DE1228342B - Diffusionsverfahren zum Dotieren einer Oberflaechenschicht von festen Halbleiterkoerpern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1228 342

Aktenzeichen: S 40003 VIII c/21 g

Anmeldetag: 14. Juli 1954

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung betrifft ein Diffusionsverfahren zum Dotieren einer Oberflächenschicht von festen Halbleiterkörpern für Richtleiter, Transistoren oder andere Halbleiteranordnungen mit pn-Übergängen, bei dem der Halbleiterkörper auf einer Temperatur zwischen seiner Schmelztemperatur und der Verdampfungstemperatur des Dotierungsstoffes gehalten und mit dem dampf- oder gasförmigen Dotierungsstoff in Berührung gebracht wird.

Wenn mit diesem bekannten Verfahren nur an einer Stelle oder an einzelnen Stellen der Oberfläche eines Halbleiterkörpers eine dotierte Oberflächenschicht erzeugt werden soll, so müssen die übrigen Oberflächenteile durch einen geeigneten Überzug abgedeckt und dadurch vor einer Berührung mit dem Dotierungsstoff, der infolge seines gas- oder dampfförmigen Zustandes den Halbleiterkörper vollständig umgibt, bewahrt werden. Das Anbringen solcher Überzüge und ihre nachträgliche Entfernung erfordern zusätzlichen Arbeitsaufwand und besondere Sorgfalt. Außerdem ist wegen der Empfindlichkeit der Halbleitermaterialien gegen Verunreinigung durch Fremdstoffe selbst eine nur vorübergehende Anwesenheit der in Betracht kommenden Überzugsstoffe, die zudem fest auf der Halbleiteroberfläche haften müssen, während der zur Durchführung des Diffusionsvorgangs notwendigen Wärmebehandlung häufig unerwünscht. Schließlich ist die stellenweise Abdeckung nur bei verhältnismäßig niedriger Behandlungstemperatur anwendbar und obendrein nicht immer unbedingt zuverlässig.

Demgegenüber kann eine Verbesserung erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, daß der Halbleiterkörper allseitig der Oberflächendotierung ausgesetzt wird und daß sein unverändert gebliebener Kern nachträglich durch Entfernung von Teilen der veränderten Schicht an einer oder mehreren Stellen mit mechanischen oder chemischen Mitteln oder durch Zerschneiden des Halbleiterkörpers teilweise freigelegt wird. Das kann beispielsweise durch Einsägen oder Einätzen von Rillen geschehen. Die Verwendung scheibenförmiger Halbleiterkörper kann auch der Scheibenrand rings um den unverändert gebliebenen Kern entfernt werden.

An Hand der Zeichnung sollen das neue Verfahren und weitere Verbesserungen näher erläutert werden. Gemäß F i g. 1 und 2 wird eine Siliziumscheibe 2, welche beispielsweise von einem mittels eines tiegelfreien, senkrechten Zonenziehverfahrens gewonnenen einkristallinen, eigen-, Überschuß- oder mangelleitenden Siliziumstab abgesägt sein kann, mit einer aus dem Dotierungsstoff, und zwar für den zunächst an-Diffusionsverfahren zum Dotieren einer
Oberflächenschicht von festen Halbleiterkörpern

Anmelder:

Siem ens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Reimer Emeis, Ebermannstadt

genommenen Fall- der Mangelleitung aus einer Donatorsubstanz, z. B. Antimon, Phosphor, Arsen, bestehenden Pille 4 zusammen in eine Ampulle 3 eingeschlossen und die Ampulle 3 in waagerechter Lage in einen elektrisch beheizten Ofen 5 eingesetzt, der ebenso wie sein Verschluß 6 in F i g. 1 nur schematisch angedeutet ist. Die im wesentlichen kreisförmige Siliziumscheibe 2 befindet sich an dem einen und die Dotierungspille 4 am anderen Ende der Ampulle 3.

