DE1240996B - Process for the production of a double-sided highly doped pn junction for semiconductor arrangements - Google Patents
Process for the production of a double-sided highly doped pn junction for semiconductor arrangementsInfo
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Description
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AUSLEGESCHRIFT Deutsche KI.: 21 g -11/02 EDITORIAL DEVELOPMENT German KI .: 21 g - 11/02
Nummer: 1240 996Number: 1240 996
Aktenzeichen: S 73132 VIII c/21 gFile number: S 73132 VIII c / 21 g
1240996 Aomeldetag: 24. März 19611240996 Aome day: March 24, 1961
Auslegetag: 24. Mai 1967Opened on: May 24, 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. The invention relates to a method for producing a pn junction that is highly doped on both sides for semiconductor arrangements in which the charge carrier transport occurs through this pn junction The reason for the quantum mechanical tunnel effect occurs, especially for tunnel diodes. The semiconductor body is done by incorporating a dopant up to at least the degeneracy concentration doped and by alloying another dopant one zone of the opposite one doped up to at least the degeneracy concentration Conduction type generated in the semiconductor body, the dopants used to generate the zone of opposite conduction type different Have distribution coefficients in the semiconductor material.
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.The invention is based on the knowledge that in semiconductor arrangements that have a pn junction have, which is doped on both sides up to at least the degeneracy concentration, such as. B. at Tunnel diodes, it is not only essential that the pn junction is very steep, i. H. that the transition area is as narrow as possible, but that also the mobility of the charge carriers in the both zones plays an essential role and a reduction in mobility, as caused by the strong redoping takes place in normal alloying processes, above all an increased series loss resistance has the consequence.
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.On the basis of this knowledge, it is the object of the present invention to provide this strong redoping During production, pn junctions doped on both sides up to at least the degeneracy concentration to be avoided by alloying.
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 HalbleiteranordnungenIn the known methods, in which the distribution coefficient of the dopants used is paid little attention, this undesired redoping and the associated strong reduction in the charge carrier mobility can practically not be avoided. If, for example, a pill consisting mainly of indium is alloyed into a semiconductor body doped with arsenic or phosphorus, a strong redoping occurs in the recrystallization zone due to the significantly lower distribution coefficient of the indium. Associated with this, however, is a strong reduction in the mobility of the carrier, which is noticeable in an increased series loss resistance. These disadvantages also occur when, for metallurgical reasons, very small amounts of substances whose distribution coefficients are of the order of magnitude of that of the doping method for producing one on both sides
highly doped pn junction
for semiconductor arrangements
Anmelder:Applicant:
Siemens-Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2Siemens Aktiengesellschaft,
Berlin and Munich,
Munich 2, Wittelsbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dr. Günther Winstel, München;Dr. Günther Winstel, Munich;
Dr. Günther Ziegler, ErlangenDr. Günther Ziegler, Erlangen
des Halbleiterkörpers verwendeten Materials liegen, zugesetzt werden.the material used in the semiconductor body are added.
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 Tm 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.However, these disadvantages can be avoided if one proceeds according to the teaching of the invention and uses a method which is characterized in that the semiconductor body is doped with a dopant with a small distribution coefficient at a temperature at which the incorporation of this substance into the solid phase approximately reaches the maximum value that a pill containing a dopant with a significantly higher distribution coefficient is then alloyed into this semiconductor body, and that the alloying of the doping pill is carried out at a temperature T m at which maximum solubility for the doping component of the Pill is present in the semiconductor crystal, the concentration of the dopant in the alloy material being selected so high that the concentration of the activator originating from the semiconductor body in the resulting recrystallization layer is negligibly small compared to the concentration of the from the alloy material originating activator.
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.According to a special embodiment of the method according to the teaching of the invention, it is provided that the semiconductor body is at a temperature which is only slightly above the eutectic temperature is endowed. The doping of the semiconductor body can also be carried out in a manner known per se Temperature gradient melting take place. In addition, the semiconductor body can during the growth be doped from the gas phase or by diffusion at low temperatures.
