auf mindestens 600⁰C erhitzt und anschließend in kaltem Zustand zu einer Dicke von maximal 0,1 mm ausgewalzt wird.The alloy to be used according to the invention can advantageously be produced by mixing the components with an average particle size of up to 150 microns homogeneously and pressing the mixture at a pressure of 800 to 9500 kg / cm ^{2 for} at least ¹ _1/2 hours in a protective gas atmosphere heated to at least 600 ^° C. and then rolled out in the cold state to a thickness of at most 0.1 mm.

Die Herstellung eines Halbleiterbauelementes unter Verwendung einer erfindungsgemäß zusammengesetzten Legierung kann in der Weise erfolgen, daß auf eine Scheibe η-leitenden Siliciums eine Folie des Dotierungsstoffes aufgebracht und zur Erzeugung eines pn-Übergangs einlegiert wird.The production of a semiconductor component using a composite according to the invention Alloy can be done in such a way that a sheet of η-conductive silicon on a sheet of Dopant is applied and alloyed to produce a pn junction.

Die Bestandteile sollen dabei in Form preßbarer Pulverteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße bis zu 150 Mikron vorliegen. Die BestandteileThe components should be in the form of pressable powder particles with an average particle size up to 150 microns. The parts

509 540/298509 540/298

werden zweckmäßigerweise in ein geeignetes Misch gerät eingefüllt und genügend lang gemischt, um eine homogene Durchmischung zu gewährleisten. Die zur Erreichung der Homogenität nötige Zeit hängt natur gegebenerweise von der Menge des Materials und der Beschaffenheit, insbesondere der Größe des Mischers ab. are expediently poured into a suitable mixer and mixed long enough to ensure homogeneous mixing. The time required to achieve homogeneity naturally depends on the amount of material and the nature, in particular the size of the mixer .

Die besten Preßlinge werden erhalten, wenn die Bestandteile in einer durchschnittlichen Teilchengröße von 40 bis 60 Mikron vorliegen. Bei der Verwendung von Teilchen, deren Größe erheblich über 150 Mikron hinausgeht, haben die Preßlinge die Tendenz, bei der späteren Behandlung auseinanderzubrechen. Man kann dabei die Teilchengröße einzelner oder auch aller Bestandteile schon vor dem Mischen auf den gewünsch- ten kleinen Wert bringen. Es ist aber andererseits auch möglich, durch die Verwendung von Kugelmühlen oder anderen entsprechenden Hilfsmitteln die Teilchen größe während des Mischvorgangs zu reduzieren. The best compacts are obtained when the ingredients are present in an average particle size of 40 to 60 microns . If particles are used, the size of which is significantly larger than 150 microns , the compacts have a tendency to break apart during later treatment. The particle size of individual or all of the constituents can be brought to the desired small value before mixing. On the other hand , however, it is also possible to reduce the particle size during the mixing process by using ball mills or other appropriate aids.

Die homogenisierte Pulvermischung wird anschließehd in eine geeignete Preßform gefüllt. Selbstver ständlich muß das Material der Preßform in der Lage sein, den Preßdruck auszuhalten. Man verwendet deshalb zweckmäßigerweise Stahl. Das Pressen wird mit einem Druck von 800 bis 9500 kg/cm², das sind in der Pulvermetallurgie übliche Drücke, vorgenom men. Zur Vermeidung des Einschleppens von Ver unreinigungen verzichtet man beim Preßvorgang vorteilhafterweise auf die in der Pulvermetallurgie gebräuchlichen Schmiermittel für die Preßform und auf jegliche Bindemittel. Der auf diese Weise erhaltene Legierungspreßling wird anschließend eine Zeitlang, beispielsweise eine halbe bis eine Stunde lang, in einer Schutzgastamosphäre, z. B. aus Wasserstoff, Argon, Helium oder Stickstoff, auf Temperaturen von 600 bis 100O⁰C erhitzt. Durch diese Wärmebehandlung tritt eine teilweise Legierung der Teilchen auf. Der Preß ling verdichtet sich, Feuchtigkeit und im Preßling eingeschlossenes Gas- entweichen. The homogenized powder mixture is then filled into a suitable compression mold. Of course, the material of the mold must be able to withstand the pressure. It is therefore advisable to use steel. The pressing is carried out at a pressure of 800 to 9500 kg / cm ² , the pressures customary in powder metallurgy. Impurities to limit the introduction of Ver is dispensed during the compression process advantageously to the usual in powder metallurgy lubricant for the die and on any binder. The alloy compact obtained in this way is then for a time, for example half an hour to an hour , in a protective gas atmosphere, for. Heated example, from hydrogen, argon, helium or nitrogen at temperatures of 600 to 100O ⁰ C. Partial alloying of the particles occurs as a result of this heat treatment. The compact compacts, moisture and gas trapped in the compact escape.

