DE1238105B - Verfahren zum Herstellen von pn-UEbergaengen in Silizium - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von pn-UEbergaengen in Silizium

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DE1238105B DES86210A DES0086210A DE1238105B DE 1238105 B DE1238105 B DE 1238105B DE S86210 A DES86210 A DE S86210A DE S0086210 A DES0086210 A DE S0086210A DE 1238105 B DE1238105 B DE 1238105B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
ht. CL:
HOlI
Deutsche Kl.: 21 g - 11/02
Nummer: 1 238 105
Aktenzeichen: S 86210 VIII c/21 g
Anmeldetag: 17. Juli 1963
Auslegetag: 6. April 1967
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von pn-Übergängen in Silizium durch epitaktisches Aufwachsen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps auf einkristalline Siliziumträger aus einer strömenden Gasatmosphäre in einer Aufwachszelle. Erfindungsgemäß werden einkristalline p-leitende Träger aus Silizium auf einem mit diesen Trägern im Wärmekontakt stehenden, heizbaren Siliziumkörper, der mindestens an den Stellen, auf denen der p-leitende Träger aufliegt, aus einer Silizium- *° legierung eines Elementes der IL, III. oder V. Gruppe des Periodischen Systems besteht, bei einer Temperatur von 900 bis 1400°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1150 bis 1250° C, im Strom eines Gasgemisches aus Wasserstoff, Halogenwasserstoff und einer Siliziumhalogenverbindung für die Dauer von 1 bis 60 Minuten erhitzt und dabei plan geätzt. Im Anschluß daran wird auf die Träger η-leitendes Silizium epitaktisch abgeschieden. Als Legierungspartner für den Siliziumkörper eignen sich besonders diejenigen Elemente der IL, ILL oder V. Gruppe des Periodischen Systems, die mit Silizium ein einfach eutektisches System mit entartetem Eutektikum bilden, z. B. die Metalle Gallium, Indium, Antimon sowie Zink.
Es ist bereits bekannt, Silizium aus einer gasförmigen Verbindung des Siliziums und eines gasförmigen Reduktionsmittels, wie SiCl4 und H2 oder SiHCl3 und H2, epitaktisch abzuscheiden, beispielsweise aus der österreichischen Patentschrift 222 183. Eine plane Aufwachsfläche des zu beschichtenden einkristallinen Halbleitermaterials kann jedoch mit diesen Gasgemischen nicht hergestellt werden.
Die epitaktische Abscheidung von Si wird auch in der deutschen Patentschrift 943 422 beschrieben, die die Herstellung einer halbleitenden Substanz mit einer besonders geringen Konzentration an leitenden Teilchen zum Gegenstand hat. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene Substanz wiederholt in die gasförmige Verbindung umgewandelt und anschließend aus dieser niedergeschlagen wird.
In der österreichischen Patentschrift 224 165 wird ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung eines Halbleiterstoffes auf einer aus demselben Halbleiterstoff bestehenden einkristallinen Unterlage in aufeinanderfolgende Schichten verschiedener Leitfähigkeit und/oder entgegengesetzten Leitungstyps beschrieben. Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung werden jedoch bei diesem Verfahren die zu beschichtenden einkristallinen Halbleiterscheiben nicht auf einen mit Elementen der IL, III. oder V. Gruppe des Periodischen Systems legierten Verfahren zum Herstellen von pn-Übergängen in Silizium
Anmelder:
Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr. Hans Merkel,
Siegfried Leibenzeder, Erlangen
Halbleiterkörper aufgebracht, sondern auf einen aus hochreinem Halbleitermaterial bestehenden, plan geschliffenen, insbesondere stabförmigen Körper. Durch diese Maßnahme wird zwar eine Verunreinigung der niedergeschlagenen Schichten vermieden, jedoch genügen, wie an Hand von Vergleichsversuchen festgestellt wurde, nach diesem Verfahren hergestellte pn-Übergänge noch nicht den an solche Halbleiteranordnungen für bestimmte Anwendungszwecke gestellten Anforderungen.
Die nach dem neuen Verfahren hergestellten pn-Übergänge zeichnen sich vor allem dadurch aus, daß sie eine gute Gleichrichtercharakteristik, d. h. einen scharf markierten Stromwechsel beim Übergang von Fluß- zur Sperrichtung sowie einen abrupten Stromanstieg nach Überschreiten der Durchbruchsspannung, und ein hohes Sperrvermögen zeigen.
Im folgenden Beispiel wird das Verfahren gemäß der Erfindung näher beschrieben.
