<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, z. B. eines Transistors, mit einem Halbleiterkörper, der stellenweise eine Bor enthaltende rekristallisierte Zone, z. B. eine Emitterzone aufweist, wobei diese Zone dadurch gebildet wird, dass eine Bor enthaltende Elektrodenmaterialmenge auf dem Halbleiterkörper aufgeschmolzen und anschliessend abgekühlt wird.
Es ist bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen häufig erwünscht, eine Zone vorzusehen, die eine hohe Konzentration an Fremdbeimengungen enthält, welche die Leitungsart und die Leitfähigkeit der Zone bedingen. Zum Beispiel ist bei einem Transistor, zwecks Erzielung eines hohen Verstärkungsgrades, eine grosse Konzentration an Fremdbeimengungen in der Emitterzone erwünscht. Man kann einen Diffusionsvorgang anwenden, der eine hohe Oberflächenkonzentration der Fremdbeimengungen ergibt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die grösste Konzentration der Fremdbeimengungen sich an der Oberfläche und demnach vom pn-Übergang entfernt befindet.
Ein zweites Verfahren besteht im Legieren unter Verwendung einer Fremdbeimengung, die bei der Legierungstemperatur einen hohen nützlichen Segregationskoeffizienten aufweist. Bor hat einen hohen Segregationskoeffizienten und ist ein günstiger Zusatz für Silicium und Germanium.
Es hat sich ergeben, dass bei Siliciumtransistoren Al-B-Si Legierungen zum Erzielen einer hohen Fremdbeimengungskonzentration in der Emitterzone verwendbar sind, aber die Zunahme gegenüber der mit Aluminium allein erzielten Fremdbeimengungskonzentration beträgt nur etwa einen Faktor 4. Dieser Wert ist geringer als theoretisch erwartet wurde und es scheint, dass die nützliche Konzentration des Bors in der Schmelze durch das Aluminium verringert wird (möglicherweise durch die Bildung einer B-AI Verbindung oder durch einen ähnlichen Mechanismus). Bei Verwendung einer Al-B-Si Legierung als Material zur Herstellung einer Fremdbeimengung in einem Siliciumkörper kann eine mittlere Borkonzentration von etwa 2 X 1019 Atome/cms erzielt werden.
Bor wurde bisher im allgemeinen nicht zum Dotieren von Germaniumkörpern benutzt, da es sich ergeben hat, dass Bor schwer in eine rekristallisierte Germaniumzone eingebracht werden kann. "Bei Germanium ist es möglich, eine mittlere Fremdbeimengungskonzentration von etwa 5 x 1019 Atome/crrf durch das Auflegieren von Indium zu erzielen, und durch Zusatz von Gallium oder Aluminium zum Indium kann diese Konzentration auf etwa 5 x 1020 Atome/cm* erhöht werden.
Die Erfindung bezweckt, ein neues Verfahren zur Erzielung rekristallisierter Zonen mit einer hohen Fremdbeimengungskonzentration zu schaffen und dabei Bor als Fremdsubstanz anzuwenden. Dazu wird nach der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art ein Kupfer und Bor enthaltendes Elek- trodenmaterial auf den Halbleiterkörper aufgeschmolzen. Es wurde festgestellt, dass hiedurch eine rekristallisierte Zone mit einer hohen Borkonzentration erzielt wird. Der mittlere Borgehalt der rekristallisierten Zone kann wenigstens 3 X 1019 Atome/cm3 betragen.
Das Material kann in mehreren Phasen legiert werden. So kann das Kupfer als erste Phase legiert werden und der so erzielten Schmelze kann Bor als zweite Phase zugesetzt werden.
Bei dem als"Aufschmelzen"oder"Legieren"bekannten Verfahren wird an der Oberfläche des Körpers eine flüssige Zone gebildet, die aus Material, das mit dem Körper legiert werden soll, und aus aus
<Desc/Clms Page number 2>
dem Körper gelöstem Material besteht. Bei Kühlung wird zunächst eine rekristallisierte Zone gebildet, die im wesentlichen aus dem aus dem Körper gelöstem Material mit einer geringen Dotierung des zu legierenden Materials besteht, welche eine Verlängerung des Kristallgitter des nicht gelösten Teiles dieses Körpers bildet, worauf der Rest der Flüssigkeit auf dieser Zone eine erstarrte Zone bildet, die im wesentlichen aus dem zu legierenden Material mit einem kleinen Gehalt an dem aus dem Körper gelösten Material besteht. Der Legierungsvorgang kann zur Bildung eines pn-Überganges oder einer ohmschen Verbindung mit dem Körper führen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist bei Körpern aus Silicium, aus Germanium, aus Silicium/Germanium und auch bei andern Körpern mit einem binären oder mit einem ternären Charakter anwendbar.