Anschließend wird der Legierungspreßling zu einer Folie oder zu einem Streifen kaltgewalzt. Man benutzt diese Folien mit Dicken bis zu 0,1 mm, um daraus flache Ringe oder Folien zur Dotierung zu schneiden oder zu stanzen. The alloy compact is then cold rolled into a foil or strip. These foils with a thickness of up to 0.1 mm are used to cut or punch flat rings or foils for doping.

In manchen Fällen ergibt eine Zwischenglühung der Preßlinge ein besseres Verhalten beim Kaltwalzen. In some cases, intermediate annealing of the compacts results in better behavior during cold rolling.

Ist Silicium in der Legierung enthalten, so kann das Walzen dadurch erleichtert werden, daß man nach jeder Dickenverminderung des Preßlings um 30% eine Zwischenglühung von mindestens halbstündiger Dauer in einer Schutzgasatmosphäre bei 600⁰C einschaltet. Is silicon contained in the alloy, so the rolls can be facilitated by the fact that turns on after each reduction in thickness of the compact by 30% intermediate annealing of at least a half-hour period in an inert gas atmosphere at 600 ⁰ C.

Nähere Einzelheiten sind den folgenden speziellen Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Further details can be found in the following specific exemplary embodiments.

55 Beispiel 155 Example 1

Etwa 0,66 g chemisch reinen Bleis mit einer durch schnittlichen Teilchengröße von 149 Mikron, etwa 0,17 g chemisch reinen Bors mit einer durchschnitt- liehen Teilchengröße von 149 Mikron und etwa 32,17 g chemisch reinen Silbers mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 44 Mikron werden gleichmäßig gemischt. Anschließend wird die Mischung in eine Stahlform gefüllt und mit einem Druck von 4840 kg/ cm* auf eine Dicke von 0,175 mm zusammengepreßt. Der erhaltene Preßling hat eine Dichte von 91 % des theoretischen Wertes. About 0.66 g of chemically pure lead with an average particle size of 149 microns, about 0.17 g of chemically pure boron with an average particle size of 149 microns, and about 32.17 g of chemically pure silver with an average particle size of 44 microns are mixed evenly. The mixture is then poured into a steel mold and pressed together with a pressure of 4840 kg / cm * to a thickness of 0.175 mm . The compact obtained has a density of 91% of the theoretical value.

Dann wird der Preßling V₂ Stunde lang in einer Argonatmosphäre auf 925° C erhitzt und anschließend mit einem Druck von 4730 kg/cm² auf eine Dicke von 0,15 mm verdichtet. Danach wird die Legierung bei einer Temperatur von 650⁰C in einer Wasserstorratmosphäre 20 Stunden lang gesintert und in kaltem Zustand zu einer Dicke von 0,132 mm ausgewalzt. Nach halbstündigem Glühen in einer Wasserstoffatmosphäre bei 650⁰C wird die Legierung durch weiteres Kaltwalzen auf eine Dicke von 0,05 bis 0,075 mm gebracht.The compact V is _{then heated to 925 ° C. for 2} hours in an argon atmosphere and then compressed to a thickness of 0.15 mm at a pressure of 4730 kg / cm ^2. Thereafter, the alloy is sintered for 20 hours at a temperature of 650 ⁰ C in a water Storr atmosphere and rolled in the cold state mm to a thickness of 0.132. After annealing in a hydrogen atmosphere at 650 ^° C. for half an hour, the alloy is brought to a thickness of 0.05 to 0.075 mm by further cold rolling.

Das so hergestellte dünn ausgewalzte Legierungsmaterial ist als Dotierungsstoff brauchbar, um bei der Herstellung von Siliciumhalbleiterbauelementen p-Leitung zu erzeugen.The thin-rolled alloy material produced in this way is useful as a dopant in the Manufacture of silicon semiconductor components to generate p-type conduction.