Die Siliziumscheibe liegt infolge des gleichfalls angenähert kreisförmigen Querschnitts der Ampulle 3 nur an zwei gegenüberliegenden Randstellen auf und ist somit von allen Seiten zugänglich. Der Ofen wird je nach den Umständen 0,5 bis 6 Stunden oder noch länger auf einer Temperatur von z. B. etwa 1200° C gehalten, so daß während dieser Zeit, nachdem die Pille 4 ganz oder teilweise verdampft ist, der Innenraum der Ampulle 3 von dem Dampf des Dotierungsstoffes 4 erfüllt ist. Dabei diffundieren die mit der Siliziumscheibe in Berührung kommenden Atome der Donatorensubstanz, da sich die Siliziumscheibe ebenfalls auf der hohen Temperatur befindet, in diese ein bis zu einer begrenzten Schichttiefe, die von der Behandlungsdauer abhängig ist. Diese Diffusionsschicht bildet über dem unverändert gebliebenen Siliziumkern einen diesen allseitig umgebenden Überzug, dessen Stärke über die ganze Oberfläche sehr gleichmäßig ist. Er bedeckt beide Seiten der Siliziumscheibe und auch ihren kreisförmigen Rand. Die Ampulle 2 kann beispielsweise aus Quarz oder ■—■ bei Halbleiterstoffen mit niedrigerem Schmelzpunkt wie z. B. Germanium — aus Glas bestehen.

Nach dem Einbringen des Halbleiters 2 und der Dotierungspille 4 wird die Ampulle 3 vorteilhaft evakuiert und dann zugeschmolzen. Sie kann aber auch mit einem Gas gefüllt werden, mit dem sich dann später der Dampf des Dotierungsstoffes vermengt.

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Ein geeignetes Gas, das an dem Diffusionsvorgang Dieser Halbleiter kann nachträglich, wie in F i g. 5

nicht teilnimmt, ist beispielsweise Argon. Auch beispielsweise durch eine gestrichelte senkrechte

Wasserstoff eignet sich als Füllgas. Es hat den beson- Linie angedeutet ist, so zerschnitten werden, daß

deren Vorteil, daß es reduzierend wirkt und infolge- sein unverändert gebliebener Kern teilweise freigelegt

dessen auch noch eine Legierungsbildung bei dazu 5 wird. Einen der beiden so erhaltenen Teile zeigt

neigenden Stoffpaaren begünstigt, ohne jedoch selbst F i g. 6. Wird vor oder nach der Ausführung des in

an ihr teilzunehmen. Es kann auch ein Gas verwen- Fig.5 dargestellten Parallelschnittes der Rand mit

det werden, mit dein der Dampf des Dotierungsstoffes mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt, wie

eine gasförmige Verbindung eingeht. früher erwähnt und in F i g. 4 und 5 durch weitere

Die Ampulle kann auch von vornherein mit einer io gestrichelte Linien angedeutet, so entsteht die in

solchen gasförmigen Verbindung des Dotierungs- F i g. 7 abgebildete Form des Halbleiters. Die beiden

stoffes gefüllt werden. Eine besondere Dotierungs- Formen gemäß F i g. 6 und 7 können beiderseits in

pille ist dann nicht erforderlich. Die Erhitzung darf an sich bekannter Weise kontaktiert und als Gleich-

jedoch nicht wegfallen, da sie zur Diffusion bzw. richter verwendet werden.