Als vorteilhaft hat sich in speziellen Fällen erwiesen, während der Dotierung des HalbleiterkörpersIt has proven advantageous in special cases during the doping of the semiconductor body
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wenigstens einen weiteren Stoff aus metallurgischen Gründen zuzusetzen.to add at least one other substance for metallurgical reasons.
Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den an Hand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor. Further details of the invention emerge from the exemplary embodiments described with reference to the figures.
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 KonzentrationNfl der Donatoren im η-Bereich und eine möglichst gleichhohe Konzentration Na der Akzeptoren im p-Bereich aufweisen. Die Konzentration Na bzw. Nd 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.The method according to the teaching of the invention makes it possible, while largely avoiding the counter-doping, to produce pn transitions which the FIG. 1 have apparent steepness and a high concentration N fl of the donors in the η range and a concentration N a of the acceptors which is as high as possible in the p range. The concentration N a or N d in tunnel diodes is equal to or greater than the degeneracy concentration iV = 10 19 / cm 3 . The concentration distribution shown in FIG. 1 is desirable for optimal functioning of a tunnel diode, especially at high frequencies.
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.According to this exemplary embodiment of the invention, in a semiconductor body which is coated with a dopant with a small distribution coefficient at a temperature at which a maximum installation This substance in the solid phase is doped up to at least the degeneracy concentration and alloyed a pill with a dopant with a significantly higher distribution coefficient as its essential component contains, a doped up to at least the degeneracy concentration zone of the opposite Line type generated.
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 KonzentrationCi im Halbleiterkörper in der flüssigen Phase wesentlich größer als die Konzentration Cs==A: · Ct 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.The concentration distribution shown in Fig. 1 is thus achieved by first doping the semiconductor body with a substance with a very small distribution coefficient A: that is, with a substance whose concentration C i in the semiconductor body in the liquid phase is significantly greater than the concentration C s == A: · C t is in the solid phase. The doping of the semiconductor body should take place as far as possible up to the limit of the solubility of the dopant in the semiconductor body. In order to achieve this, the temperature at which the doping takes place must be selected accordingly. Figures serve for a more detailed explanation. 2 and 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 TM, 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 Te 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 Tm 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 these figures, the liquidus curve L and the solidus curve S of a two-component diagram of the Stoffel and B or A ' and B' are indicated. The Stoffel and B form a retrograde system. In such systems, the temperature T M at which a maximum incorporation of substance A into substance B takes place in the solid phase does not fall, as in the case of that in FIG. 3 illustrated two-component system, together with the eutectic temperature T e . The doping of a semiconductor material B with a substance A takes place in the method according to the invention at a temperature which is the same or deviates only as little as possible from the temperature T m at which the substance A is incorporated into the substance B in the maximum possible concentration. A semiconductor A 'is doped with a substance B' at a temperature which is as close as possible to the eutectic temperature. The eutectic temperature should, however, not be reached as far as possible, since mixed crystals and no single crystals form at this temperature.
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-In this doped semiconductor body, which has a very high concentration of dopants, will then be a pill that contains a dopant with much higher distribution coefficients, which has the opposite conductivity type than the semiconductor body, generated, alloyed. This The distribution coefficient should be a multiple, especially
besondere das IOOfache des Verteilungskoeffizienten des Stoffes, mit dem der Halbleiterkörper dotiert ist, aufweisen.in particular 100 times the distribution coefficient of the substance with which the semiconductor body is doped, exhibit.