Zur Herstellung von Siliciumhalbleiterbauelementen wird aus der aus der Dotierlegierung bestehenden 0,05 mm starken Folie eine Lochscheibe mit einem inneren Durchmesser von 2 und dem äußeren Durchmesser von 4 mm ausgestanzt.For the production of silicon semiconductor components, the doping alloy is used 0.05 mm thick film has a perforated disc with an inner diameter of 2 and the outer diameter punched out by 4 mm.

Diese Lochscheibe wird dann auf die Oberfläche eines Plättchens aus η-leitendem Silicium aufgebracht. Anschließend werden Lochscheibe und Siliciumplättchen gemeinsam in einer Wasserstorfatmosphäre etwa V₄ bis V2 Stunde lang auf 800⁰C erhitzt. Hierbei ent- · steht ein Halbleiterelement mit einer η-Schicht, einem pn-Übergang und einer p-Schicht.This perforated disk is then applied to the surface of a plate made of η-conductive silicon. Then the perforated disk and the silicon wafer are heated together in a hydrogen atmosphere at 800 ^° _{C. for about 4 to 2 hours.} This creates a semiconductor element with an η-layer, a pn junction and a p-layer.

Example 2

Etwa 0,6 g chemisch reinen Siliciums, 0,3 g chemisch reinen Bors und 59,1 g chemisch reinen Silbers mit Teilchengrößen von durchschnittlich 44 Mikron werden gleichmäßig gemischt; die Mischung wird in eine Stahlform eingefüllt und mit einem Preßdruck von 5200 kg/cm² auf eine Dicke von 3,43 mm zusammengepreßt. Die Dichte des so hergestellten Preßlings betrgät 95 % des theoretischen Wertes.About 0.6 g of chemically pure silicon, 0.3 g of chemically pure boron, and 59.1 g of chemically pure silver with particle sizes averaging 44 microns are mixed evenly; the mixture is poured into a steel mold and pressed together with a pressure of 5200 kg / cm ² to a thickness of 3.43 mm. The density of the compact produced in this way is 95% of the theoretical value.

Danach wird der Preßling V₂ Stunde lang in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 900° C erhitzt. Nach dieser Glühung wird der Preßling auf eine Dicke von 1,04 mm ausgewalzt, V2 Stunde lang bei 600° C in Wasserstoff geglüht und anschließend auf eine Dicke von 0,05 mm ausgewalzt.The compact V is then heated in a hydrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C. for _{2 hours.} After this annealing, the compact is rolled out to a thickness of 1.04 mm, annealed for 1/2 hour at 600 ° C. in hydrogen and then rolled out to a thickness of 0.05 mm.

Diese Legierung läßt sich ähnlich der im ersten Beispiel beschriebenen bei der Herstellung von Siliciumhalbleiterbauelementen als Dotierungsmaterial zur Erzeugung von p-Leitfähigkeit verwenden.This alloy can be used in the manufacture of silicon semiconductor components in a manner similar to that described in the first example use as doping material to generate p-conductivity.

Claims

Patent claims:

1. Use of an alloy consisting of 0.01 to 1% B ° ^{r and} a total of up to 6% of at least one of the elements germanium, lead, gallium, tin, indium, aluminum and silicon, the remainder being silver, as a dopant to produce p -Conductivity in semiconductors.

2. Use of an alloy of the composition specified in claim 1 in the form a thin cold-rolled foil with a thickness of up to 0.1 mm for the one mentioned in claim 1 Purpose.

3. A method for producing an alloy to be used and composed according to claim 1 or 2, characterized in that the components having an average particle size of up to 150 microns are mixed homogeneously, the mixture is ^{pressed at a pressure of 800 to 9500 kg / cm 2} , at least V ₂ hours in a protective gas atmosphere to at least

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600 ⁰ C heated and then applied in the cold state film of the dopant and used for

rolled out to a maximum thickness of 0.1 mm creating a pn junction is alloyed.

will.

4. Method of Making a Semiconductor Documents Contemplated:

component using a 5 German Patent No. 924 777;

Spruch 1 or 2 combined and to be translated German Auslegeschrift No. 1 008 088;

turning alloy, characterized in the German Auslegeschrift S 33 971 VIIIc / 21 g (loading

that one discovered on a disk of η-conductive silicon on December 20, 1956).