JPH025716B2 - - Google Patents
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Description
(関連出願の説明)
テイー・アール・アンソニー(T.R.Anthony)
の名義で1981年6月11日付で提出されかつ本願の
場合と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願第
272801号明細書中には、一般に電位勾配の利用に
よつて金属含有融体を移動させる際に有用であ
り、また特に各種の整流接合の悪影響を回避する
ために有用な陽極および陰極接触部の形成方法が
開示されている。上記出願明細書の内容は引用に
よつて本明細書中で参照するものとする。
(発明の分野)
本発明は、電位勾配の使用により半導体材料中
において金属含有融体を移動させ、それによつて
半導体材料中に再結晶した単結晶半導体材料の領
域を形成する方法に関するものである。更に詳し
く言えば、本発明はかかる方法によるPN接合の
形成に関する。
(発明の背景)
温度勾配を使用しながら固体中において金属含
有融体を移動させる方法すなわち温度勾配帯域溶
融法(TGAM法)はプフアン(Pfann)によつ
て発明され、そしてたとえば米国特許第2813048
号明細書中に記載されている。プフアンの方法に
従えば、適当な液体属から成るシートまたはワイ
ヤ(線材)が温度勾配によつて半導体中を移動さ
せられる。かかる液体金属ワイヤの移動が進行す
るに従い、その後方には不純物添加を受けた液相
エピタキシヤル材料が残される。その後、幾人か
の研究者により、平面状の液体帯域は不安定であ
ること、そしてまたかかる帯域から液滴が分裂し
て再結晶半導体中に捕捉されることが見出され
た。このような理由により、プフアンのTGZM
法によつて加工された材料は半導体素子の製造用
として適当でなかつた。
しかるに最近に至り、アンソニーおよびクライ
ン(Anthony & Cline)はたとえば米国特許
第3979230および3998662号明細書中に記載された
分離(アイソレーシヨン)格子のごときPN接合
構造物を半導体中に形成するため商業的に実施可
能なTGZM法を開発した。新たに開発された
TGZM法、装置、およびそれによつて形成され
るPN接合構造物の詳細については、たとえば米
国特許第4075038、4091257および4224594号明細
書をそれぞれ参照されたい。
商業的に改変されたTGZM法を簡単に説明す
れば、空冷された高温の石英ランプ列と水冷され
た放熱器との間に半導体ウエーハが配置される。
ランプからの赤外線はランプに向いた側のウエー
ハ表面により吸収されて熱に変わる。この熱はウ
エーハを通過した後、反対側のウエーハ表面から
放熱器に対して放射される。このようなウエーハ
を通る熱の流れにより、TGZM法を可能にする
温度勾配が生じるのである。TGZM法の商業的
実施に役立つ典型的な装置は米国特許第4221956
号明細書中に記載されている。
(発明の概要)
さて本発明に従えば、金属に富む半導体材料か
ら成る1つ以上の溶融帯域(すなわち金属含有融
体)を単結晶半導体材料の固体母体中において移
動させることにより、再結晶した単結晶半導体材
料から成る1つ以上の領域を形成する方法が提供
される。この方法は、母体の材料とそれに隣接す
る再結晶半導体材料の領域との間に鮮明
(sharp)な境界(すなわち接合面)を必要とす
る素子の製造のために適している。とりわけ、溶
融帯域を母体中において部分的に移動させ、その
結果として移動方向における母体半導体材料と再
結晶半導体材料との界面に鮮明な境界を形成する
ことが要求される場合に特に有用である。
かかる方法の有用性、安定性および制御性は、
金属含有融体を移動させるための駆動力として、
温度勾配帯域溶融法(TGZM法)における温度
勾配の代りに電位勾配を使用することに由来して
いる。駆動力が電位勾配または温度勾配のいずれ
であつても金属含有融体の移動に関する金属学的