Legierungsbildung notwendig ist. Als gasförmige Ver- 15 Unterbleibt bei einem Halbleiter ähnlich demje-

bindungen der fraglichen Art sind beispielsweise zur nigen nach F i g. 4 und 5, jedoch vorteilhaft mit

Erzeugung eines η-leitenden Überzuges auf p-leiten- geringerer Gesamtdicke, nach dem Abschleifen des

dem Silizium Antimonwasserstoff, Phosphorwasser- Randes eine weitere Zerlegung, so hat er die in

stoff und Arsenwasserstoff geeignet. Fig. 8 dargestellte Form. Er kann dann zu einem

Als weitere Beispiele von Dotierungsstoffen seien 20 Transistor weiterverarbeitet werden, indem je ein Bor, Indium, Gallium, Aluminium und deren Verbin- Kontakt auf den beiden Seitenflächen angebracht düngen genannt, mit welchen z. B. auf η-leitendem wird, von denen die eine die Kollektorelektrode und Silizium bzw. Germanium eine p-leitende Oberflä- die andere die Emitterelektrode bildet, und ein Basischenschicht nach einem der beschriebenen Verfahren kontakt am Rande dort, wo der hinsichtlich seines hergestellt werden kann. 25 Leitungstyps unveränderte Kern zu Tage tritt. Die

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, Anbringung eines solchen Basiskontaktes ist aber

daß eine größere Anzahl von Halbleiterkörpern in wegen der geringen Breite dieses Umfangsstreifens

einen Ofen eingebracht werden, durch den das den verhältnismäßig schwierig. Es empfiehlt sich daher,

Dotierungsstoff enthaltende Gasgemisch bzw! die mit zunächst durch Entfernung weiterer Teile der umge-

dem Dotierungsstoff gebildete gasförmige Verbin- 30 wandelten Oberflächenschicht, etwa wie in F i g. 8

dung während der erforderlichen Zeitdauer hindurch- durch gestrichelte Linien angedeutet, den unverän-

geleitet wird. Der nach einem der beschriebenen derten Kern des Halbleiters zum Teil an mehreren

Verfahren behandelte Halbleiter besteht hinterher Seiten für die Anbringung des Basiskontaktes frei-

aus einem Kern, der den ursprünglichen Leitungstyp zulegen.

behalten hat, und einer einen anderen, beispielsweise 35 Eine bequeme Möglichkeit zu einer weiteren

den entgegengesetzten Leitungstyp wie der Kern Freilegung des unverändert gebliebenen Kernes mit

aufweisenden allseitigen Hülle. Zwischen Kern und Hilfe einer an sich bekannten Schleifvorrichtung,

Hülle befindet sich im Fall eines entgegengesetzten mit welcher ebene Schliffe hergestellt werden können,

Leitungstyps ein pn-übergang. veranschaulichen die folgenden Figuren. Nach den

Die so erhaltenen Halbleiterkörper unterzieht man 40 F i g. 9 und 10 ist der scheibenförmige Halbleiter an einer sich anschließenden weiteren Behandlung in der seinem unteren Rande verdickt. Nachdem der Lei-Weise, daß durch nachträgliche teilweise Entfernung tungstyp auf seiner ganzen Oberfläche verändert ist, der veränderten Oberflächenschicht der unveränderte wird zunächst der Rand ringsherum entfernt. An-Kern des Halbleiters an einer oder mehreren Stellen schließend werden die Vorsprünge auf beiden Seiten freigelegt wird. So kann beispielsweise der Rand 45 weggeschliffen, so daß beide Seitenflächen völlig eben einer Siliziumscheibe ringsherum durch Ätzen oder sind. In F i g. 10 ist dies durch gestrichelte Linien an-Schleifen entfernt werden. Beträgt die Fläche der gegeben. Von der nunmehr vorhandenen Zylinderbehandelten Siliziumscheibe ein Mehrfaches der scheibe haben gemäß Fig. 11 und 12 nur die oberen Fläche der fertigen Gleichrichter bzw. Transistoren, Teile der beiden Seitenflächen noch eine Schicht von so wird z.B. gemäß Fig. 3 die Scheibe 2 hinterher 50 verändertem Leitungstyp. Hier werden die Richtelekdurch senkrechte Schnitte, die durch gestrichelte trodenkontakte 11 und 12 mit den daran befestigten Linien a, b angedeutet sind, in mehrere Teile 7, 8 Anschlußdrähten angebracht. Für die Anbringung des zerlegt, wobei der Rand ohne weiteres zum Abfall Basiskontaktes 10 steht hier der untere Teil der gehört. Die vorerwähnten Arbeitsvorgänge sind unter Scheibe 9 zur Verfügung, wo der Kern mit dem Umständen unabhängig von dem zur Erzeugung des 55 ursprünglichen Leitungstyp an drei Seiten freigelegt pn-Überganges benutzten Verfahren sowieso erfor- ist. Der Basiskontakt 10 kann infolgedessen, wie darderlich, stellen also kernen zusätzlichen, durch das gestellt, so angebracht werden, daß er diesen freigehier erstmals beschriebene Verfahren bedingten Auf- legten Teil des Kerns umklammert. Diese Kontakwand dar. tierung ist verhältnismäßig bequem durchführbar.

