DE1240996B

DE1240996B - Verfahren zum Herstellen eines beiderseits hochdotierten pn-UEbergangs fuer Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE1240996B
Application number: DES73132A
Authority: DE
Inventors: Dr Guenther Winstel; Dr Guenther Ziegler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-03-24
Filing date: 1961-03-24
Publication date: 1967-05-24
Also published as: DE1240996C2

Description

DEUTSCHES 4WW9®!& PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Deutsche KI.: 21 g -11/02

Nummer: 1240 996

Aktenzeichen: S 73132 VIII c/21 g

1240996 Aomeldetag: 24. März 1961

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines beiderseits hochdotierten pn-Übergangs für Halbleiteranordnungen, bei denen der Ladungsträgertransport durch diesen pn-übergang auf Grund des quantenmechanischen TunnelefEektes erfolgt, insbesondere für Tunneldioden. Der Halbleiterkörper wird dabei durch Einbau eines Dotierungsstoffes bis mindestens zur Entartungskonzentration dotiert und durch Einlegieren eines anderen Dotierungsstoffes eine bis mindestens zur Entartungskonzentration dotierte Zone des entgegengesetzten Leitungstyps im Halbleiterkörper erzeugt, wobei die zur Erzeugung der Zone entgegengesetzten Leitungstyps verwendeten Dotierungsstoffe unterschiedliche Verteilungskoeffizienten im Halbleitermaterial besitzen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Halbleiteranordnungen, die einen pn-übergang aufweisen, der beiderseits bis mindestens zur Entartungskonzentration dotiert ist, wie z. B. bei Tunneldioden, es nicht nur wesentlich ist, daß der pn-übergang sehr steil verläuft, d. h. daß das Übergangsgebiet möglichst schmal ist, sondern daß außerdem die Beweglichkeit der Ladungsträger in den beiden Zonen eine wesentliche Rolle spielt und eine Herabsetzung der Beweglichkeit, wie sie durch die starke Umdotierung bei normalen Legierungsverfahren erfolgt, vor allem einen erhöhten Reihenverlustwiderstand zur Folge hat.

Ausgehend von dieser Erkenntnis ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese starke Umdotierung bei der Herstellung beiderseits bis mindestens zur Entartungskonzentration dotierte pn-Übergänge durch Legieren zu vermeiden.

Bei den bekannten Verfahren, bei denen den Verteilungskoeffizienten der verwendeten Dotierungsstoffe nur wenig Beachtung geschenkt wird, läßt sich diese unerwünschte Umdotierung und die damit verbundene starke Herabsetzung der Ladungsträgerbeweglichkeit praktisch nicht vermeiden. Legiert man beispielsweise in einen mit Arsen oder Phosphor dotierten Halbleiterkörper eine hauptsächlich aus Indium bestehende Pille ein, so kommt es auf Grund des wesentlich geringeren Verteilungskoeffizienten des Indiums zu einer starken Umdotierung in der Rekristallisationszone. Damit verbunden ist aber eine starke Herabsetzung der Trägerbeweglichkeit, was sich in einem erhöhten Reihenverlustwiderstand bemerkbar macht. Diese Nachteile treten auch dann auf, wenn aus metallurgischen Gründen sehr geringe Mengen von Stoffen, deren Verteilungskoeffizienten in der Größenordnung desjenigen des zur Dotierung Verfahren zum Herstellen eines beiderseits
hochdotierten pn-Übergangs
für Halbleiteranordnungen

Anmelder:

Siemens-Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Günther Winstel, München;

Dr. Günther Ziegler, Erlangen

des Halbleiterkörpers verwendeten Materials liegen, zugesetzt werden.