情況は実質的に同じであるから、TGZM法によ
つて半導体結晶中に形成し得るあらゆる形態の
PN接合が本発明の電気移動(エレクトロマイグ
レーシヨン)法によつても形成し得るものと予想
される。
本発明の方法の工程を述べれば、先ず第一に、
金属含有融体を陽極および陰極接触部の間に位置
する単結晶半導体材料の母体中においてそれぞれ
の経路に沿いながら移動させるための方向が決定
される。
第二に、1つ以上の金属固体が母体に接触して
配置される。各々の金属固体を成す材料は、(1)母
体の半導体材料中に可溶であり、(2)母体の半導体
材料との間に母体の半導体材料の融点より低い融
点を持つた溶体を生成し、かつ(3)母体の半導体材
料の仕事関数をφhとしした時、量(φi−φh)の
代数符号と金属含有融体が移動して接近すべき接
触部の代数符号が等しくなるような仕事関数φiを
有するという諸条件を満足するように選ばれる。
金属固体の材料は、母体中に形成すべき再結晶し
た単結晶半導体材料の領域において所望される物
理的特性(たとえば抵抗率や導電形)を実現する
ために必要な金属元素や合金であればよい。金属
固体の材料はまた、ホウ素やリンのごとき非金属
元素を含有した金属元素や合金であつてもよい。
本明細書中で使用される「母体に接触させて金
属固体を配置する」という表現は、金属固体が完
全に母体の内部に(すなわち、いずれの表面にも
接触しないようにして)配置される場合および金
属固体が初期において母体の表面上に配置される
場合の両方を包括するものである。かかる金属固
体は小滴状、線形状または平面状網状の形態を有
し得る。金属固体が線形状を成す場合、その長軸
は母体および移動させるべき金属についての結晶
学的な安定ワイヤ方向と実質的に整列するように
する。また、金属固体が網状を成す場合、その線
形状要素の長軸は母体および移動させるべき金属
についての結晶学的な安定ワイヤ方向と実質的に
整列するようにする。金属固体が露出面上に配置
される場合には、かかる配置は実質的に酸素を含
まない金属固体を生み出す手段(たとえば真空中
における電子ビーム蒸着)によつて行うことが好
ましい。
第三に、陽極および陰極接触部が母体に付加さ
れる。前述の特許出願明細書中には、なかんず
く、一般に電気移動法の実施に際して有用であり
かつ本明細書中に記載される単純な圧接電極とは
異なる接触部の形成方法が開示されている。
第四に、母体およびそれに接触して配置した金
属固体が、金属に富む半導体材料の溶融物(すな
わち金属含有融体)を生成するのに十分であると
同時に母体の全域にわたつて実質的に一定かつ一
様であるような高温に加熱される。
第五に、陽極および陰極接触部の間に位置する
母体を横切つて電位勾配が印加される。かかる電
位勾配は、一般に、1つ以上の金属含有融体を移
動させるための経路と実質的に平行になるように
設定される。
最後に、印加された電位勾配がもたらす駆動力
により、金属に富む半導体材料から成る1つ以上
の金属含有融体は半導体材料の固体状母体中にお
いてそれぞれの経路に沿いながら溶融帯域として
同時に移動(すなわち電気移動)する。固体状母
体の半導体材料中を各々の溶融帯域が移動する結
果として、母体の半導体材料中における金属含有
融体の材料の固溶解限度までの量で液体金属包有
物の材料を溶解している再結晶した単結晶半導体
材料の領域が形成される。再結晶した単結晶半導
体材料の各領域は少なくとも母体の半導体材料の
抵抗率と異なつた抵抗率を有するが、その抵抗率
は主として金属含有融体の材料性質および電気移
動法の実施温度によつて決定される。また、金属
含有融体の材料を適当に選択すれば、再結晶した
単結晶半導体材料の領域が母体の半導体材料の導
電形と異なつた導電形を有するようにすることも
できる。
本発明方法の実施に当つては、たとえば、第1
の主面から第2の主面まで母体を貫通して1つ以
上の溶融帯域を移動させることができる。あるい
はまた、2つの主面の間で溶融帯域を停止させた
後、後向きの電位勾配を印加することにより好ま
