DE2216031A1

DE2216031A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bereichs gewünschten Leitungstyps an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers

Info

Publication number: DE2216031A1
Application number: DE19722216031
Authority: DE
Inventors: Henry Elizabeth; Nelson Herbert Princeton; N.J. Kressel (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-04-07
Filing date: 1972-04-01
Publication date: 1972-10-12
Also published as: IT950293B; JPS4736965A; US3762968A; CA957784A; JPS533227B1; NL7204609A; FR2132690A1; GB1332775A; FR2132690B1

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dr.-Ing. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen

Patentanwälte · 4Dod Düsseldorf - Cecilienallee 7β ■ Telefon 43273a

Unsere Akte: 27 356 30. März 1972

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St₀A.)

"Verfahren zum Herstellen eines Bereichs gewünschten Leitungstyps an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bereichs gewünschten Leitfähigkeitstyps an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers, insbesondere auf ein Verfahren zum Bilden eines derartigen Bereiches in einem Körper aus einkristallinem Galliumarsenid oder Aluminium-Galliumarsenid, ohne daß dabei irgendwelche Kristallbeschädigungen an oder nahe der Oberfläche des Körpers hervorgerufen werden.

Viele Arten von Halbleiterbauteilen erfordern einen dünnen Bereich eines gewünschten Leitungstyps entlang der Oberfläche eines Körpers aus einkristallinem Halbleitermaterial. Der Bereich kann eine dem Leitungstyp des Körpers entgegengesetzte Leitung besitzen, beispielsweise ein P-Bereich in einem N-Körper oder ein N-Bereich in einem P-Körper sein, um einen P-N-Ubergang zu bilden; er kann aber auch denselben Leitungstyp wie der Körper besitzen, jedoch mit einer höheren Konzentration an Leitfähigkeitsmodifizierer, so daß ein P⁺-Bereich in einem P-Körper oder ein N⁺-Bereich in einem N-Körper entsteht. Grundsätzlich wird solch ein Bereich in einem Körper dadurch gebildet, daß der Körper in einer Kammer unterge-

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bracht wird, die mit Dampf des gewünschten Leitfähigkeitsmodifizierers gefüllt wird. Der Körper wird dann soweit erhitzt, daß der Leitfähigkeitsmodifizierer an der Körperoberfläche in den Körper diffundiert.

Wenn dieses Verfahren angewendet wird, um dünne Bereiche in einem Körper aus ^einkristallinem Galliumarsenid oder Aluminiumgalliumarsenid herzustellen, treten verschiedene Probleme auf. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Diffusion des Dampfes des Leitfähig- , keitsmodifizierers in einen Galliumarsenid- oder AIuminium-Galliumarsenid-Körper erhebliche Kristallschäden an der Oberfläche des Körpers und in dem nahe der Oberfläche liegenden Teil des Körpers hervorruft. Derartige Kristallschäden beeinträchtigen die elektrischen Eigenschaften des herzustellenden Halbleiterbauteils sehr nachteilig. Außerdem hat sich herausgestellt, daß es schwierig ist, die Dicke des Bereichs und das Profil der Modifiziererkonzentration in dem dünnen Bereich bei Anwendung der bekannten Verfahren zu kontrollieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche des Grundblocks eine Schicht aus einkristallinem Material erzeugt wird, die mittels eines das Material des Grundblocks nicht oder nur unwesentlich angreifenden Ätzmittels entfernt werden kann, und die ein Kristallgitter aufweist, das dem des Grundblocks genau entspricht, wobei die Schicht einen Leitfähigkeitsmodifizierer des gewünschten Leitungstyps enthält, daß der überzogene Grundblock derart erhitzt wird, daß der Leitfähigkeitsmodifizierer in ihn eindiffundiert, und daß zumindest ein Teil der Schicht mittels eines den Grundblock nicht oder nur unwesentlich angreifenden Ätzmittels entfernt wird, um zumindest einen Teil

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der Oberfläche des Grundblocks freizulegen.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 verschiedene Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem im Querschnitt dargestellten Bauteil; und