Diese Nachteile lassen sich jedoch vermeiden, wenn man nach der Lehre der Erfindung vorgeht und ein Verfahren anwendet, das sich dadurch auszeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einem Dotierungsstoff mit kleinem Verteilungskoeffizienten bei einer Temperatur dotiert wird, bei der der Einbau dieses Stoffes in die feste Phase annähernd den maximalen Wert erreicht, daß in diesen Halbleiterkörper anschließend eine Pille, die einen Dotierungsstoff mit wesentlich höheren Verteilungskoeffizienten enthält, einlegiert wird, und daß dabei das Einlegieren der Dotierungspille bei einer Temperatur T_m vorgenommen wird, bei der eine maximale Löslichkeit für die Dotierungskomponente der Pille im Halbleiterkristall vorliegt, wobei die Konzentration des Dotierungsstoffes im Legierungsmaterial so hoch gewählt wird, daß die Konzentration des aus dem Halbleiterkörper stammenden Aktivators in der entstehenden Rekristallisationsschicht vernachlässigbar klein ist gegenüber der Konzentration des aus dem Legierungsmaterial stammenden Aktivators.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung ist vorgesehen, daß der Halbleiterkörper bei einer nur wenig oberhalb der Eutektikumstemperatur liegenden Temperatur dotiert wird. Die Dotierung des Halbleiterkörpers kann auch in an sich bekannter Weise durch Temperaturgradientenschmelzen erfolgen. Außerdem kann der Halbleiterkörper während des Aufwachsens aus der Gasphase oder durch Diffusion bei niederen Temperaturen dotiert werden.

Als vorteilhaft hat sich in speziellen Fällen erwiesen, während der Dotierung des Halbleiterkörpers

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wenigstens einen weiteren Stoff aus metallurgischen Gründen zuzusetzen.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den an Hand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ermöglicht es, unter weitgehender Vermeidung der Gegendotierung pn-Ubergänge herzustellen, die die aus der F i g. 1 ersichtliche Steilheit und eine hohe KonzentrationN_fl der Donatoren im η-Bereich und eine möglichst gleichhohe Konzentration N_a der Akzeptoren im p-Bereich aufweisen. Die Konzentration N_a bzw. N_d ist bei Tunneldioden gleich oder größer der EntartungskonzentrationiV= 10¹⁹/cm³. Die in Fig. 1 dargestellte Konzentrationsverteilung ist für eine optimale Funktion einer Tunneldiode, insbesondere bei hohen Frequenzen erwünscht.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in einem Halbleiterkörper, der mit einem Dotierungsstoff mit kleinem Verteilungskoeffizienten bei einer Temperatur, bei der ein maximaler Einbau dieses Stoffes in die feste Phase erfolgt bis mindestens zur Entartungskonzentration dotiert und durch Einlegieren einer Pille, die als wesentlichen Bestandteil einen Dotierungsstoff mit erheblich höherem Verteilungskoeffizienten enthält, eine bis mindestens zur Entartungskonzentration dotierte Zone des entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt.

Die in Fig. 1 dargestellte Konzentrationsverteilung wird also dadurch erzielt, daß zunächst die Dotierung des Halbleiterkörpers mit einer Substanz mit sehr kleinem Verteilungskoeffizienten A: erfolgt, d.h. mit einer Substanz, deren KonzentrationC_i im Halbleiterkörper in der flüssigen Phase wesentlich größer als die Konzentration C_s==A: · C_t in der festen Phase ist. Die Dotierung des Halbleiterkörpers soll dabei möglichst bis zur Grenze der Löslichkeit des Dotierungsstoffes im Halbleiterkörper erfolgen. Um dies zu erreichen, muß die Temperatur, bei der die Dotierung erfolgt, entsprechend gewählt werden. Zur näheren Erläuterung dienen die F i g. 2 und 3.