しくは最初と同じ経路に沿つて溶融帯域を第1の
主面にまで移動させ、それにより特に移動方向に
沿つて母体の処理済み半導体材料と未処理半導体
材料との間に鮮明な境界を形成することもでき
る。
更にまた、単結晶半導体材料の母体が薄膜であ
る場合に本発明の電気移動法を実施すると、半導
体材料の塊状母体に対して実施した場合に比べて
100〜1000倍も早い速度で再結晶した単結晶半導
体材料の領域が形成されることも見出された。
(詳細な説明)
添付の図面を参照しながら以下の説明を読め
ば、本発明は一層明確に理解されよう。
先ず第1図について説明すると、直流電流を通
した単結晶半導体材料2中では金属含有融体1が
電流の流線に沿いながら陽極3または陰極4に向
かつて移動することが判明した。第1図および以
後の図中において矢印で表わされるような金属含
有融体1の移動は、電流が金属含有融体1を通過
する結果として金属含有融体1を横切る溶解半導
体原子の流束(フラツクス)が生じることによつ
て引起こされる。このような半導体原子の流束を
生み出すためには、半導体材料2の原子が前面5
において金属含有融体1中に溶解し、一方溶解し
た半導体原子が後面6において沈積する。本発明
の目的からすれば、直流の流れは陰極4から陽極
3へ向かつているから、半導体材料2を横切る電
位勾配の方向(すなわち極性)もまた陰極4から
陽極3へ向かつている。この場合、金属含有融体
1は電位勾配の方向(すなわち経路)に沿つて配
置されることが好ましい。かかる金属含有融体1
はは、電位勾配に応答することにより、実質的に
上記経路に沿いながら陰極4または陽極3に向か
つて電気移動する。
電気移動する金属含有融体1の後方に沈積され
る再結晶した単結晶半導体材料の領域7中には、
金属含有融体1を構成する材料(すなわち、金
属、非金属またはそれらの組合せ)の痕跡量が残
存する。かかる材料の残存量は半導体材料2中に
おける金属含有融体1の材料の固溶解限度までで
ある。金属含有融体1の材料の痕跡量が領域7中
に存在するため、領域7の抵抗率は半導体材料2
の抵抗率とは異なつたものになる。金属含有融体
1を構成する材料が半導体材料2に対して電気的
に活性なドーパント(不純物とも呼ばれる)であ
れば、領域7はドーパントの原子価状態および濃
度に応じてN形またはP形となる。N形の半導体
材料2中においてP形の金属含有融体1を電気移
動させたり、あるいはP形の半導体材料中におい
てN形の金属含有融体を電気移動させたりすれ
ば、半導体材料2中にPN接合8を形成すること
ができる。金属含有融体の電気移動速度は同じ金
属の固体拡散係数より桁違いに大きいから、金属
含有融体のエレクトロマイグレーシヨン(電気移
動)は日単位でなく分単位で半導体材料中にPN
接合を形成するための手段を提供する。
同じ半導体材料中においても、全ての金属含有
融体が所定の電位勾配に応答して同じ方向に電気
移動するとは限らない。本発明の完成の過程にお
いて発見されかつ第2図に略示されている通り、
4.55電子ボルト(eV)より大きい仕事関数を持
つた金属Aの金属含有融体9はシリコン中で陽極
3に向かつて電気移動するのに対し、4.55eVよ
り小さい仕事関数を持つた金属Bの金属含有融体
10は陰極4に向かつて移動する。下記の第1表
には、シリコン中における9種の金属の電気移動
方向およびそそれらの仕事関数が示されている。
アンチモンは、シリコンの仕事関数とほとんど同
じ仕事関数を有するため、シリコン中では電気移
動しない。とは言え、シリコンの仕事関数と実質
的に異なる仕事関数を有する半導体材料(たとえ
ばゲルマニウムやヒ化ガリウム)中においてはア
ンチモンも電気移動する。
(Description of related applications) TRanthony
U.S. Patent Application No. 1, filed June 11, 1981, and assigned to the same assignee as the present application.
No. 272801 discloses anode and cathode contacts useful in general for moving metal-containing melts through the use of potential gradients, and particularly useful for avoiding the negative effects of various rectifying junctions. A method of formation is disclosed. The contents of the above application specifications are hereby incorporated by reference. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method of moving a metal-containing melt through a semiconductor material through the use of a potential gradient, thereby forming regions of recrystallized single crystal semiconductor material in the semiconductor material. . More particularly, the present invention relates to the formation of PN junctions by such methods. BACKGROUND OF THE INVENTION The method of transferring metal-containing melts in solids using temperature gradients, the temperature gradient zone melting method (TGAM method), was invented by Pfann and is described in, for example, U.S. Pat. No. 2,813,048.
It is stated in the specification of the issue. According to Pufmann's method, a sheet or wire of a suitable liquid material is moved through a semiconductor by means of a temperature gradient. As the liquid metal wire continues to move, impurity-doped liquid phase epitaxial material is left behind. Subsequently, several researchers discovered that planar liquid zones are unstable and that droplets from such zones can break off and become trapped in recrystallized semiconductors. For these reasons, Puhuan's TGZM
Materials processed by this method were not suitable for use in the manufacture of semiconductor devices. More recently, however, Anthony & Cline have begun commercial efforts to form PN junction structures in semiconductors, such as the isolation lattices described in U.S. Pat. We have developed a TGZM method that can be implemented in a practical manner. newly developed
For details of the TGZM method, apparatus, and PN junction structures formed thereby, see, for example, US Pat. Briefly, the commercially modified TGZM process involves placing a semiconductor wafer between an array of air-cooled, high-temperature quartz lamps and a water-cooled heat sink.
Infrared radiation from the lamp is absorbed by the wafer surface facing the lamp and converted into heat. After passing through the wafer, this heat is radiated from the opposite wafer surface to the heat sink. This flow of heat through the wafer creates the temperature gradient that makes the TGZM process possible. A typical device useful for the commercial implementation of the TGZM method is U.S. Patent No. 4,221,956
It is stated in the specification of the issue. SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, recrystallized A method of forming one or more regions of single crystal semiconductor material is provided. This method is suitable for the manufacture of devices that require sharp boundaries (ie, interfaces) between the host material and the adjacent region of recrystallized semiconductor material. In particular, it is particularly useful when it is required to partially move the molten zone in the matrix, so as to form a sharp boundary at the interface between the matrix semiconductor material and the recrystallized semiconductor material in the direction of movement. The utility, stability and controllability of such methods are
As a driving force to move metal-containing melt,
It originates from the use of a potential gradient instead of a temperature gradient in the temperature gradient zone melting method (TGZM method). Since the metallurgical situation regarding the movement of metal-containing melts is essentially the same whether the driving force is a potential gradient or a temperature gradient, all the forms that can be formed in semiconductor crystals by the TGZM method are
It is anticipated that PN junctions may also be formed by the electromigration method of the present invention. Describing the steps of the method of the present invention, first of all,
Directions are determined for moving the metal-containing melt along respective paths through the matrix of single crystal semiconductor material located between the anode and cathode contacts. Second, one or more metallic solids are placed in contact with the matrix. The material constituting each metallic solid is (1) soluble in the base semiconductor material, and (2) forms a solution with the base semiconductor material that has a melting point lower than the melting point of the base semiconductor material. , and (3) When the work function of the base semiconductor material is φh, the algebraic sign of the quantity (φi − φh) and the algebraic sign of the contact area where the metal-containing melt should move and approach are the same. It is selected so as to satisfy the conditions of having the function φi.