Wie oben gesagt, kann die Vorrichtung ein Transistor und die rekristallisierte Zone die Emitterzone sein.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei der Herstellung von Kristalldioden oder andern Vorrichtungen als Transistoren mit pn-Übergängen, bei denen eine hohe Fremdbeimengungskonzentration in einer rekristallisierten Zone an einer Seite eines pn-Überganges erwünscht ist. Bei der Bildung eines ohmschen Kontaktes ergibt eine hohe Fremdbeimengungskonzentration eine rekristallisierte Zone mit niedrigem Widerstand.
Im allgemeinen ist es erwünscht, eine gegenüber der Kupfermenge relativ grosse Menge an Bor zu verwenden : die Forderung nach einem befriedigenden Legiervorgang begrenzt die zur Verwendung gelangende Bormenge. Bei Körpern aus Silicium ist eine Kupfer-Bor-Legierung, die bis zu 5 Gew. % Bor enthalten kann und vorzugsweise 0, 3 - 2 Gew. % Bor enthält, vorteilhaft anwendbar.
In einem bestimmten Fall wurde bei der Legierung einer Cu-B Legierung mit einem Borgehalt von ZGew.-mit einem Siliciumkörper eine mittlere Borkonzentration von etwa 3 X 102 (1 Atomen/cm sin der entstandenen rekristallisierten Zone erzielt.
Kupfer-Bor-Legierungen, die auf ähnliche Art wie reines Kupfer walzbar und bearbeitbar sind, sind ohne weiteres mit einem Borgehalt von etwa 2Gew.-% herstellbar. Eine solche Legierung wurde mit Sili-
EMI2.1
kann. Aber auch geringere Gehalte an Bor im Kupfer sind brauchbar und die damit erzielten Borkonzentrationen von mehr als 5 X zo Atomen/cm sind noch beträchtlich grösser als diejenigen, welche mit Al-B-Si Legierungen erzielbar sind (3 X 1019 Atome/cm3).
Das Legierungsmaterial kann einen zusätzlichen Bestandteil enthalten, wodurch die Sprungneigung verringert wird. Der zusätzliche Bestandteil (X) kann vor dem Legieren zugesetzt werden, so dass ein Cu-B-X Material legiert wird man kann ihn aber auch der Kupfer-Bor enthaltenden Schmelze während des Legierens zusetzen. Beispiele geeigneter zusätzlicher Bestandteile (X) sind Ag, Pb, In, Sn, Au und Ni-Pb. Der Bestandteil (X) kann auch aus demselben Halbleitermaterial bestehen wie der Halbleiterkörper (nicht notwendigerweise dotiert oder nicht notwendigerweise dotiert auf dieselbe Weise wie das Material des Körpers) ; z. B. kann der Bestandteil (X) Silicium sein, wenn der Körper aus Silicium besteht.
Ein anderes Verfahren zur Herabsetzung der Sprungneigung besteht darin, denjenigen Teil der Schmelze, der sonst auf dem rekristallisierten Material erstarrt, auf mechanischem oder chemischem Wege zu entfernen, und etwa mit Hilfe einer geeigneten bekannten Technik auf der rekristallisierten Zone einen Kontakt anzubringen.
Durch den erwähnten Zusatz eines zusätzlichen Bestandteiles, z. B. Zinn, wird die Legierungstemperatur herabgesetzt. Kupfer-Bor (2Gew.-% Bor) legiert mit Silicium bei Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 810 C, während Kupfer-Bor-Zinn (2Gew.-% Bor, 10 Gew.-% Zinn) mit Silicium bei 7800C legiert.
Es sei bemerkt, dass bei der Legierungstemperatur das Kupfer-Bor und das Kupfer-Bor-Zinn nicht schmelzen, sondern es tritt zunächst eine Diffusion an den Kontaktpunkten zwischen dem zu legierenden Material und dem Silicium an der Oberfläche des Siliciumkörpers auf. Wenn die Diffusion die Bildung eines niedrigeren Schmelzpunktes bewirkt, entsteht eine geringe Menge flüssiges Material an der Stelle der Kontaktpunkte und die Verflüssigung schreitet weiter fort, je mehr von dem zu legierenden Material und von dem Material des Halbleiterkörpers von der bereits gebildeten Schmelze gelöst wird. Besteht der Halbleiterkörper aus Silicium und wird als zusätzlicher Bestandteil des zu legierenden Materials Zinn verwendet, beträgt dessen Menge vorzugsweise weniger als lOh.