In diesen Figuren sind die LiquiduskurveL und die Soliduskurve S eines Zweistoff-Diagramms der Stoffel und B bzw. A' und B' angegeben. Die Stoffel und B bilden ein retrogrades System. Bei derartigen Systemen fällt die Temperatur T_M, bei der ein maximaler Einbau des Stoffes A in den Stoff B in der festen Phase erfolgt, nicht, wie bei dem in F i g. 3 dargestellten Zweistoffsystem, mit der Eutektikumtemperatur T_e zusammen. Die Dotierung eines Halbleiterstoffes B mit einem Stoff A erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Temperatur, die gleich ist oder nur möglichst wenig von der Temperatur T_m abweicht, bei der der Stoff A in den Stoff B in der maximal möglichen Konzentration eingebaut wird. Die Dotierung eines Halbleiters A' mit einem Stoff B' erfolgt bei einer Temperatur, die möglichst nahe bei der Eutektikumstemperatur liegt. Die Eutektikumstemperatur soll dabei jedoch möglichst nicht erreicht werden, da sich bei dieser Temperatur Mischkristalle und kein Einkristall mehr bilden.

In diesen dotierten Halbleiterkörper, der eine sehr hohe Konzentration an Dotierungsstoffen aufweist, wird dann eine Pille, die einen Dotierungsstoff mit wesentlich höheren Verteilungskoeffizienten enthält, der den entgegengesetzten Leitungstyp als ihn der Halbleiterkörper aufweist, erzeugt, einlegiert. Dieser Verteilungskoeffizient soll dabei ein Vielfaches, ins-

besondere das IOOfache des Verteilungskoeffizienten des Stoffes, mit dem der Halbleiterkörper dotiert ist, aufweisen.

Das System Halbleiterkörper-Dotierungspille wird nun auf eine Temperatur erhitzt, die niedriger als der Schmelzpunkt des Halbleiterkörpers ist. Bei Tunneldioden wird die Legierungstemperatur so hoch gewählt, daß der Dotierungsstoff mit hohem Verteilungskoeffizienten in einem solchen Maße in die Rekristallisationszone eingebaut wird, daß die Entartungskonzentration erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, die Einlegierung bei einer Temperatur vorzunehmen, die so gewählt ist, daß für den Dotierungsstoff in der Legierungspille maximale Löslichkeit vorliegt (entsprechend Fig. 2). Beim Abkühlen wird in der Rekristallisationszone wegen des kleinen Verteilungskoeffizienten der Stoff, mit dem der Halbleiterkörper dotiert ist, in weit geringerem Maße eingebaut als der Stoff, den die Dotierungspille als wirk-

ao samen Bestandteil enthält und der einen wesentlich größeren Verteilungskoeffizienten aufweist. So beträgt z. B. der Verteilungskoeffizient von Phosphor in Silizium das etwa 90fache des Verteilungskoeffizienten von Aluminium in Silizium. In der Rekristallisationszone eines mit Aluminium dotierten Halbleiterkörpers ist also bei einer Phosphor als Aktivator enthaltenden Legierungspille, wobei vorteilhafterweise Gold als Trägermaterial verwendet wird, die Menge des in den Halbleiter eingebauten Phosphors 90mal so groß wie die des Aluminiums. Auf diese Weise kann ein steiler pn-übergang mit beiderseitig hoher Dotierung, also mit einer in F i g. 1 dargestellten Konzentrationsverteilung unter weitgehender Vermeidung der Gegendotierung hergestellt werden.

Da ein kleiner Verteilungskoeffizient, wie aus dem Diagramm (F i g. 2 bzw. 3) ersichtlich, eine nur geringe Löslichkeit in festem Zustand in Schmelzpunktnähe bedingt, kann der Halbleiterkörper nicht in der sonst üblichen Weise bei einer Temperatur in der Nähe des Schmelzpunktes dotiert werden. Es ist daher zweckmäßig, den Halbleiterkörper bei relativ niedrigen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen, die gleich T_m sind oder doch wenigstens sehr nahe bei dieser Temperatur liegen, zu dotieren. Als mögliches Dotierungsverfahren wird dazu das an sich bekannte Temperaturgradientenschmelzen vorgeschlagen.

