DE1141724B

DE1141724B - Verfahren zum Herstellen eines p-n-UEbergangs in einer einkristallinen Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1141724B
Application number: DES73904A
Authority: DE
Inventors: Dr Richard Wiesner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-05-10
Filing date: 1961-05-10
Publication date: 1962-12-27
Also published as: FR1321379A; US3260624A; DE1141724C2; GB966257A; CH415856A; NL275313A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 73904 VIII c/21g

ANMELDETAG: 10. MAI 1961

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 27. DEZEMBER 1962

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines p-n-Übergangs in einer einkristallinen Halbleiteranordnung, bei dem aus einem mit Donatoren und Akzeptoren verschiedener Diffusionskonstante dotierten Gebiet des Halbleiterkörpers, in welchem die Störstellenart mit dem kleineren Diffusionskoeffizienten überwiegt, beide Störstellenarten gleichzeitig in ein benachbartes Gebiet unter Bildung eines p-n-Übergangs in diesem benachbarten Gebiet eindiffundieren.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Halbleiteranordnung bekannt, bei dem auf einen Körper aus Halbleitermaterial ein Legierungsstück, das ein langsam diffundierendes Material von dem einen Leitungstyp und ein rasch diffundierendes Material vom entgegengesetzten Leitungstyp enthält, aufgebracht wird. Die Halbleiteranordnung wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend hoch ist, das Legierungsstück zum Schmelzen und zum Legieren mit einem Teil des Körpers zu bringen. Die geschmolzene Legierung wird dann geringfügig abgekühlt und das in ihr aufgelöste Körpermaterial zur Wiederausscheidung gebracht. Während einer Diffusionsperiode wird die Halbleiteranordnung auf einer erhöhten Temperatur gehalten, so daß das langsam diffundierende Material eine erste Diffusionsschicht im Körper bildet und das rasch diffundierende Material eine zweite Diffusionsschicht vom entgegengesetzten Leitungstyp im Körper bildet. Die so hergestellte Schichtenfolge bildet den sogenannten »Hakenkollektor« eines Transistors, bei dem auf diese Weise die den »Haken« im Potentialverlauf verursachende Schicht hinsichtlich ihrer Dicke und ihres Leitungstyps in definierter Weise hergestellt werden soll.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, in der Basiszone eines Transistors, die durch epitaktisches Aufwachsen auf einer Unterlage hergestellt wird, ■ bei der also Epitaxie zwischen dem Kristallgitter der Basiszone und dem der Unterlage vorhanden ist, eine Dotierung zu erzeugen, bei der die Leitfähigkeit in der aufgewachsenen Zone in Richtung auf die Unterlage von einem kleinen Wert beginnend ansteigt. Eine solche Dotierung ist z. B. bei Transistoren, insbesondere für höhere Frequenzen oder für kurze Schaltzeiten günstig, um die Emitterkapazität möglichst klein zu halten; man muß daher im epitaktisch aufgewachsenen Basisbereich vor dem Emitter eine verhältnismäßig hochohmige Zone herstellen.

Es ist bekannt, auf eine einkristalline Halbleiterunterlage eine einkristalline Halbleiterschicht des Verfahren zum Herstellen eines

p-n-Übergangs in einer einkristallinen

Halbleiteranordnung

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Richard Wiesner, München,
ist als Erfinder genannt worden

gleichen Halbleitermaterials epitaktisch niederzuschlagen, indem eine gasförmige Verbindung des Halbleiterstoffes thermisch-chemisch an der erhitzten und als Wärmequelle für die Zersetzung dienenden Oberfläche der Unterlage zersetzt wird. Wendet man ein derartiges Verfahren an, um auf einer z. B. später als Kollektorzone an einem Transistor dienenden Unterlage die Basiszone aufwachsen zu lassen, so ist es schwierig, in dem aufgewachsenen Halbleitermaterial diesen Dotierungsverlauf zu erzeugen.