Fig. 5 eine Vorrichtung in schematischer Darstellung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Wie in Fig.. 1 dargestellt ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von einem Grundblock 10 aus einkristallinem Galliumarsenid (GaAS) oder Aluminium-Galliumarsenid ausgegangen, das eine relativ niedrige Konzentration an Aluminium aufweist (Al_xGa_x-^As, wobei χ kleiner als ungefähr 0,4 ist).. Der Grundblock 10 kann jeden Leitungstyp besitzen, d.h. entweder P- oder N-leitend sein. Eine Oberfläche 12 des Grundblocks 10 wird sodann mit einer Schicht 14 aus einkristallinem Halbleitermaterial überzogen, das mit einem Ätzmittel geätzt werden kann, das den Grundblock 10 nicht wesentlich angreift, wobei die Schicht ein Kristallgitter aufweist, das dem Kristallgitter des Grundblocks 10 entspricht, wie beispielsweise Aluminium-Galliumarsenid mit relativ hoher Konzentration an Aluminium (Al Ga ,.As, wobei χ größer als ungefähr 0,4 ist). Die Schicht 14 enthält einen Leitfähigkeitsmodifizierer, mit dem der gewünschte Bereich im Grundblock 10 gebildet werden kann. Sofern ein P-Bereich herzustellen ist, kann der Leitfähigkeitsmodifizierer Zink, Germanium oder Kadmium sein. Wird ein N-Bereich hergestellt, so kann der Leitfähigkeitsmodifizierer aus Tellur, Schwefel oder Zinn bestehen.

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Die Schicht 14 wird auf der Oberfläche 12 des Grundblocks 10 mittels bekannter Techniken der Flüssigphasenepitaxie hergestellt. Eine geeignete Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Wie daraus hervorgeht, ist beispielsweise ein Schiffchen 20 aus Graphit in einem Quarzofen 22 untergebracht, der in bekannter Weise elektrisch beheizt wird. Der Grundblock 10 wird im Schiffchen 20 fest an dessen Boden gehalten, beispielsweise mittels einer schematisch dargestellten Klammer 24. Im untersten Teil des Schiffchens 20, und zwar bei der in Fig, 5 dargestellten geneigten Position, befindet sich eine Schmelze 26, die aus einer Mischung der für das Material der Schicht 14 vorgesehenen Kristallsubstanz besteht, beispielsweise Galliumarsenid und Aluminium, um Aluminium-Galliumarsenid zu bilden, sowie den geeigneten Leitfähigkeitsmodifizierer in einem entsprechenden Lösungsmittel, wie Gallium, enthält. Um eine nichtoxydierende Atmosphäre im Bereich des Grundblocks 10 zu erhalten, wird der Ofen 22 beispielsweise mit einem inerten Gas oder Wasserstoff laufend belüftet.

Mit den Bestandteilen der Schmelze 26 und dem in der beschriebenen Weise angeordneten Grundblock 10 im Schiffchen 20 wird das System bei gemäß Fig. 5 geneigtem Ofen 22 auf eine Temperatur erhitzt, die zum Aufwachsen der Schicht 14 genügt. Während die Temperatur im Ofen steigt, schmilzt das Lösungsmittel und die Substanzen lösen sich darin auf. Sobald die Temperatur den gewünschten Wert (in der englischen Fachsprache "tip-temperature" genannt) erreicht hat, wird die Wärmezufuhr unterbrochen und der Ofen 22 geschwenkt, so daß die Schmelze 26 die freie Oberfläche des Körpers 10 überspült und abdeckt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Lösungsmittel nahezu gesättigt mit der gewünschten kristallinen Substanz. Sobald der Ofen abkühlt, beginnt sich der Grundblock 10 an der

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Oberfläche 12 aufzulösen, bis ein Lösungsgleichgewicht erreicht ist. Bei weiterem Abkühlen tritt dann ein Ausfällen der gewünschten Substanz aus der Lösung ein, was zu einem epitaxialen Aufwachsen auf dem Grundblock führt. Nachdem die Epitaxialschicht 14 bis zur gewünschten Dicke gewachsen ist, wird der Ofen 22 in seine ursprüngliche Position zurückverschwenkt, um die verbleibende, geschmolzene Charge von der Oberfläche abzugießen.