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-The semiconductor body-doping pill system is now heated to a temperature lower than that The melting point of the semiconductor body is. In the case of tunnel diodes, the alloy temperature is selected so high that that the dopant with a high distribution coefficient enters the recrystallization zone to such an extent is built in that the degeneracy concentration is reached. Particularly beneficial is to make the alloying at a temperature which is chosen so that for the dopant there is maximum solubility in the alloy pill (corresponding to FIG. 2). When it cools down in the recrystallization zone because of the small distribution coefficient of the substance with which the semiconductor body is doped, incorporated to a much lesser extent than the substance that the doping pill is effective
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. ao contains a seed component and which has a much larger distribution coefficient. So z. B. the distribution coefficient of phosphorus in silicon is about 90 times the distribution coefficient of aluminum in silicon. In the recrystallization zone of an aluminum-doped semiconductor body, in an alloy pill containing phosphorus as an activator, gold being advantageously used as the carrier material, the amount of phosphorus built into the semiconductor is 90 times greater than that of aluminum. In this way, a steep pn junction with high doping on both sides, that is to say with one in FIG. 1 can be produced while largely avoiding counter-doping.
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 Tm sind oder doch wenigstens sehr nahe bei dieser Temperatur liegen, zu dotieren. Als mögliches Dotierungsverfahren wird dazu das an sich bekannte Temperaturgradientenschmelzen vorgeschlagen.Since a small distribution coefficient, as can be seen from the diagram (Fig. 2 or 3), results in only low solubility in the solid state near the melting point, the semiconductor body cannot be doped in the otherwise usual manner at a temperature near the melting point will. It is therefore expedient to dope the semiconductor body at relatively low temperatures, ie at temperatures which are equal to T m or at least very close to this temperature. Temperature gradient melting, known per se, is proposed as a possible doping method for this purpose.
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.In this method, which is described in connection with FIG. 4 is to be explained in more detail, a temperature gradient along the semiconductor rod 3 , which runs according to the curve 4 , is maintained. The melt 2 containing component .4 (dopant) and B (semiconductor) has a concentration C 1 of substance A in B at the liquid-solid boundary indicated by 5 and a concentration C 2 less than C at boundary 6 1 is. In the melting zone 2 there is therefore a concentration gradient that seeks to compensate for itself by diffusion of substance A to boundary 6 and substance B to boundary 5. At the boundary 5 , the melt becomes oversaturated and the melt crystallizes out with a concentration AC 1 of substance A in B. At the point 6 , the diffusion of the substance .4 at this point causes a further melting of the solid substance from the part of the rod consisting of the substance5. The zone 3 thus moves in the direction of the arrow 7, the part 1 of the rod, which consists of the semiconductor material B in which the dopant A is incorporated, is thus enlarged.
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| DES73132A DE1240996B (en) | 1961-03-24 | 1961-03-24 | Process for the production of a double-sided highly doped pn junction for semiconductor arrangements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DES73132A DE1240996B (en) | 1961-03-24 | 1961-03-24 | Process for the production of a double-sided highly doped pn junction for semiconductor arrangements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1240996B true DE1240996B (en) | 1967-05-24 |
| DE1240996C2 DE1240996C2 (en) | 1967-11-30 |
Family
ID=7503681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DES73132A Granted DE1240996B (en) | 1961-03-24 | 1961-03-24 | Process for the production of a double-sided highly doped pn junction for semiconductor arrangements |
Country Status (1)
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1029936B (en) * | 1954-06-01 | 1958-05-14 | Gen Electric | Alloy process for making p-n layers |
| DE1089074B (en) * | 1958-02-04 | 1960-09-15 | Siemens Ag | Method for producing a highly doped p-region and the associated contact of a semiconductor arrangement by means of alloying |
| FR1246041A (en) * | 1959-01-27 | 1960-11-10 | Rca Corp | Semiconductor device and method for its manufacture |
-
1961
- 1961-03-24 DE DES73132A patent/DE1240996B/en active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1029936B (en) * | 1954-06-01 | 1958-05-14 | Gen Electric | Alloy process for making p-n layers |
| DE1089074B (en) * | 1958-02-04 | 1960-09-15 | Siemens Ag | Method for producing a highly doped p-region and the associated contact of a semiconductor arrangement by means of alloying |
| FR1246041A (en) * | 1959-01-27 | 1960-11-10 | Rca Corp | Semiconductor device and method for its manufacture |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE1240996C2 (en) | 1967-11-30 |
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