Um in einem auf eine Halbleiterunterlage epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterteil eine Leitfähigkeit zu erhalten, die von einem relativ kleinen Wert beginnend zunächst in Richtung auf die Unterlage steigt, wird gemäß der Erfindung auf eine einkristalline, mit Donatoren und Akzeptoren hochdotierte Halbleiterunterlage eine einkristalline HaIblederschicht durch thermisch-chemisches Zersetzen einer gasförmigen Halbleiterverbindung an der als Wärmequelle für die Zersetzung dienenden Oberfläche der Unterlage niedergeschlagen und nach Beendigung des Niederschlagsverfahrens der so hergestellte Halbleiterkörper so lange erhitzt, bis von den beiden beim Tempern aus der Unterlage in die aufgewachsene Schicht eindiffundierenden Störstellenarten im wesentlichen nur die eine, an der der Unterlage abgewandten Seite der aufgewachsenen Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, die andere jedoch einen großen Teil dieser Schicht praktisch noch nicht erreicht hat.

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An Stelle des Tempers nach dem Aufwachsen der aufgewachsene Schicht 2 eindiifundiert, wobei die Schicht kann auch in der Weise vorgegangen werden, Diffusionsbedingungen und die Akzeptoren und daß durch Wahl der Aufwachsgeschwindigkeit, Donatoren in der Unterlage 1 so gewählt worden der Temperatur und der Aufwachsdauer die Stör- sind, daß nach Fertigstellung der Halbleiteranstellen während des Aufwachsens in die aufge- 5 Ordnung die Zone 2 auf der der Unterlage 1 abwachsene Schicht derart eindiffundieren, daß im gewendeten Seite eine geringe Dichte der Donatoren wesentlichen nur die eine Störstellenart an der der (Nd) besitzt, die (s. Fig. 1) von links nach rechts, Unterlage abgewandten Seite der aufgewachsenen also in Richtung auf die Unterlage 1, ansteigt. Die Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, Akzeptoren (Na) sind dagegen noch nicht durch die die andere jedoch einen großen Teil dieser Schicht 10 Zone 2 hindurchdiffundiert. Infolge des geringen praktisch noch nicht erreicht hat. Bei dieser Aus- Diffusionskoeffizienten der Akzeptoren fällt somit führungsform des Verfahrens kann zusätzlich eine in der Schicht 2 die Dichte der Akzeptoren steil ab. Temperung nach dem Aufwachsen der Schicht während die Konzentration (Nd) der Donatoren erfolgen. wegen des größeren Diffusionskoeffizienten dieser Die beiden Störstellenarten, die in der ein- 15 Störstellen nur relativ flach abfällt. An der der kristallinen Halbleiterunterlage vor dem Aufwachsen Unterlage am weitesten entfernten Seite der aufbereits vorhanden sind, werden so gewählt, daß gewachsenen Schicht 2 beträgt die Konzentration diejenige dieser beiden Störstellenarten, die durch der Donatoren vorteilhaft nur etwa noch 10¹⁵ bis ihre höhere Konzentration den Leitfähigkeitstyp 10¹⁷ Störstellen pro Kubikzentimeter. In der Fig. 2 der Unterlage bestimmt, bei den Temperaturen, 20 ist die sich aus dieser Störstellenverteilung der Fig. 1 die beim epitaktischen Aufwachsen angewandt ergebende Differenz (N_D—Na) der beiden Störstellenwerden bzw. bei der Temperatur der dem Auf- arten in der Unterlage 1 und in der epitaktisch aufwachsen folgenden Temperung, einen wesentlich gewachsenen Schicht 2 aufgetragen. Wie ersichtlich, kleineren Diffusionskoeffizienten als die andere ist die Unterlage 1 infolge des starken Überschusses Störstellenart besitzt. Wenn z. B. eine epitaktisch 25 der Akzeptoren (Na) p⁺-leitend. Diese p-Leitung aufgewachsene Germaniumzone η-leitend werden nimmt dann bis zur Kreuzungsstelle 2' der beiden soll, so empfiehlt es sich, in der Unterlage z.B. Na- und iVD-Linien in der Schicht2 (s. Fig. 1) Phosphor und Indium als Donatoren und Akzep- schnell ab und geht an dieser Kreuzungsstelle in die toren anzuwenden und sie mengenmäßig derart zu η-Leitung über. Diese η-Leitfähigkeit nimmt bei bemessen, daß die Unterlage p-leitend ist. 30 weiterer Entfernung schnell bis zum Maximum 2" Bei Silizium ist es aber vorteilhafter, die Unter- zu und fällt danach stetig und weniger steil bis auf lage η-leitend zu machen, z.B. dadurch, daß ihr den gewünschten niedrigen Wert an der der UnterAntimon und/oder Arsen in größerer Konzentration lage 1 abgewandten Seite der aufgewachsenen Schicht und als Akzeptoren Aluminium, Gallium, Bor ab.