In den F i g. 4 und 5 ist in vergrößertem Maßstabe 60 Die Herstellung der stellenweise verdickten Halbein scheibenförmiger Halbleiter dargestellt, bei wel- leiterscheiben gemäß F i g. 9 und 10 aus einem stabchem durch eine geeignete, insbesondere die oben förmigen Einkristall, wie er beispielsweise durch das beschriebene Behandlung eine Änderung des Lei- senkrechte Zonenziehverfahren gewonnen wird, kann tungstyps auf der ganzen Oberfläche, bestehend aus mittels der bekannten Fadensäge durch Stufenden beiden ebenen Seitenflächen und der zylindri- 65 schnitte beispielsweise gemäß F i g. 13 derart durchsehen Randfläche, stattgefunden hat, wie durch geführt werden, daß möglichst wenig Abfall entsteht, dünne ausgezogene Linien und die beispielsweise Bei den Scheibenformen gemäß den F i g. 14 und eingetragenen Bezeichnungen ρ und η angedeutet ist. 15 befindet sich die Verdickung in der Mitte der

beiden Flachseiten der Scheibe. Nach Umwandlung des Leitungstyps auf der ganzen Oberfläche in der oben beschriebenen Weise 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 F i g. 16 beispielsweise in vier Teile 13 zerschnitten und jeder dieser Teile 13 gemäß F i g. 17 mit den Richtelektrodenkontakten 11 und 12 und dem den freigelegten Kernteil auf drei Seiten umfassenden Basiskontakt 10 versehen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Diffusionsverfahren zum Dotieren einer Oberflächenschicht von festen Halbleiterkörpern für Richtleiter, Transistoren oder andere Halbleiteranordnungen mit pn-Ubergängen, bei dem der Halbleiterkörper auf einer Temperatur zwisehen seiner Schmelztemperatur und der Verdampfungstemperatur des Dotierungsstoffes gehalten und mit dem dampf- oder gasförmigen Dotierungsstoff in Berührung gebracht wird, dadurchgekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper allseitig der Oberflächendotierung ausgesetzt wird und daß sein unverändert gebliebener Kern nachträglich durch Entfernung von Teilen der veränderten Schicht an einer oder mehreren Stellen mit mechanischen oder chemischen Mitteln oder durch Zerschneiden des Halbleiterkörpers teilweise freigelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein scheibenförmiger Halbleiterkörper verwendet und nachträglich dessen Rand rings um den unverändert gebliebenen Kern entfernt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 840 418, 865 160,
293, 913 676;-

deutsche Patentanmeldungen 14676 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 27. 3. 1952), S 19638 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 30.12.1952), S 27348VIIIc/ 21g (bekanntgemacht am 25. 6.1953);

schweizerische Patentschrift Nr. 294 487;

»Das Elektron«, Bd. 5, H. 13/14, 1951/1952,
S. 429 bis 439;

Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58,1954,
S. 283 bis 321.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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