Bei diesem Verfahren, das im Zusammenhang mit F i g. 4 näher erläutert werden soll, wird längs des Halbleiterstabes 3 ein Temperaturgradient, der gemaß der Kurve 4 verläuft, aufrechterhalten. Die die Komponente .4 (Dotierungsstoff) und B (Halbleiterstoff) enthaltende Schmelze 2 weist an der mit 5 bezeichneten Grenze flüssig—fest eine Konzentration C₁ des Stoffes A in B auf und an der Grenze 6 eine Konzentration C₂, die kleiner als C₁ ist. In der Schmelzzone 2 besteht also ein Konzentrationsgefälle, das sich durch Diffusion des Stoffes A zur Grenze 6 und des Stoffes B zur Grenze 5 auszugleichen sucht. An der Grenze 5 tritt somit eine Übersättigung der Schmelze ein, und diese kristallisiert mit einer Konzentration AC₁ des Stoffes A in B aus. An der Stelle 6 bewirkt die Diffusion des Stoffes .4 an dieser Stelle ein weiteres Aufschmelzen des festen Stoffes aus dem Stoff5 bestehenden Teiles des Stabes. Die Zone 3 wandert also in Richtung des Pfeiles 7, der Teil 1 des Stabes, der aus dem Halbleiterstoff B, in dem der Dotierungsstoff A eingebaut ist, besteht, wird also vergrößert.