und/oder Indium in kleinerer Konzentration zu- 35 Das Verfahren ist für Germanium wegen der gesetzt werden. Gegebenenfalls kann die η-Leitung schnelleren Diffusion der Donatoren gut geeignet, der Unterlage auch durch eine hohe Phosphor- Die Unterlage 1 der Fig. 1 besteht somit vorteilhaft dotierung erzielt werden, wenn in der Siliziumunter- aus Germanium mit einem starken Überschuß lage als Akzeptor in geringerer Konzentration der Akzeptoren (Na), so daß die Unterlage p*-leitend Aluminium verwendet wird, denn die Diffusions- 40 ist. Beim Aufwachsen der Schicht 2 bzw. bei der nach konstante des Aluminiums ist im Silizium noch dem Aufwachsen durchgeführten Temperung hat größer als die des Phosphors. Bei Germanium also die Schicht 2 an der der Unterlage 1 abgekehrten empfiehlt es sich jedoch, die Unterlage stark p-leitend Seite eine η-Leitfähigkeit in der Größenordnung zu machen, da die Diffusionskonstante der Akzep- von nur 0,1 Ohm~¹cm~¹, die in Richtung auf den toren, insbesondere des Bors, Indiums und Galliums, 45 p-n-Übergang 2' zunächst bis zum Maximum 2" im Germanium klein ist gegenüber der der Donatoren, von etwa 1 Ohm^cmr¹ ansteigt, wie vor allem gegenüber der Diffusionskonstante des Erzeugt man somit auf der der Unterlage 1 Arsens, des Antimons und des Phosphors. abgekehrten Seite der aufgewachsenen Schicht 2 Weitere Einzelheiten des Verfahrens nach der in an sich bekannter Weise eine entgegengesetzt Erfindung gehen aus der Erläuterung der folgenden 50 dotierte Zone 3, z. B. durch Eindiffundieren oder Ausführungsbeispiele hervor. Einlegieren von p-leitenden Störstellen in die In den Fig. 1 und 2 ist der Verlauf der Konzen- η-leitende Schicht 2 [s. die dicht schraffierte Zone 3 tration der Akzeptoren (Na) und Donatoren (Nd) in Fig. 1 und den gestrichelt gezeichneten Verlauf in der Halbleiterunterlage 1 und in der epitaktisch der Differenz (Na-Nd) in Fig. 2], so bildet diese aufgewachsenen Schicht 2 logarithmisch aufgetragen. 55 Schicht 3 die p-leitende Emitterzone E, die zunächst Die Unterlage 1 besitzt eine hohe Donatoren- und in eine relativ hochohmige Zone B und nach dem Akzeptorenkonzentration in der Größenordnung p-n-Übergang 2' in den niederohmigen Kollektor C von etwa 10^ls bis 10¹⁹/cm³ und ist in dem Aus- übergeht (s. Fig. 2). Das gewünschte Störstellenführungsbeispiel derart gewählt, daß die Dichte profil in der Easiszone B des Transistors ist somit der Akzeptoren (Na) die der Donatoren (Nd) 60 gewährleistet, nämlich hoher spezifischer Widerwesentlich überwiegt; sie ist also ρ'■-leitend. Diese stand vor dem Emitter, durch den eine kleine Emitterhohe Leitfähigkeit ist für Kollektorzonen von sperrschicht-Kapazität erreicht wird, und ein Do-Transistoren wertvoll, weil in ihr dann nur geringe tierungsmaximum, durch welches ein kleiner Basis-Verluste beim Stromdurchgang entstehen. Auf die widerstand erzielt wird.