Der beschichtete Grundblock 10 wird sodann auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Leitfähigkeitsmodifizierer aus der Schicht 14 injden Grundblock 10 diffundiert und dabei den entlang der Oberfläche 12 (vgl, Fig. 3) verlaufenden Bereich 16 des gewünschten Leitungstyps bildet. Die Diffusionstemperatur ist abhängig von dem Jeweils gewählten, zu diffundierenden Leitfähigkeitsmodifizierer. Jedoch liegt die Diffusionstemperatur grundsätzlich zwischen 850 und 1000⁰C. Die Diffusionszeit wird entsprechend der gewünschten Dicke für den Bereich 16 gewählt. Wenn während der Bildung der Schicht 14 die sogenannte "tip-temperature" (s.o.) relativ hoch gehalten wird, kann der Bereich 16 gleichzeitig mit der Bildung der Schicht 14 diffundiert werden. Alternativ kann die "tip-temperature" auf einem relativ niedrigen Wert gehalten und nach Fertigstellung der Epitaxialschicht 14 die so entstandene Struktur genügend lange erhitzt werden, um den Bereich 16 durch Diffusion des Leitfähigkeitsmodifizierers aus der Schicht -14 herzustellen. Nach Bildung des Bereichs 16 wird zumindest ein Teil der-Schicht 14 entfernt, um die Oberfläche 12 des Grundblocks 10 gemäß Fig. 4 freizulegen. Die Schicht 14 wird dadurch' entfernt, daß sie mit einem Ätzmittel in Berührung gebracht wird, das zwar das Material der Schicht 14 angreift, jedoch zumindest nicht in wesentlichem Umfang das Material des Grundblocks 12 ätzt. Eine Schicht 14 aus Aluminium-

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Galliumarsenid mit einer relativ hohen Konzentration an Aluminium (Al_xGa_x-1As, wobei χ größer als ungefähr 0,4 ist) kann mit kochender Salzsäure geätzt werden, wobei dieses Ätzmittel einen Grundblock aus Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminium-Galliumarsenid mit relativ niedriger Konzentration an Aluminium (Al Ga -,As, wobei χ kleiner als 0,4 ist) nicht angreift. Wenn es erwünscht ist, kann die gesamte Schicht 14 entfernt werden, um die gesamte Oberfläche 12 des Grundblocks 10 freizulegen. Da jedoch die Schicht 14 generell eine höhere Konzentration an Leitfähigkeitsmodifizierer aufweist als der Bereich 16, und somit eine höhere Leitfähigkeit als der Bereich 16 besitzt, bietet ein gemäß Fig» 4 auf der Oberfläche 12 belassener Teil 14a der Schicht 14 einen guten Ohm "sehen Kontakt zum Bereich 14.

Nachfolgend wird ein spezielles Beispiel für die Herstellung eines dünnen Bereichs mit P-Leitung in einem N-leitenden Galliumarsenidgrundblock beschrieben.

Beispiel

Eine Mischung von 5g Gallium und 7g Galliumarsenid wird in ein Schiffchen 20, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, gebracht. Das Schiffchen wird sodann in einen Ofen 22 gestellt, der auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Mischung auf 950°C erhitzt wird, um ein gründliches Durchmischender Ingredienzen zu erreichen. Nachdem die Mischung etwa 5 Minuten auf der vorgenannten Temperatur gehalten wurde, wird sie auf Raumtemperatur abgekühlt. Der aus Gallium und Galliumarsenid bestehenden Mischung werden im Schiffchen 100 mg Aluminium und 330 mg Zink zugeführt und im Schiffchen ein Grundblock aus N-leitendem Galliumarsenid mit einer Ladungsträgerkonzentration des Siliziums von 1 bis 2 χ 10 cm"⁵ befestigt. In der

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gemäß Fig. 5 geneigten Stellung wird der Ofen sodann auf eine Temperatur von 95O°C erhitzt, um die Mischung zu schmelzen. Die Wärmezufuhr wird dann abgestellt, so daß der Ofen abkühlen kann. Bei einer Temperatur von 90O⁰C wird der Ofen gekippt, um den Grundblock in die Schmelze einzutauchen. Sobald die Ofentemperatur auf ungefähr 400°C abgesunken ist, wird der Ofen wieder in seine ursprüngliche Lage verschwenkt, um die verbleibende geschmolzene Charge vom Grundblock abfließen zu lassen. Durch diese Maßnahme wird auf der Oberfläche des Grundblocks eine Epitaxialschicht aus Zink enthaltendem Aluminium-Galliumars enid erzeugt, die ungefähr 38 Zi, dick ist.