Bei Verwendung eines zusätzlichen Bestandteiles kann die Menge an Kupfer und Bor im zu legierenden Material gering sein. Im allgemeinen ist es zur Erzielung eines hohen Emitterwirkungsgrades not-
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
Materials herabgesetzt werden.
Es wurde gefunden, dass einige Gehaltbereiche des zusätzlichen Materials, hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des erstarrten Materials, günstiger als andere sind.
Es ist einleuchtend, dass der zusätzliche Bestandteil derart gewählt wird, dass er auf die elektrischen
Eigenschaften der rekristallisierten Zone wenig oder gar keine Wirkung ausübt.
Es kann im allgemeinen festgestellt werden, dass die Verwendung von Kupfer neben der Fremdbei- mengung Bor das Einbringen einer grösseren Borkonzentration in die flüssige Zone ermöglicht. Bei Silicium wird die Konzentration der Fremdbeimengung in der rekristallisierten Schicht vergrössert und sogar bei
Germanium, für welches zur Zeit Materialien wie Aluminium und Gallium als Zusätze zur Verbesserung der Dotierung verwendet werden, kann Bor eine Verbesserung ergeben, da sein Segregationskoeffizient etwa 17 beträgt.
Ein Beispiel des Verfahrens nach der Erfindung folgt nachstehend :
9,8 g Kupfer und 0,2 g Bor werden in einem Quarztiegel 10 Minuten lang unter Vakuum auf 12000C mittels Hochfrequenz erhitzt und dann durch Eintauchen des Tiegels in Wasser abgekühlt.
Der so erzielte Stab von 10 g Kupfer-Bor-Legierung wird mit 1 g Zinn in einem Quarztiegel 10 Mi- nuten lang unter Vakuum auf 1100 C mittels Hochfrequenz erhitzt und dann durch Eintauchen des Tie- gels in Wasser abgekühlt.
Der so erzielte Stab einer Zinn-Kupfer-Bor-Legierung wird dann auf eine Stärke von etwa 100 Mikron ausgewalzt und aus dem gewalzten Metallblech werden runde Scheibchen mit etwa 1 mm Durchmesser gestanzt.
Ein solches Scheibchen wird auf eine Siliciumscheibe vom n-Typ gebracht, mit einer Tantalscheibe von 1 mm im Durchmesser bedeckt und mit einem Eisen- oder Quarzgewicht von etwa 1/2 g beschwert, worauf das Scheibchen zur Bildung einer Emitterzone vom p-Typ mit der Siliciumscheibe dadurch legiert wird, dass das Ganze 5 Minuten lang in einer Wasserstoffatmosphäre auf 7800C erhitzt wird. Der mittlere
Borgehalt der Emitterzone beträgt dann etwa 3 x 10l1li Atome/cm8.
DasVerfahren nach der Erfindung schafft die Möglichkeit, in Silicium rekristallisierte Zonen mit ei- ner höheren Fremdbeimengungskonzentration als es bisher möglich war zu erzielen, was besonders für die Herstellung von Emitterzonen wichtig ist. Für Germanium und andere Halbleitermaterialien schafft die Erfindung ein nützliches neues Dotierungsverfahren. Nach diesem Verfahren hergestellte Leistungs- transistoren weisen einen höheren Verstärkungsgrad auf, was im Zusammenhang mit der Kupferbeimen- gung überraschend ist.
Das oben gegebene Beispiel betrifft das Legieren eines Cu-B-Sn-Scheibchens. Gegebenenfalls kann auch das Cu-B, welches auf die im Anfang des Beispiels beschriebene Weise erhalten wird, legiert wer- den. Weiterhin kann ein anderes Material oder können andere Materialien zur Herabsetzung der Sprung- neigung, auf die im zweiten Teil des Beispiels beschriebene Weise, mit dem Cu-B legiert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, z. B. eines Transistors, mit einem Halb- leiterkörper, vorzugsweise aus Silicium, der stellenweise eine Bor enthaltende rekristallisierte Zone, z. B. eine Emitterzone, aufweist, wobei diese Zone dadurch gebildet wird, dass eine Bor enthaltende
Elektrodenmaterialmenge auf dem Halbleiterkörper aufgeschmolzen und dann abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupfer und Bor enthaltende Elektrodenmaterialmenge auf dem Halbleiterkörper aufgeschmolzen wird.