Kollektorzone 1 ist, wie oben geschildert, die Zone 2 65 Wie schon oben ausgeführt, ist für das Ein-

epitaktisch aufgewachsen. Dabei und/oder in der diffundieren der Donatoren und Akzeptoren in die

nachfolgenden Temperung ist ein Teil der Akzep- aufgewachsene Schicht 2 eine nachträgliche Tempe-

toren und Donatoren aus der Unterlage 1 in die rung nicht unbedingt erforderlich, wenn bereits

während des Aufwachsprozesses die Störstellen aus der Unterlage in die aufwachsende Zone eindiffundieren. Dabei ist es auch möglich, dem Störstellenprofil eine vom normalen Diffusionsverlauf abweichende Gestalt zu geben, indem die Geschwindigkeit des Aufwachsens während des Aufwachsvorgangs verändert wird. Man kann z. B. durch Änderung der Abscheidebedingungen (Temperatur der Unterlage, Zusammensetzung des an der Unterlage vorbeiströmenden Gases) den Halbleiter zunächst langsam und dann schneller abscheiden, so daß die Dicke der Schicht 2 zunächst langsam und dann schneller wächst. Man erhält auf diese Weise einen zunächst flachen Verlauf der Dotierung (s. Fig. 3) in der Schicht 2, der dann (bei 2'") in _1S einen steileren Verlauf übergeht; dies ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. In diesen Figuren sind die gleichen Bezeichnungen wie in den Fig. 1 und 2 gewählt. In der Senkrechten sind die Logarithmen der Konzentrationen Na bzw. Nd aufgetragen (Fig. 3) bzw. der Logarithmus der Differenz beider Konzentrationen (Fig. 4). Vor allem bei kontinuierlicher Beschleunigung der Abscheidung kann man statt einer nach oben konkaven (Fig. 1) eine nach oben konvexe Verteilung erhalten, wie dies in den Fig. 5 und 6 schematisch gezeigt ist. Der Knickpunkt (s. 2'" in Fig. 3) der Konzentration Nd des Donators in der aufgewachsenen Schicht 2 ist dagegen durch sprunghafte Änderung der Geschwindigkeit des Aufwachsens auf die Unterlage 1 entstanden; bis zum Erreichen des Punktes 2'" wuchs die Dicke der Schicht 2 langsam und danach erheblich schneller. In den Fig. 3 bis 6 sind ferner die Emitterzone 3; E, die Basiszone B und die Kollektorzone C sowie durch die punktierte Linie der Verlauf des Störstellenüberschusses (Nd-Na), wie er sich im Halbleiterkristall nach Fertigstellung und nach Bildung der Zone 3 ergibt, gezeigt. Wie sich aus dem Verlauf des Störstellenüberschusses Na-Nd) ergibt, besitzt die Basis B in allen Fällen an dem p-n-Übergang zum Emitter eine relativ geringe Leitfähigkeit, so daß die Emitter-Basis-Kapazität, wie für Transistoren vielfach erwünscht, klein ist.

Vielfach empfiehlt es sich, während des epitaktischen Niederschiagens des Halbleiters auf der Unterlage 1 Fremdstoffe (Aktivatoren) zusätzlich niederzuschlagen, um der Störstellenverteilung im fertigen Halbleiterkristall den gewünschten Verlauf zu geben. Vorteilhaft werden hierfür solche Fremdstoffe gewählt, die in der aufgewachsenen Halbleiterschicht 2 einen dem der Unterlage 1 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp erzeugen. Auch kann die Konzentration des Fremdstoffniederschlags während des epitaktischen Aufwachsens der Schicht 2 geändert werden, insbesondere in der Weise, daß nach dem Aufwachsen bzw. nach dem Tempern die Konzentration in der Schicht 2 praktisch bis zur Unterlage 1 den der Unterlage entgegengesetzten Leitungstyp mit steilem Abfall der Leitfähigkeit e₀ in der von der Unterlage wegweisenden Richtung bestimmt.

Es können noch weitere, als Rekombinationszentren wirkende Störstellenarten, wie z. E. Nickel oder Gold, in der Unterlage vorhanden sein, die s₅ während des Aufwachsens und/oder durch das nachfolgende Tempern in die epitaktisch aufgewachsene Schicht 2 eindiffundiert werden. Dem Legierungsmaterial für Halbleiteranordnungen ein eine erhöhte Rekombination im Halbleiterkörper bewirkendes Element zuzusetzen, ist bekannt.