Tn einer an sich bekannten Anlage zur Epitaxialbeschichtung von Silizium wird auf ein glattes Graphitbrett, den Heizer, eine Siliziumschicht von 0,2 bis 0,3 mm Dicke abgeschieden. An mehreren Stellen werden auf diese Siliziumschicht Galliumkügelchen von etwa 1 mm Durchmesser angeordnet. Danach wird der Heizer etwa 10 Minuten im Wasserstoffstrom auf 1150 bis 1250° C erhitzt. Das Gallium dringt völlig in die Siliziumschicht ein. Nach dem Abkühlen sind die mit Gallium behandelten Stellen deutlich zu erkennen. Auf diese Stellen werden p-leitende Siliziumscheiben von z. B. 200 Ohm · cm gelegt, in der Aufwachszelle auf 1150 bis 1250°C erhitzt und mit einer die Zelle durchströmenden Gasmischung, bestehend aus 1 Mol Wasserstoff, 0,16 Mol Chlorwasserstoff und 0,04 Mol gasförmigem Siliziumtetrachlorid, plan geätzt. Nach 10 Minuten wird das Ätzgas abgestellt und zur epitaktischen Beschichtung Wasserstoff und SiIi-
709 548/285
ziumtetrachlorid in einem Molverhältnis von 25 : 1 eifl-"" geleitet. Dem Gasgemisch wird soviel Phosphor(III)-chlorid beigemengt, daß η-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 5 Ohm · cm aufwächst.
Bei einer Sperrspannung von 400 V beträgt der Rückstrom nur einige 10~8 A/mm2.
Wird demgegenüber eine p-leitende Siliziumscheibe entsprechend dem Verfahren der österreichischen Patentschrift 224 165 auf die plane Fläche eines hochreinen, also nicht legierten Siliziumkörpers gelegt und unter den eben genannten Versuchsbedingungen zur epitaktischen Abscheidung mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Siliziumtetrachlorid, das die zum Dotieren erforderlichen Mengen an PCl3 enthält, in Berührung gebracht, so erhält man einen Übergang, dessen Sperrspannung bei 20 V liegt. Der Rückstrom beträgt bei dieser Spannung etwa 4 · 10~6 A/mm2.
In analoger Weise läßt sich das Verfahren mit Siliziumheizern durchführen, die mit Indium, Antimon, Zink oder einem anderen Element der IL, III. oder V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente legiert sind, z. B. mit Magnesium oder Arsen. An Stelle von Phosphor kann dem Gasgemisch, das zum Aufwachsen verwendet wird, auch Arsen oder Antimon, z. B. in Form ihrer Halogenverbindungen, beigegeben werden. Der spezifische Widerstand der Aufwachsschicht hängt vom Partialdruck der dotierenden Beimengung im Reaktionsgas ab. Beträgt der Partialdruck von beigemischtem gasförmigem Antimon(III)-chlorid z. B. 1 Torr, so wächst reproduzierbar n-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,02 Ohm · cm auf.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten pn-Übergänge zeichnen sich durch gute scharfe Gleichrichterkennlinien bei kleinen Rückströmen aus; bsi 400 V beträgt der Rückstrom in der Regel nicht mehr als einige 10~8 A/mm2.
Statt des mit Silizium beschichteten Graphitbrettes können als Heizer auch Unterlagen aus kompaktem Silizium verwendet werden, die in analoger Weise mit den erfindungsgemäß zu wählenden Elementen zu behandeln sind.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von pn-Übergängen in Silizium durch epitaktisches Aufwachsen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps auf einkristalline Siliziumträger aus einer strömenden , Gasatmosphäre in einer Aufwachszelle, dadurch gekennzeichnet, daß einkristalline p-leitende Träger aus Silizium auf einem mit diesen Trägern im Wärmekontakt stehenden, heizbaren Siliziumkörper, der mindestens an den Stellen, auf denen der p-leitende Träger aufliegt, aus einer Siliziumlegierung eines Elements der IL, III. oder
V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente besteht, bei einer Temperatur von 900 bis 14000C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1150 bis 1250°C, im Strom eines Gasgemisches aus Wasserstoff, Halogenwasserstoff und einer Siliziumhalogenverbindung für die Dauer von 1 bis 60 Minuten erhitzt und dabei plan geätzt werden und daß dann auf die Träger n-leitendes Silizium epitaktisch abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein heizbarer Siliziumkörper verwendet wird, der mindestens an den Stellen, auf denen der p-leitende Träger aufliegt, aus der Siliziumlegierung eines Elementes der IL, III. oder V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente besteht, das mit Silizium ein einfach eutektisches System mit entartetem Eutektikum bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der heizbare Siliziumkörper mit Gallium legiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der heizbare Siliziumkörper mit Indium legiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der heizbare Siliziumkörper mit Antimon legiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der heizbare Siliziumkörper mit Zink legiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der heizbare Siliziumkörper mit Magnesium legiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der heizbare Siliziumkörper mit Arsen legiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumträgerkristalle in einer strömenden Gasmischung aus 1 Mol Wasserstoff, 0,16 Mol Chlorwasserstoff und 0,4 Mol Siliziumtetrachlorid 10 Minuten lang erhitzt werden.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Siliziumtetrachlorid im Molverhältnis 25: 1 dem gasförmigen Antimon(III)-chlorid mit einem Partialdruck von etwa 1 Torr beigemengt ist, über die auf 1150 bis 1250° C erhitzten Siliziumträger geleitet wird, derart, daß sich antimondotiertes η-leitendes Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,02 Ohm · cm epitaktisch auf p-leitendes einkristallines Silizium abscheidet.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 943 422;
österreichische Patentschriften Nr. 222 183, 224 165.
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