Der beschichtete Grundblock wird nun aus dem Schiffchen entfernt und die Epitaxialschicht bis auf eine Dicke von ungefähr 25/ί. geläppt, um die Schichtoberfläche zu reinigen. Der Grundblock wird sodann in einem Querzbehälter untergebracht, der evakuiert und mit gasförmigem Zinkarsenid gefüllt wird. Der Behälter wird danach für ca. 15 Minuten auf eine Temperatur von ungefähr 850°C erhitzt. Dadurch diffundiert das Zink aus der Epitaxialschicht in den Grundblock, wodurch ein etwa 1,5/t tiefer, P-leitender Bereich an der Oberfläche des Grundblocks gebildet wird. Der Grundblock wird sodann dem Behälter entnommen und in Salzsäure getaucht, die auf eine Temperatur zwischen 80 und 100 C erwärmt wird. Dadurch wird die Epitaxialschicht entfernt und die Oberfläche des Grundblocks freigelegt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem der Leitfähigkeitsmodifizierer durch Diffusion in den Grundblock 10 aus einem Halbleitermaterial diffundiert wird, das ein Kristallgitter aufweist, das mit dem des Grundblocks übereinstimmt, und wobei weiterhin das Halbleitermaterial leicht entfernt werden kann, ohne das Grund-

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blockmaterial dabei zu beschädigen, wird erreicht, daß die endgültige Oberfläche des Grundblocks eben ist und weder an der Oberfläche noch in deren näherem Bereich Kristallschäden auftreten. Da weiterhin die Quelle für den Leitfähigkeitsmodifizierer aus einer Epitaxialschicht besteht, kann die Konzentration des Leitfähigkeitsmodifizierers in der Schicht während des epitaxialen Aufwachsens leicht kontrolliert werden, so daß in einfacher Weise ein gewünschtes Konzentrationsprofil für den Leitfähigkeitsmodifizierer im diffundierten Bereich 16 durch einfache Kontrolle des Ablaufs der Diffusionswärmezufuhr erreicht werden kann. Weiterhin ist durch die Bildung der Epitaxialschicht mittels der Flüssigphasenepitaxie die Möglichkeit ausgeschlossen, daß unerwünschte Verunreinigungen in den Grundblock gelangen. Schließlich bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, in bequemer Weise Ohm-sche Kontakte am diffundierten Bereich anzubringen, indem nämlich ein Teil der Epitaxialschicht 14 auf der Oberfläche 12 des Grundblocks belassen wird. Somit wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, mit dem ein Oberflächenbereich eines gewünschten Leitungstyps in einem Halbleitergrundblock gebildet werden kann, ohn daß irgendwelche kristallinen Schaden an oder direkt unterhalb der Oberfläche des Grundblocks eintreten, wobei in einfacher Weise ein gewünschtes Profil des Leitfähigkeitsmodifizierers in diesem Bereich gesteuert werden kann. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig für die Bildung eines hochleitenden Ohm'sehen Kontaktes an diesem Bereich, wenn ein solcher Kontakt gewünscht ist.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y₀ 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

1„ Verfahren zum Herstellen eines Bereichs gewünschten Leitungstyps an der Oberfläche eines Grundblocks aus einkristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Oberfläche (12) des Grundblocks (10) eine Schicht (14) aus einkristallinem Material erzeugt wird, die mittels eines das Material des Grundblocks nicht oder nur unwesentlich angreifenden Ätzmittels entfernt werden kann, und die ein Kristallgitter aufweist, das dem des Grundblocks genau entspricht, wobei die Schicht (14) einen Leitfähigkeitsmodifizierer des gewünschten Leitungstyps enthält, daß der überzogene Grundblock (10) derart erhitzt wird, daß der Leitfähgigkeitsmodifizierer in ihn eindiffundiert, und daß zumindest ein Teil der Schicht (14) mittels eines den Grundblock nicht oder nur unwesentlich angreifenden Ätzmittels entfernt wird, um zumindest einen Teil der Oberfläche des Grundblocks (10) freizulegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (-14) epitaxial auf die Oberfläche (12) des Grundblocks (10) aufgebracht wird.
ο Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (14) mittels der Flüssigphasenepitaxie hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Grundblock (10) aus einkristallinem Galliumarsenid oder einer LegLerung desselben beuteht.

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5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14) aus einkristallinem Aluminium-Galliumarsenid besteht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch g^e kennzeich η et,

daß der Grundblock (10) aus Galliumarsenid oder Aluminium-Galliumars enid besteht, das eine Aluminiumkonzentration aufweist, die wesentlich geringer ist als die Aluminiumkonzentration in der Schicht (14).
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14) mit Salzsäure geätzt wird.

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