Claims

Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß, um nach dem Durchlaufen der Zone 2 einen Halbleiterkörper zu erhalten, der über seine ganze Länge eine sehr hohe, insbesondere eine nur wenig von der der maximal möglichen Temperatur Tm entsprechenden abweichende Konzentration von A aufweist, der Temperaturgradient möglichst flach verlaufen muß. Ein sehr geringer Konzentrationsgradient im Halbleiterkörper nach dem Durchzug der Schmelzzone 2 kann auch in an sich bekannter, in F i g. 5 dargestellter Weise dadurch erzielt werden, daß die festen Teile 1 und 3 des Stabes mittels einer mit 16 und 17 bezeichneten Heizeinrichtung auf einer Temperatur Ts, die knapp unterhalb Tm liegt, bzw. auf einer Temperatur Ti, die knapp oberhalb Tm liegt, gehalten werden, so daß sich die mit 9 bezeichnete Temperaturverteilung ergibt. Um zu vermeiden, daß, wie oben beschrieben, das durch den Konzentrationsgradienten in der Schmelze 2 bedingte Aufschmelzen des Stabes 3 an der Grenze 6 aufhört, was dann der Fall ist, wenn die Zone so weit in Richtung des Pfeiles 8 gewandert ist, daß die Grenze 6 dem horizontal der Temperatur Ti entsprechenden Bereich der Kurve 9 erreicht, wird die Heizeinrichtung 16, 17 mit entsprechender Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 8 bewegt und damit auch die Kurve 9 in dieser Richtung verschoben. Der Halbleiterstab weist nach dem Durchzug der Schmelzzone eine über seine ganze Länge nahezu gleichmäßige und eine sehr große, insbesondere bis zur Grenze der Löslichkeit fortgeschrittene Konzentration des Dotierungsstoffes auf. Durch Zerschneiden des Stabes erhält man die einzelnen Halbleiterkörper, die eine sehr hohe Konzentration des Dotierungsstoffes mit kleinem Verteilungskoeffizienten aufweisen und in die dann gemäß der Erfindung die Pille, die einen Dotierungsstoff großen Verteilungskoeffizienten enthält, einlegiert wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird aus metallurgischen Gründen vorgeschlagen, während der Dotierung des Halbleiterkörpers wenigstens einen weiteren Stoff in das Halbleitergitter einzubauen. Die Peritektikumstemperatur der Mehrstoff schmelze liegt dann tiefer als die Eutektikumstemperatur des Zweistoffsystems, und es kann auf diese Weise eine sehr große Konzentration des Dotierungsstoffes mit kleinem Verteilungskoeffizienten im Halbleiterkörper erzielt werden, da dieser bei besonders niedrigen Temperaturen eingebaut werden kann. Es ist allerdings darauf zu achten, daß die Löslichkeit des oder der aus metallurgischen Gründen zusätzlich zum Dotierungsstoff angewendeten Stoffe bei den in Frage kommenden Temperaturen genügend klein ist, d. h. so klein, daß sie keine wesentliche Störung der Halbleitereigenschaften, z. B. durch die Bildung von Haftstellen hervorrufen. Die Anwendung eines oder mehrerer Zusatzstoffe bei der Dotierung des Halbleiterkörpers empfiehlt sich auch bei Stoffen mit sehr niedrigem Dampfdruck oder einer großen Neigung zur Oxydbildung. Ein geeigneter Zusatzstoff ist z. B. Gold. Derartige Zusatzstoffe können gegebenenfalls auch der Dotierungspille, die in den dotierten Halbleiterkörper einlegiert wird, soweit dies aus metallurgischen Gründen wünschenswert erscheint, zugesetzt werden. In F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Tunneldiode dargestellt. Der Halbleiterkörper 10 be- steht dabei aus mit Aluminium dotiertem Silizium, wobei die Konzentration von Aluminium gleich oder größer als 1019/cm3 ist und vorzugsweise an der Grenze der Löslichkeit liegt. Die Temperatur Tm des maximalen Einbaus von Aluminium in Silizium liegt bei 1200° C. Durch Einlegieren einer Phosphor enthaltenden Pille 13 bei einer Temperatur von etwa 1150° C bildet sich der pn-übergang 11, an den sich unter weitgehender Vermeidung einer Gegendotierung die hochdotierte Zone 12 anschließt, die eine Phosphorkonzentration von N größer oder gleich 1019/cm3 aufweist. Die Konzentrationsverteilung der Dotierungsstoffe zu beiden Seiten des pn-Übergangs bzw. am pn-übergang selbst entspricht der in F i g. 1 dargestellten Verteilung. Mit 14 und 15 sind die Elektrodenanschlüsse bezeichnet. Der Halbleiterkörper kann aber z. B. auch aus mit Antimon dotiertem Germanium bestehen, in den eine Gallium als Aktivator enthaltende Pille einlegiert wird. Der Verteilungskoeffizient des Galliums in Germanium beträgt etwa das 20fache von dem des Antimons in Germanium. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung können auch in anderen Halbleiterstoffen, wie z. B. in AmBv-Verbindungen, beiderseitig sehr hochdotierte pn-Ubergänge ohne störende Gegendotierung eines Dotierungsbereiches hergestellt werden. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines beiderseits hochdotierten pn-Übergangs für Halbleiteranordnungen, bei denen der Ladungsträgertransport durch diesen pn-übergang auf Grund des quantenmechanischen Tunneleffektes erfolgt, insbesondere für Tunneldioden, bei dem ein Halbleiterkörper durch Einbau eines Dotierungsstoffes bis mindestens zur Entartungskonzentration dotiert und durch Einlegieren eines anderen Dotierungsstoffes eine bis mindestens zur Entartungskonzentration dotierte Zone des entgegengesetzten Leitungstyps im Halbleiterkörper erzeugt wird und bei dem die zur Erzeugung der Zone entgegengesetzten Leitungstyps verwendeten Dotierungsstoffe unterschiedliche Verteilungskoeffizienten im Halbleitermaterial besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einem Dotierungsstoff mit kleinem Verteilungskoeffizienten bei einer Temperatur dotiert wird, bei der der Einbau dieses Stoffes in die feste Phase annähernd den maximalen Wert erreicht, daß in diesem Halbleiterkörper anschließend eine Pille, die einen Dotierungsstoff mit wesentlich höherem Verteilungskoeffizienten enthält, einlegiert wird und daß dabei das Einlegieren der Dotierungspille bei einer Temperatur T_m vorgenommen wird, bei der eine maximale Löslichkeit für die Dotierungskomponente der Pille im Halbleiterkristall vorliegt, wobei die Konzentration des Dotierungsstoffes im Legierungsmaterial so hoch gewählt wird, daß die Konzentration des aus dem Halbleiterkörper stammenden Aktivators in der entstehenden Rekristallisationsschicht vernachlässigbar klein ist gegenüber der Konzentration des aus dem Legierungsmaterial stammenden Aktivators.