Fig. 7 stellt den Halbleiterkörper eines p-n-p-Transistors im Schnitt dar, der nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt worden ist. Gleiche Teile sind in dieser Figur mit den gleichen Bezeichnungen versehen wie in den Fig. 1 bis 6. Demnach ist 1 die Unterlage, die, wie in der Fig. 7 angegeben, durch einen starken Überschuß von Akzeptoren p⁺-leitend ist. Auf ihr ist epitaktisch in der angegebenen Weise die Schicht 2 aufgewachsen, in der sich der p-n-Übergang befindet und die an der der Unterlage abgewendeten Seite η-leitend ist. In diese Schicht 2 ist die Metallelektrode 4 in an sich bekannter Weise unter Bildung der Emitterschicht 3 einlegiert. Diese einlegierte Emitterschicht 3 ist p-leitend. Ferner ist an die epitaktisch aufgewachsene Schicht 2 die Basiselektrode 5 sperrschichtfrei aufgebracht, indem unter der Basiselektrode 5 die Schicht 2 stark mit η-leitenden Störstellen überdotiert ist, so daß sie dort η+-leitend ist. Die Unterlage 1 ist selbst mit der Kollektorelektrode 6 sperrschichtfrei versehen, indem bei ihr z. B. beim Aufbringen der Elektrode 6 eine ρ⁺+-Schicht erzeugt wurde.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Herstellen eines p-n-Übergangs in einer einkristallinen Halbleiteranordnung, bei dem aus einem mit Donatoren und Akzeptoren verschiedener Diffusionskonstante dotierten Gebiet des Halbleiterkörpers, in welchem die Störstellenart mit dem kleineren Diffusionskoeffizienten überwiegt, beide Störstellenarten gleichzeitig in ein benachbartes Gebiet unter Bildung eines p-n-Übergangs in diesem benachbarten Gebiet eindiffundieren, dadurch gekenn zeichnet, daß auf eine einkristalline, mit Donatoren und Akzeptoren hochdotierte Halbleiterunterlage eine einkristalline Halbleiterschicht durch thermisch-chemisches Zersetzen einer gasförmigen Halbleiterverbindung an der als Wärmequelle für die Zersetzung dienenden Oberfläche der Unterlage niedergeschlagen wird und daß nach Beendigung des Niederschlagsverfahrens der so hergestellte Halbleiterkörper so lange erhitzt wird, bis von den beiden beim Tempern aus der Unterlage in die aufgewachsene Schicht eindiffundierenden Störstellenarten im wesentlichen nur die eine an der der Unterlage abgewendeten Seite der aufgewachsenen Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, die andere jedoch einen großen Teil dieser Schicht praktisch noch nicht erreicht hat.

2. Verfahren zum Herstellen eines p-n-Übergangs in einer einkristallinen Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Temperns nach dem Aufwachsen der Schicht durch Wahl der Aufwachsgeschwindigkeit, der Temperatur und der Aufwachsdauer die Störstellen während des Aufwachsens in die aufgewachsene Schicht derart eindiffundieren, daß im wesentlichen nur die eine Störstellenart an der der Unterlage abgewendeten Seite der aufgewachsenen Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, die andere jedoch einen großen Teil dieser Schicht praktisch noch nicht erreicht hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Temperung nach dem Aufwachsen der Schicht erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Unterlage aus Germanium mit hoher p-Leitfähigkeit.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet" durch die Verwendung einer Unterlage aus Silizium mit hoher n-Leitfähigkeit.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Halbleiterunterlage einkristallin aufwachsende Halbleiterschicht unter gleichzeitigem Niederschlag von zusätzlichem Dotierungsmaterial hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Halbleiterunterlage, in der außer den beiden als Donatoren bzw. Akzeptoren wirkenden Stör-

stellenarten noch mindestens eine weitere, als Rekombinationszentrum wirkende Störstellenart, wie z. B. Nickel oder Gold, enthalten ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Halbleiterunterlage aufwachsende Schicht unter gleichzeitigem Niederschlagen von als Rekombinationszentren wirksamen Störstellen hergestellt wird. ,9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidegeschwindigkeit des Halbleitermaterials während des Aufwachsens geändert, insbesondere beschleunigt wird. ______

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 865 160;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 058 632;
deutsche Auslegeschrift W 14766 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 9. 2. 1956);
»Scientia electrica«, 1960, H. 2, S. 80 bis 91.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen