DE2937940A1

DE2937940A1 - Verfahren zum hindurchbewegen einer schmelze eines metallreichen halbleitermaterials durch einen festkoerper aus einem halbleitermaterial durch bearbeitung mittels eines temperaturgradienten-zonenschmelzvorgangs

Info

Publication number: DE2937940A1
Application number: DE19792937940
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Anthony; Harvey Ellis Cline
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-09-21
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1980-04-03
Also published as: US4184897A; JPS5558522A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Hindurchwandernlassen bzw. Hindurchbewegen einer Schmelze eines Metalls durch einen Festkörper aus einem Halbleiter-

25 material mittels eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgangs und insbesondere auf die gleichmäßige Einleitung der Förderung tragbarer bzw. angemessener Geschwindigkeiten der thermischen Wanderung durch Verwendung eines das Eindringen einer Schmelze in das Halbleiter-

30 material an der Oberfläche verbessernden Elements, das als Trägertröpfchen für ein Dotiermittel oder ein die ,Lebensdauer einstellendes bzw. regulierendes Material dient, das einen hohen Dampfdruck und/oder eine geringe Wanderungsgeschwindigkeit hat.

xi/r. 030014/0782

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (Mönchen) Kto 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

2337340

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Aus den US-Patentschriften 2 739 088 und 2 813 (W. G. Pfann) sind Verfahren zum Hindurchbewegen von Metallschmelzen durch einzelne bzw. spezielle Regionen eines Festkörpers aus einem Halbleitermaterial mittels eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgangs bekannt. Die Instabilität der geschmolzenen, draht- bzw. linienförmigen Leiter (nachstehend einfach als "Leiter" bezeichnet) und die Instabilität der geschmolzenen Tröpfchen führten jedoch zu einem Zerfall der wandernden Leiter und Tröpfchen, weshalb nicht immer zufriedenstellende Halbleiterbauelemente und Halbleiterbauelement-Anordnungen erhalten werden konnten.

Kürzlich wurde von Seiten der Erfinder festgestellt, '5 daß auch eine bevorzugte Wechselbeziehung zwischen der Ebenenorientierung der Oberflächen des Körpers aus dem Halbleitermaterial, der Wanderungsachse und der Ausrichtungsachse des Leiters erforderlich ist, um flüssige Metallleiter und/oder Metalltröpfchen durch den Festkörper

hindurchwandern zu lassen. In diesem Zusammenhang sei

z. B. auf die US-Patentschriften 3 899 362 und 3 904 442 hingewiesen. Diese Verbesserungen im Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren führten zu einer geschäftlichen bzw. industriellen Ausnutzung des Verfahrens.

Die Breite der Leiter, die wandern gelassen wurden,

verringerte sich jedoch, und es war schwierig, in wiederholter Weise im industriellen Maßstab allein mittels eines Temperaturgradienten ein Eindringen von feinen,

flüssigen Leitern mit einer Breite von weniger als

51 μΐη und vorzugsweise 25 μπι und von kleinen Flüssigkeitströpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 153 μπι von der Oberfläche einer Scheibe bzw. eines Plättchens oder eines Körpers aus einem Halbleitermaterial ausgehend zu erzielen. Zwar ist ein Temperaturgradient stark genug, um eine Wanderung der kleinen Flüssigkeitszonen zu verursachen, sobald sich diese einmal im Volumen bzw.

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im Inneren des Halbleitermaterials gebildet haben, die Wirkung des Temperaturgradienten reicht jedoch nicht zur Überwindung der Oberflächenspannungskräfte aus, durch die feine Flüssigkeitszonen oder feine flüssige Leiter auf der Oberfläche eines Körpers oder einer Scheibe aus dem Halbleitermaterial festgehalten werden. Beispiele für weitere Verbesserungen in den Bearbeitungsverfahren mittels eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgangs waren die Bildung einer Legierung des abgeschiedenen Metalls an bzw. mit der Oberfläche (US-Patentschrift 3 897 277) und eine Sinterung des abgeschiedenen Metalls (US-Patentschrift 4 006 040). Das Problem besteht weiter, wenn man beabsichtigt, im industriellen Maßstab feine Leiter und Tröpfchen wandern zu lassen. Als Ergebnis war das Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren bis jetzt auf Leiter und Tröpfchen mit Dimensionen beschränkt, die für Festkörper-Leistungsbauelemente bzw. Festkörper-Leistungsbauelement-Anordnungen typisch sind, und es hatte im

^O industriellen Maßstab keinerlei Auswirkungen auf Verfahren zur Herstellung von Bauelementen bzw. Bauelement-Anordungen in Form von integrierten Schaltkreisen, bei denen viel geringere Ausdehnungen der dotierten

Regionen erforderlich sind. 25

Zwar ist Aluminium das vorwiegende Metall, das durch einen Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgang eingelagert bzw. wandern gelassen worden ist, jedoch werden außer Dioden vom P+N-Typ usw. auch andere Konfigurationen

benötigt. Einige andere Elemente, die zum Dotieren

von Halbleitermaterialien eingesetzt werden, haben jedoch im Falle ihrer Verwendung bei der Bearbeitung durch einen Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgang entweder einen zu hohen Dampfdruck oder eine zu niedrige Wanderungsgeschwindigkeit .

Q300U/0782

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Verbesserungen bei der Bearbeitung von Halbleitermaterial könnten erzielt werden, wenn das Eindringen der Schmelze in das Material vor der thermischen Wanderung dadurch verbessert werden könnte, daß man in die Schmelze zusammen mit einem oder mehreren zur Dotierung dienenden Fremdstoffmaterialien ein Material einschließt, das eine vorzeitige Verdampfung verhindern und/oder die Geschwindigkeit der thermischen Wanderung durch das Halbleitermaterial erhöhen würde.

Aufgabe der Erfindung ist demnach ein verbessertes Verfahren zum Hindurchwandernlassen von geschmolzenen Leitern und Tröpfchen aus Metall durch einen Festkörper aus einem Halbleitermaterial mittels einer Bearbeitung durch ein Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren, bei dem die Einleitung des Eindringens einer Schmelze, die thermisch wandern gelassen werden soll, verbessert wird, und zwar unabhängig davon, ob die Schmelze in Form von feinen oder größeren geschmolzenen Leitern und Tröpfchen vorliegt.

Weiterhin soll durch die Erfindung in der Schmelze, die thermisch durch das Halbleitermaterial hindurchwandern gelassen werden soll, ein Material zur Verfügung gestellt werden, das die Erzielung von angemessenen bzw. tragbaren Geschwindigkeiten der thermischen Wanderung und/oder ein gleichmäßiges Eindringen der Schmelze in das Halbleitermaterial vor der Einleitung der Wande- __n rung ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend kurz erläutert.

Durch die Erfindung wird ein verbessertes Verfahren -r zum Hindurchbewegen einer Schmelze eines metallreichen Halbleitermaterials durch einen Festkörper aus einem

8300U/0782

29379A0

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' Halbleitermaterial zur Verfügung gestellt. Die Verbesserung besteht darin, daß man in die Metallschicht, aus der die Schmelze gebildet wird, die durch den Körper wandern gelassen werden soll, zumindest ein Metall oder Element einschließt, wobei dieses Metall oder Element das Eindringen der Schmelze in den Körper verbessert, ein gleichmäßigeres Eindringen der Schmelze in den Körper ermöglicht und die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelze durch den Körper erhöht. Weiterhin wird in die Metallschicht '0 zumindest ein zweites Metall eingeschlossen, durch das der mittels der Bearbeitung durch ein Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren in situ gebildeten, rekristallisierten Region erwünschte elektrische Eigenschaften, z. B. hinsichtlich der Höhe des spezifischen Widerstands, des Leitfähigkeitstyps und/oder der Regulierung der Lebensdauer des Materials, verliehen werden.

Wenn das Halbleitermaterial Silicium ist, sind

Silber, Gold, Platin, Zinn, Aluminium, Gallium, Indium und Magnesium geeignete erste Metalle. Wenn das Halbleitermaterial Silicium ist, sind Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Silber, Gold und Platin geeignete zweite Metalle.

Bei der Auswahl der Metalle werden unterschiede gemacht, und zwar hängt die Auswahl von den erwünschten elektrischen Eigenschaften und zwecks Vermeidung der Bildung von intermetallischen Verbindungen von der Wanderungstemperatur ab.

Für Germanium sind Aluminium, Gallium und Arsen geeignete zweite Metalle und Blei, Silber, Cadmium, Thallium, Zink, Zinn, Gold und Indium geeignete erste

Metalle.

830014/0782

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Zur Unterstützung der Initiierung bzw. Einleitung des Schmelzens kann die Metallschicht auch ein drittes Material enthalten, bei dem es sich um eine vorbestimmte Menge des Halbleitermaterials handeln kann, aus dem der Körper besteht.

Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert.

Ein Körper aus Halbleitermaterial mit einem bestimmten Wert des spezifischen Widerstands und einem ersten Leitfähigkeitstyp wird ausgewählt. Der Körper weist einander gegenüberliegende Hauptoberflächen auf, durch die die Oberseite bzw. die Unterseite des Körpers gebildet wird. Das Halbleitermaterial, aus dem der Körper besteht, kann Silicium, Siliciumcarbid, Germanium, Galliumarsenid, eine Verbindung aus einem Element der Gruppe II und einem Element der Gruppe VI und eine Verbindung aus einem Element der Gruppe III und einem

Element der Gruppe V sein.
20

Die thermische Wanderung der Metalleiter erfolgt vorzugsweise unter Beachtung der in Tabelle I angegebenen Bedingungen für die Orientierung der Ebenen, die Richtungen der thermischen Wanderung und die

stabile Richtung bzw. Orientierung der Leiter und die stabile Ausdehnung der Leiter.

630014/0782

- 13 - B 9920

Tabelle I

Scheiben- Wanderungs- Stabile Rieh- Stabile Ausdehebene richtung tungen der nungen der Leiter Leiter (μΐη)

(100) <100>

10 (100)

(111)

	<011>*	<100
	<0Tl>*	<100
	<iTo>*	<150
a)	<0lT>
	<10T>	<500
	<1TO>
b)	<112>*

<500

< 12~1> *

c) Irgendeine andere *

Richtung in < 5 0 0 der (111)-

Ebene

* Die Stabilität des wandernden Leiters ist empfindlich

hinsichtlich der Ausrichtung des Temperaturgradienten gegenüber bzw. mit der <1OO)-, (11O)- bzw. (111)-Achse.

* Gruppe a) ist stabiler als Gruppe b), die ihrerseits stabiler als Gruppe c) ist.

Q300U/0732

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Die Tröpfchen werden in der Wanderungsrichtung wandern gelassen. Die Gestalt des Tröpfchens wird durch die Orientierung der Scheibenebene und durch die Wanderungsrichtung festgelegt. Bei einer Kristallachsenrichtung (111) der thermischen Wanderung wandert das Tröpfchen in Form eines dreieckigen Plättchens, das in einer (111)-Ebene liegt. Ein Tröpfchen, das in der Kristallachsenrichtung (100) wandert, hat die Form einer regulären Pyramide, die an der Vorderseite durch vier (111)-Ebenen und an der Rückseite durch eine (100)-Ebene begrenzt ist. Alternativ kann das Tröpfchen eine dreieckige Gestalt haben.

Ein Tröpfchen, das in der Kristallachsenrichtung O10) wandert, hat die Form einer irregulären Pyramide mit einem Rhumbus als Grundfläche.

Das Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren und die zugehörige Vorrichtung bilden keinen Teil der Erfindung. Das im erfindungsgemäßen Verfahren angewandte Temperaturgradienten-Zonenechmelzverfahren und die für dieses Verfahren eingesetzte Vorrichtung werden in den nachstehend angegebenen US-Patentschriften näher erläutert: 3 901 736 (Method of Making Deep

Diodes); 4 010 257 (Deep Diode Devices and Method and Apparatus); 3 898 106 (High Velocity Thermomigration Method of Making Deep Diodes); 3 902 925 (Deep Diode Device Having Dislocation-Free P-N Junctions and Method); 3 899 361 (The Stabilized Droplet Method of

Making Deep Diodes Having Uniform Electrical Properties); 3 979 230 (Method of Making Isolation Grids in Bodies of Semiconductor Material) und 3 899 362 (Thermomigration of Metal-Rich Liquid Wires Through Semiconductor Materials)

0300U/0782

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Die Oberfläche des Körpers aus dem Halbleitermaterial wird durch übliche Halbleiter-Bearbeitungsverfahren für die Abscheidung des Metalls vorbereitet, das durch diesen Festkörper hindurchwandern gelassen werden soll. Das Metall kann durch irgendwelche geeigneten Mittel bzw. Vorrichtungen auf der Oberfläche abgeschieden werden, auf der die Wanderung der Schmelze eingeleitet werden soll. Für den Fall, daß der Körper ein Silicium-Halbleitermaterial vom N-Typ ist und daß die Schmelze, die wandern gelassen werden soll, wenigstens teilweise aus Aluminium besteht, wurde z. B. festgestellt, daß die Aufdampfung der Schicht des Aluminiummetalls bei einem Druck von annähernd 13 nbar, jedoch nicht höher als 67 nbar, durchgeführt werden sollte. Bei einem Druck über 67 nbar wurde gefunden, daß im Falle der Aufdampfung von Aluminiummetall das Eindringen des Aluminiums in das Silicium und das Hindurchwandern des Aluminiums durch den Körper nicht leicht vonstatten geht. Es wird angenommen, daß die Aluminiumschicht

20 mit Sauerstoff gesättigt ist und eine Reduktion der

sehr dünnen Siliciumoxidschicht zwischen dem abgeschiedenen Aluminium und dem Silicium durch das Aluminiummetall verhindert. Daher wird die anfängliche Schmelze von Aluminium und Silicium, die für die Wanderung erforderlich ist, nicht erhalten, weil die Aluminiumschicht nicht fähig ist, das darunterliegende Silicium zu benetzen und mit diesem eine Legierung zu bilden. In einer ähnlichen Weise ist das durch Aufspritzen

. bzw. Aufsprühen abgeschiedene Aluminium nicht so günstig,

weil aufgespritztes Aluminium anscheinend mit Sauerstoff, der von dem Aufspritzverfahren herrührt, gesättigt ist, wodurch die Reduktion von irgendwelchem dazwischenliegenden Siliciumoxid verhindert wird. Die bevorzugten Verfahren für die Abscheidung von Aluminium

auf dem Siliciumkörper sind das Elektronenstrahlver-

fahren und ähnliche Verfahren, bei denen im Aluminium

Θ3001Α/0782

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wenig oder überhaupt kein Sauerstoff eingefangen bzw. festgehalten werden kann.

Es können jedoch nicht alle Dioden Dioden vom ρ N-Typ sein, weil für viele Anwendungen von Halbleitern nicht nur eine P+-Dotierung, sondern auch eine P-, N- und N+-Dotierung erforderlich sind. Es wurde festgestellt, daß Aluminium zusammen mit Silber, Gold, Platin, Zinn, Gallium, Indium und Magnesium für

10 die Verwendung als Trägertröpfchen geeignet ist. Ein Trägertröpfchen ist im wesentlichen ein Material, das in dem Halbleiter, durch den es infolge eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgangs hindurchwandert, geeignete Mengen bzw. Konzentrationen von einem oder mehreren

•5 2_Ur Dotierung dienenden Materialien befördert bzw. trägt und ausbreitet bzw. verteilt.

Durch das Prinzip des Einsatzes von Trägertröpfchen

werden der Dotierung mittels Einlagerung von Tröpfchen

oder drahtförmigen Leitern im wesentlichen zwei getrennte Funktionen zugeteilt. Die erste Funktion besteht darin, daß ein Metall für das Trägertröpfchen zur Verfügung gestellt wird, das nur wegen seiner Fähigkeit, mit vertretbaren Geschwindigkeiten in das

Halbleitermaterial einzudringen und durch dieses hindurchzuwandern, ausgewählt wird. Die zweite Funktion besteht darin, ein Metall oder mehrere Metalle zur Verfügung zu stellen, die in dem Trägertröpfchen oder

■ dem drahtförmigen Leiter aufgelöst sind und dazu führen,

daß in dem rekristallisierten Halbleitermaterial, das infolge der thermischen Wanderung des Trägertröpfchens durch den Körper gebildet wird, der gewünschte Wert des spezifischen Widerstandes, der gewünschte Leitfähigkeitstyp und/oder die gewünschte Größenordnung der Lebensdauer hervorgerufen werden.

8300U/0782

- 17 - B 992O

Die für die Funktion des Trägertröpfchens auszuwählenden Metalle werden je nach dem zu bearbeitenden Halbleitermaterial ausgewählt. Zum Beispiel müssen die ausgewählten Metalle beim Einsatz von Silicium als Halbleitermaterial mit den nachstehend angegebenen, einschränkenden Bedingungen vereinbar sein:

1. Die zur Dotierung dienenden Fremdstoffmetalle vom N-Typ für das Halbleitermaterial sind P, As und

¹⁰ Sb.

2. Die zur Dotierung dienenden Fremdstoffmetalle vom P-Typ für das Silicium-Halbleitermaterial sind B, Al, Ga, In.

3. Zur Verminderung der Lebensdauer in Silicium-Halbleitermaterial werden Gold, Platin und Silber entweder als solche oder in Verbindung mit den in Tabelle II angegebenen Trägermetallen eingesetzt.

4. Das Trägermaterial darf bei der Temperatur, bei der das Tröpfchen zuerst von der Oberfläche her in das Silicium eindringt, keinen höheren Dampfdruck als etwa 13 iibar haben, da das Tröpfchen sonst ver-

dampft, bevor es in das Silicium eindringen und sich gegenüber der Atmosphäre absperren bzw. abschließen kann.

5. Das zu dem Trägermaterial hinzugegebene, zur Dotierung dienende Fremdstoffmaterial darf keinen solchen Dampfdruck haben, daß es während des Eindringprozesses in einem solchen Ausmaß aus dem Tröpfchen verdampft, daß ein Tröpfchen verbleibt, das nicht die

__ gewünschte Konzentration des zur Dotierung dienenden

Fremdstoffmaterials aufweist.

830014/0782

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' 6. Das Trägermaterial und/oder das zur Dotierung

dienende Fremdstoffmaterial dürfen bei der Wanderungstemperatur mit Silicium keine intermetallische Verbindung bilden, da durch die Bildung einer intermetallischen 5 Verbindung die Wanderung des Tröpfchens verhindert werden würde.

7. Die Löslichkeit von Silicium in dem Trägermaterial muß bei der Wanderungstemperatur hoch genug sein, damit eine vertretbare bzw. angemessene Wanderungsgeschwindigkeit des Tröpfchens hervorgerufen wird.

8. Die Veränderung der Löslichkeit von Silicium

in dem Material des Trägertröpfchens mit der Temperatur muß groß genug sein, um eine vertretbare bzw. angemessene Wanderungsgeschwindigkeit des Tröpfchens hervorzurufen.

9. Das Trägermaterial muß in einer solchen Form

(z. B. in einer Form, in der es nicht mit Sauerstoff

*^w gesättigt ist) aus der Dampfphase abgeschieden bzw. aufgedampft werden können, daß es mit dem zur Herstellung der ursprünglichen Anordnung bzw. Reihe von Leitern oder Tröpfchen erforderlichen, photolithographischen Ätzverfahren vereinbar ist.

10. Die Flüssigkeit aus Träger und Dotiermittel muß Silicium im Fall der Wanderung der Leiter benetzen, damit die Leiter beim Schmelzen nicht zusammenballen bzw. Kugeln bilden und zerfallen bzw. auseinandergehen.

In Tabelle II werden die Materialien für die Trägertröpfchen bei Silicium-Halbleitermaterial zusammen mit den verschiedenen, zur Dotierung dienenden Fremdstoffmaterialien und den Materialien, die die Lebens-

830014/0782

- 19 - B 9920

1 dauer des Halbleitermaterials beeinflussen, angegeben.

Ö300U/0782

Material des Trägerp tröpfchens

dienendes ^

Frendstoffmate-^
rial

^!N-Typ

Sb

P-Typ

Al

Ga

In

Γ ^Α<3

Metalle, ,
die die "S
Lebensdauer ver-|
mindern

Au

Pt

_Acl

Au

Tabelle II

Pt Sn

P+

P +

P+

T(c) T(T)

Ii)

T (C

T(T

N -* N+

N -+ N+

P -► P+ >1060°C

P -+ P + >500°C

P + P+ >550°C

T(c) T (T)

T (c) T (T)

N -> N+ >1226°C 'Γ (T)

T (T)" >]226°C

Tc

T(T)

>1?.26°C

ϊίϊ)

>1226°C

τ (T)
>1226°C

N + N+

N ·*■ N+

N ->■ N+

P+

T (c)

T(c)

Mit der Konzentration des Dotier-T (c) sJnittels veränderliche Lebensdauer

ItLt der Tetnperatur veränderliche T (T) ⁼ Lebensdauer

Al Ga In _Mg

?tc)
>106 0⁰C

>1180°C

N+

P +

P + T(c)

P +

.T(O

P + T (C)

P -»■ N + >940°C

P -»■ N+ >550°C

T(c)

(C)

T(O

>1228°C

P +

P -+ P + >1228°C

P+

T(C) >1228°C

>1150°C T(C)

03

Keines

T(T)

T (T)
>1226°C

P+

T (T)

- 21 - B 9920

1 Von jedem Material in einem Trägertröpfchen muß

der Dampfdruck bei den minimalen Wanderungstemperaturen bekannt sein, damit die Materialien ausgewählt werden können, die in Verbindung miteinander in einem Trägertröpfchen eingesetzt werden. Unter der Voraussetzung, daß keine intermetallischen Verbindungen mit Silicium gebildet werden, handelt es sich bei der minimalen Wanderungstemperatur im allgemeinen um die eutektische Temperatur. Diese Informationen werden in den Tabellen in bis IX zusammen mit der Veränderung der Löslichkeit von Silicium in dem Träger mit der Temperatur

dem Unterschied in der Konzentration des Siüciums zwischen reinem Silicium und dem in dem flüssigen Trägertröpfchen vorhandenen Silicium (C„ - C_T) und

ο L·

der Geschwindigkeit des Trägertröpfchens in bezug auf den Temperaturgradienten (q) für die verschiedenen Trägerer materialien gezeigt.

9300U/0782

Tabelle III

Silber als Trägermetall Minimale Wanderungstemperatur: 830 ⁰C

Dampfdruck
(mbar)

_3_C

3T
(Molenbruch

Κ"¹)

^CS"^CL (Molenbruch) Löslichkeit - V/G (Atome - cm" ) _(cm2._s-1

	1000	9,3	X	10 "	1	6	X	10
CO	1100	5,3	X	10"²	5	9	X	10
O	1200	2,7	X	!Ο"¹	2	,7	X	10
O —»	1300	1,3				,0	X	10
*^	1400	>1,3				,5	X	10
O
co

-4 -4 -4 -4

0,8

0,73

0,62

0,38

0,03 6 χ 10 10

8 χ 10 5 χ 10 2 χ 10

15 16 16 16 16

7,5 χ

.,2 χ 2,7 χ

.,3 χ 8,3 χ

-8 -7 -7 -6 -6

Tabelle IV

	400
	500
	600
<*> O	700 800
	900
/0782	1000 1100 1200
	1300
	1400

Gold als Trägermetall
Minimale Wanderungstemperatur: 370 ⁰C

Dampfdruck
(mbar)

9C

-C

(Molenbruch · K ) (Molenbruch) Löslichkeit_₃ V/G

(Atome · cm ) _(cm2._s"1._K"1

< 1,3 χ 10

-11

1,3 x 10

-11

1,3 χ 10

-9

1,3 X 10

-6

1,3 χ 10

-4

,3 χ 10

-3

2,6 χ 10

-4

3 χ 10

-4

3,8 χ 10

-4

5,5 χ 10

-4

1,1 χ 10

-3

2 χ 10

-3

- 0,68 0,63 0,56 0,47 0,30 0,01 10

+

10

+

10

+

10

χ 10

16

3,8 χ

-4

4,8 χ

-4

6,8 χ

-4

,17 χ

-3

3,6 χ

-3

χ

-3

Dampfdruck

Tabelle V

Indium als Trägermetall
Minimale Wanderungstemperatur: 800 ⁰C

de

9T _₁ (Molenbruch · K )

-c

(Molenbruch) Löslichkeit

V/G

₂
(Atome · cm ) _(cm2._s-1

1000

1200

*° 1300

5,3 χ 10~²ntoar 2,5 χ 10~⁴

6,7 χ 10~¹ mbar 7 χ 10~⁴

2,02 bar

10

-2

0,93 0,88

2,7 χ 10

8 χ 10~^!

2 χ 10~⁶

Tabelle VI

Platin als Trägermetall
Minimale Wanderungstemperatur: 1229 ⁰C

Dampfdruck
(mbar)

de

9T (Molenbruch

K"¹)

•c -c

(Molenbruch) Löslichkeit . V/G

(Atome - cm" ) _(cm2._s~1._K"1

1250 1,3 χ 10

-8

1300 2,7 χ 10

-8

1400 2,7 χ 10

-7

7,5 χ 10

-4

1 χ 10

-3

1,6 χ 10

-3

0,2

0,15

0,03 3,8 χ 10

-7

8,7 χ 10

-7

5,3 χ 10

-6

Tabelle VII

Zinn als Trägermetall·
Minimaie Wanderungstemperatur: 400 ⁰C

⁰C Dampfdruck (mbar)

2C

(Molenbruch

κ'¹)

(Molenbruch) Löslichkeit ₃ V/G (Atome · cm" ) _(cm2._B-1

1000
1100
1200
1300
1400

1,3 χ 10

6,7 χ 10

2,7 χ 10

10,7 χ 10

-4 -3 —

mm

-2

3,3 χ

4 χ

1,5 χ

4 χ

-4 -4 -3 -3 -3

0,95

0,9

0,82

0,5

0,05

5 χ 10

19
19
19
19
19

3.4 χ 10

4.5 χ 10 1,8 χ 10

8 χ 10

8 x 10

-8 -8 -7 -7 -6

Tabelle viii

Aluminium als Trägermetall
Minimale Wanderungstemperatur:577 ⁰C

Dampfdruck (mbar)

ac

(Molenbruch

K"¹)

^CS"^CL (Molenbruch) Löslichkeit - V/G

(Atome · cm" ) _(cm2._s-1._K"1,

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1,3 χ 10 1,3 x 10 1,3 χ 10 1,3 χ 10 8,0 x 10 4,0 χ 10 1,3 χ 10 5,3 χ 10 ,3 χ 10

-10

-9

-7

-5

-4

-2

-1

χ

χ χ

1,1 χ

1,25 χ

1,6 χ

-4 -4 -4 -4 -3 -3 -3 -3 -3

0,88 0,89 0,73 0,65 0,56 0,47 0,35 0,22 0,06

7 χ 10

9 χ 10

1 χ 10 ,3 χ 10

2 χ 10 2 χ 10 2 χ 10

1,5 χ 10

4 χ 10

18 18 19 19 19 19 19 19 18

7 χ

8 χ

1 χ 1,4 χ

2 χ 4 χ 6 χ

1 ,5 χ

3 χ

-4 -4 -3 -3 -3 -3 -3 -2 -2

Tabelle IX

Gallium als Trägermetall
Minimale Wanderungstemperatur: 600 ⁰C

Dampfdruck
(mbar)

de

(Molenbruch

C -C

(Molenbruch) Löslichkeit^ V/G (Atome · cm" ) _(cm2._s«1._R-1,

	800	(Ti	,7	χ	10
§3001	• 900
	1000	6	,7	χ	10
ο
-J OO ro	1100
	1200	6	,7	χ	10
	1400	2	,7

-5

-3

-1

2,8 χ 10

-4

1,1 χ 10

-3

χ 10

-3

χ 10

-3

0,9

0,8

0,5 0,01

2 χ 10

4 χ 10

19

3,1 χ

-8

1,4 χ

4 χ

-7

3 χ

-5

- 29 - B 9920

In Tabelle X wird der Gleichgewichtsdampfdruck P von reinen, zur Dotierung dienenden Fremdstoffmaterialien (Dotierelementen) für verschiedene Wanderungstemperaturen angegeben.

8300U/0782

Tabelle X

Gleichgewichtsdampfdruck P von reinen Dotierelementen (mbar)

O O

	P	*	As	V	*	9	Sb	Dotierelement	10"⁴	B	\	1	Al	1	Ga	,3	X	10"¹¹	In	3	X	ΙΟ"¹
Temp.					f	8			10"³			1		2		,7	X	10"⁹		7	X	10"⁹
(⁰C)	1,3 χ 10³		2,7 χ 10¹			8	,3		10"²	J		1		1	,3	X	ΙΟ"⁷	1,	7	X	10"⁷
400	zu hoch	8,0 χ 10¹			8	,0	X	10"¹			4	,3X1O"¹²	4	/0	X	10"⁶	2,	0	X	10"⁶
500		2,7 χ 10²			2	,0	X				1	,3XiO-¹⁰	1	,3	X	ΙΟ'⁴	2,	0	X	10"⁵
600		zu hoch		8	,0	X				1	,3x10"⁸	10	,7	X	ίο"⁴	4,	3	X	ίο"⁴
700				1	,7	X	10¹		vernach-		,0x10"⁷	6	,7	X	ΙΟ"³	4,	0	X	10"³
800					/0				lässig-		,3x10"⁵					5,
900					,3				bar	6	,3x10"⁴					4,
1000			4		X	10¹		1,3x10"¹¹	5		4	,0	X	ίο"²		7	X	io"²
			10			10¹		8,0x10"¹⁰	4		1	,3	X	ΙΟ"¹		3	X	10"¹
			2	,0		10²		1,3x1O~⁸	2	-4 ,7x10	6	,7	X	10"¹	2,	7
1100			5	,7	X	10²		2,7x1O~⁷		,3X1O"³	2	,7			9,	3
1200				,7	X					,Oxio"²					2,
1300	\	V		,3	X			,7x10"¹					9,
1400				X

UJ O

CO

VO

vo to O

- 31 - B 9920

Der tatsächliche Dampfdruck P_n eines zur Dotierung dienenden Fremdstoffmaterials in einem Trägertröpfchen wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

10 worin

P_n = tatsächlicher Dampfdruck P = Gleichgewichtsdampfdruck X_n = tatsächliche Konzentration des zur '5 Dotierung dienenden Fremdstoff-

materials in dem Trägertröpfchen und X„ = maximale Löslichkeit des zur Dotierung

dienenden Fremdstoffmaterials in dem

Trägertröpfchen bei der Eindringtempe-

ratur im Falle des Gleichgewichts.

Durch Anwendung dieser Daten war es erfindungsgemäß möglich, zur Dotierung dienende Fremdstoffmaterialien

einzulagern bzw. wandern zu lassen, deren thermische

Wanderung durch ein Temperaturgradienten-Zonenschmelz-

verfahren bisher nur sehr schwierig oder unmöglich war. Die Bewertung und Ausnutzung -der bei Versuchen mit Trägertröpfchen in Silicium-Halbleitermaterial gesammelten Daten führte zu Bauelementen bzw. Bauelement-Anordnungen

mit einer ausgezeichneten, kommerziellen Qualität. Es

sei jedoch angemerkt, daß im Fall der Bildung von intermetallischen Verbindungen mit Silicium die Wanderungstemperatur höher sein muß als die Temperatur, bei der die intermetallische Verbindung gebildet wird. Diese Temperaturen werden für die in Frage kommenden Materialien in Tabelle II angegeben.

300U/0782

29379A0

- 32 - B 9920

Durch die Verbindung der Lehre der Erfindung mit der bekannten Technologie der Einlagerung von feinen Leitern und dem mit einem von der Achse abweichenden Temperaturgradienten durchgeführten Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren können Anordnungen bzw. Reihen von Leitern, bei denen die Leiterbreite 51 um oder weniger beträgt, und Anordnungen bzw. Reihen von scheibenförmigen Bereichen, bei denen die Scheiben einen Durchmesser von etwa 51 μΐη haben, hergestellt werden.

In ähnlicher Weise wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß Blei, Zinn, Gold, Indium, Silber, Cadmium, Thallium und Zink geeignete Materialien für die Trägertröpfchen zur Wanderung einer Schmelze durch Germanium sind. Die bevorzugten Materialien für die Trägertröpfchen sind Zinn, Gold, Indium und Legierungen und Kombinationen davon, da das Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren in diesem Fall bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, um eine unnötige Verbreiterung der P-N-

übergänge zu vermeiden. Bevorzugte, zur Dotierung dienende Fremdstoffmaterialien für die Verwendung in den Trägertröpfchen sind Aluminium und Gallium für eine Dotierung vom P-Typ und Arsen für eine Dotierung vom N-Typ. Diese drei Materialien werden bevorzugt, da sie selbst

in einem Trägertröpfchen Germanium in einem Ausmaß dotieren können, das ausreicht, um das rekristallisierte Germaniummaterial degenerativ zu

machen, was für Tunneldioden und Halbleiter-Neuronen erforderlich ist.

Die zwei oder mehr Materialien, aus denen das Tröpfchen besteht, können aufeinander abgeschieden werden, oder sie können aus einzelnen Quellen oder aus einer Quelle, die eine Vorlegierung der Materialien enthält, gemeinsam abgeschieden werden. Das Abscheidungsverfahren

•30014/0782

- 33 - B 9920

hängt von den eingesetzten Materialien, von den Bedingungen bzw. Erfordernissen des Einzelfalls und von der relativen Stabilität der beteiligten Materialien ab. Weiterhin können auch die Halbleitermaterialien, durch die das Tröpfchen thermisch hindurchwandern gelassen werden soll, in dem Tröpfchen enthalten sein, um die Benetzung der Oberflächen des Körpers zu unterstützen und zwecks Erzielung guter Einleitungseigenschaften, die für eine Wanderung von feinen Leitern und Tröpfchen erwünscht sind, das Eindringen des Tröpfchens in das auf der Oberfläche befindliche Material zu fördern. Weitere Angaben zum Einsatz von Halbleitermaterial in der Schmelze zwecks Verbesserung des Eindringens der Schmelze bei der Einleitung der thermischen Wanderung findet man in der US-Patentanmeldung "Enhanced Line Stability by Alloying of Deposition", Serien-Nr. (RD-9424).

Wenn Gold als Trägertröpfchenelement eingesetzt wird und die Beibehaltung einer langen Lebensdauer im HaIbleitermaterial erwünscht ist, muß das Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren bei niedrigen Temperaturen, bei denen die feste Löslichkeit von Gold gering ist, durchgeführt werden.

25 Die Verwendung von Silber als Trägertröpfchen

hat gegenüber der Verwendung von Gold einige Vorteile. Insbesondere werden durch Silber nicht so viele Rekombinationszentren gebildet wie durch Gold. Silber kann auch als Trägertröpfchen eingesetzt werden, um Silicium

entweder eine Dotierung vom N-Typ oder vom P-Typ zu verleihen, indem man Antimon oder Aluminium in der wandernden Schmelze verwendet. Außerdem ist Silber weniger teuer als Gold, was bei der Herstellung bestimmter Erzeugnisse

zu berücksichtigen ist. 35

830014/0782

- 34 - B 9920

' Silber hat jedoch auch bestimmte Nachteile. Silber wandert nicht so schnell wie Gold/ weil seine Liquiduslinie einen steilen Anstieg hat. Wenn eine Siliciurascheibe mittels einer Infrarot-Strahlungsquelle erhitzt 5 wird, ist die Wanderungsgeschwindigkeit von Silber unterhalb von 1200 ⁰C sehr gering und liegt in der Größenordnung von /v 10 cm/s. Daher ist Silber nur ein gerade noch vertretbares Trägertrüpfchenelement. Zinn, Blei, Indium und Gallium wandern bei Temperaturen, die für die
10 Durchführung eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahrens annehmbar sind, mit einer niedrigen Geschwindigkeit.

Der Einsatz eines Tröpfchens aus einer Gold-Silber-Legierung ist daher wirtschaftlicher. Die Eigenschaften '*> bezüglich der Lebensdauer, die Silicium durch eine solche Legierung verliehen werden, sind besser als im Fall der alleinigen Verwendung von Gold, während die Geschwindigkeiten der thermischen Wanderung höher sind als im Fall der

alleinigen Verwendung von Silber. 20

Silber und Aluminium können in einem Tröpfchen eingesetzt werden. Die Geschwindigkeit der thermischen Wanderung für das Tröpfchen ist höher als im Falle der alleinigen Verwendung von Silber. Dem Silicium wird eine

Dotierung vom P-Typ verliehen, jedoch ist die Fremdstoffkonzentration geringer als im Falle der alleinigen Verwendung von Aluminium.

Silber und Zinn können in einem Tröpfchen eingesetzt werden. Die Geschwindigkeit der thermischen Wanderung für das Tröpfchen ist größer als im Falle der alleinigen Verwendung von Zinn. Die Lebensdauer des rekristallisierten Halbleitermaterials ist höher als die des ursprünglichen Siliciummaterials.

§3001 A/0782

- 35 - B 992O

Auch ternäre Legierungen können in einer Trägertröpfchenkombination eingesetzt werden. Zum Beispiel können Silber-Gold-Antimon und Silber-Zinn-Antimon eingesetzt werden, um Silicium eine Dotierung vom N-Typ zu verleihen. Aluminium-Indium-Gallium kann verwendet werden, um Silicium eine Dotierung von P-Typ zu verleihen. Silber-Aluminium-Antimon kann eingesetzt werden, um Silicium zu dotieren, wobei die Erzielung des N- oder des P-Typs von der Temperatur des Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahrens und von der Zusammensetzung des

Tröpfchenmaterials (der Menge der einzelnen Bestandteile in Gew.-%) abhängt. Ag-10 Atom-% Al-2 Atom-% Sb führt bei 1200 ⁰C zu einer Dotierung des Siliciums mit dem P-Typ. Ag-10 Atom-% Sb-10 Atom-% Al bei 1200 ⁰C führt '5 zu einer Dotierung des Siliciums mit dem N-Typ.

130014/0782

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Hindurchbewegen einer Schmelze eines metallreichen Halbleitermaterials durch einen Festkörper aus einem Halbleitermaterial durch Bearbeitung mittels eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgangs, bei dem

(a) ein Körper aus einem Einkristall-Halbleitermaterial ausgewählt wird, der einen ersten Leitfähigkeitstyp, einen bestimmten spezifischen Widerstand und mindestens eine Hauptoberfläche mit einer bevorzugten, aus der (10O)-, (110)- und (111)-Orientierung der Ebenen der Kristallstruktur ausgewählten Orientierung hat, wobei die Vertikalachse des Körpers mit einer ersten Achse der Kristallstruktur im wesentlichen ausgerichtet ist und

25 wobei

(b) die Oberfläche als bevorzugte Orientierung die Orientierung einer Ebene der Kristallstruktur hat, die geeignet ist, um darauf eine körperliche Konfiguration oder mehrere körperliche Konfigurationen einer Metallschicht aufzunehmen, bei dem

(c) auf der ausgewählten Oberfläche des Körpers aus dem Halbleitermaterial eine Metallschicht abgeschieden bzw.

35 aufgetragen wird, bei dem

XI/rs

03Ö0U/0782

- 2 - B 9920

(d) der Körper und die Metallabscheidung auf eine Temperatur erhitzt werden, die dazu ausreicht, daß auf der Oberfläche des Körpers eine Schmelze von metallreichem Material gebildet wird, bei dem

(e) im wesentlichen entlang der Vertikalachse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur

ein einseitig gerichteter Temperaturgradient eingestellt wird und bei dem
10

(f) die metallreiche Schmelze entlang dem einseitig gerichteten Temperaturgradienten durch den Körper hindurchwandern gelassen wird, um den Körper in eine Vielzahl

von Regionen des ersten Leitfähigkeitstyps aufzuteilen und um mindestens eine Anordnung bzw. Reihe von Regionen aus rekristallisiertem Material des Körpers zu bilden, wobei eine feste Löslichkeit des aufgedampften Metalls in dem rekristallisierten Material vorliegt und durch das Metall mindestens ein zur Dotierung dienendes Fremd-Stoffmaterial in das rekristallisierte Material hineingebracht wird, wodurch dem rekristallisierten Material ein vorbestimmter, zweiter Leitfähigkeitstyp und ein bestimmter Wert des spezifischen Widerstands verliehen

werden,
25

dadurch gekennzeichnet,

daß man eine Metallschicht aufdampft, die

ein erstes Material, in dem zumindest ein erstes

Metall enthalten ist, durch das bei der Bildung der Schmelze deren Eindringen in die Oberfläche des Körpers verbessert und die Stabilität der Wanderung der Schmelze durch den Körper und/oder die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelze durch den Körper erhöht wird, und

S300U/0 7 82

- 3 - B 9920

1 ein zweites Material, in dem zumindest ein zweites Metall enthalten ist, durch das der rekristallisierten Region vorbestimmte elektrische Eigenschaften hinsichtlich des Leitfähigkeitstyps, der Höhe des spezifischen Wider-

stands, der Regulierung der Lebensdauer usw. verliehen werden, enthält,

und daß man den Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgang bei einer Temperatur durchführt, die über der Temperatur liegt, bei der durch das Material des Halbleiterkörpers und das zumindest eine erste Metall intermetallische Verbindungen gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 15 daß man als Halbleitermaterial Silicium einsetzt und

das zumindest eine zweite Metall aus Phosphor, Arsen und Antimon auswählt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 20 daß man als Halbleitermaterial Silicium einsetzt und

das zumindest eine zweite Metall aus Bor, Aluminium, Gallium und Indium auswählt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 25 daß man als Halbleitermaterial Silicium einsetzt und das

zumindest eine zweite Metall aus Silber, Gold und Platin auswählt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, man das zumindest eine e:
Gallium und Indium auswählt.

^ou daß man das zumindest eine erste Metall aus Zinn, Aluminium,
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als erstes Metall zumindest Magnesium einsetzt.

6300U/0782

- 4 - B 9920
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß man als erstes Material ein Material einsetzt, das auch eine vorbestimmte Menge des Materials des Körpers enthält, um die Benetzung des Körpers durch das Trägertröpfchen und das Eindringen des Trägertröpfchens in den Körper zu unterstützen, wenn das Trägertröpfchen auf die angegebene Temperatur erhitzt wird, um die Schmelze zu bilden und mit der thermischen Wanderung zu beginnen.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das zumindest eine erste Metall aus Silber, Gold und Zinn auswählt.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, '5 daß man als zweites Metall zumindest Antimon einsetzt und das zumindest eine erste Metall aus platin, Aluminium, Gallium, Indium und Magnesium auswählt.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ™ daß man als zweites Metall zumindest Arsen und als erstes

Metall zumindest Indium einsetzt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Silicium, als erstes

* Metall zumindest Aluminium und als zweites Metall zumindest Bor einsetzt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• daß man als Halbleitermaterial Silicium einsetzt und

das zumindest eine erste Metall aus Silber, Gold, Platin und Zinn auswählt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als zweites Metall zumindest Aluminium einsetzt.

630014/0782

- 5 - B 9920

'
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Silicium einsetzt und das zumindest eine erste Metall aus Silber, Gold, Zinn und Magnesium und das zumindest eine zweite

5 Metall aus Aluminium, Gallium und Indium auswählt.
15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Silicium einsetzt und das zumindest eine erste Metall aus Aluminium, Gallium, Indium und Magnesium auswählt.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Germanium einsetzt und

das zumindest eine zweite Metall aus Aluminium, Gallium '5 und Arsen auswählt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man das zumindest eine erste Metall aus Zinn, Gold

und Indium auswählt.
20
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man das zumindest eine erste Metall aus Blei, Silber, Cadmium, Thallium und Zink auswählt.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Silicium, als erstes Material ein aus Gold und Silber bestehendes Material und als zweites Material Antimon einsetzt.
20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Silicium, als erstes Material Silber und Zinn und als zweites Material Antimon einsetzt.

030014/0782

- 6 - B 9920
21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Halbleitermaterial Silicium, als erstes Material Aluminium und Indium und als zweites Material Gallium einsetzt.

030014/0782