The metallic solid material is any metallic element or alloy necessary to achieve the desired physical properties (e.g. resistivity, conductivity type) in the region of the recrystallized single crystal semiconductor material to be formed in the matrix. good. The solid metal material may also be a metallic element or alloy containing non-metallic elements such as boron or phosphorus. As used herein, the expression "placing a metal solid in contact with a matrix" means that the metal solid is placed completely inside the matrix (i.e., without contacting any surface). It covers both the case where the metal solid is initially placed on the surface of the matrix. Such metal solids may have a droplet-like, linear or planar network-like morphology. If the metal solid is linear, its long axis is substantially aligned with the crystallographically stable wire direction for the matrix and the metal to be transferred. Also, if the metal solid is reticulated, the long axes of the linear elements should be substantially aligned with the crystallographically stable wire directions for the matrix and the metal to be transferred. If a metallic solid is disposed on the exposed surface, such disposing is preferably done by means that produce a substantially oxygen-free metallic solid (eg, electron beam evaporation in vacuum). Third, anode and cathode contacts are added to the matrix. The aforementioned patent applications disclose, among other things, methods of forming contacts that are generally useful in the practice of electromigration methods and that differ from the simple pressure contact electrodes described herein. Fourth, the matrix and the metallic solids placed in contact with it are sufficient to produce a melt of metal-rich semiconductor material (i.e., a metal-containing melt) and substantially throughout the matrix. It is heated to a high temperature that is constant and uniform. Fifth, a potential gradient is applied across the matrix located between the anode and cathode contacts. Such potential gradients are generally set to be substantially parallel to the path for moving the one or more metal-containing melts. Finally, the driving force provided by the applied potential gradient causes the one or more metal-containing melts of the metal-rich semiconductor material to move simultaneously as molten zones along their respective paths in the solid matrix of semiconductor material. i.e. electromigration). The movement of each melt zone through the solid host semiconductor material results in dissolution of the liquid metal inclusion material in an amount up to the solid solubility limit of the metal-containing melt material in the host semiconductor material. A region of recrystallized single crystal semiconductor material is formed. Each region of the recrystallized single-crystal semiconductor material has a resistivity that differs from at least that of the parent semiconductor material, with the resistivity depending primarily on the material properties of the metal-containing melt and the temperature at which the electromigration method is carried out. It is determined. Furthermore, by appropriately selecting the material of the metal-containing melt, it is possible to make the region of the recrystallized single-crystal semiconductor material have a conductivity type different from that of the host semiconductor material. In carrying out the method of the present invention, for example, the first
One or more melt zones can be moved through the matrix from a major surface to a second major surface. Alternatively, after stopping the melting zone between the two major surfaces, the melting zone is moved up to the first major surface, preferably along the same path as initially, by applying a backward potential gradient; This also makes it possible to form sharp boundaries between the parent treated and untreated semiconductor material, especially along the direction of movement. Furthermore, when the electromigration method of the present invention is carried out when the matrix of single-crystal semiconductor material is a thin film, the electromigration method of the present invention is performed on a bulk matrix of semiconductor material.
It has also been found that regions of recrystallized single-crystalline semiconductor material form 100 to 1000 times faster. DETAILED DESCRIPTION The present invention will be more clearly understood from the following description in conjunction with the accompanying drawings. First, referring to FIG. 1, it has been found that in the single crystal semiconductor material 2 through which a direct current is passed, the metal-containing melt 1 moves toward the anode 3 or the cathode 4 along the flow line of the current. The movement of the metal-containing melt 1, as represented by the arrows in FIG. 1 and the following figures, reflects the flux of molten semiconductor atoms ( This is caused by flux). In order to create such a flux of semiconductor atoms, the atoms of the semiconductor material 2 must be
at the metal-containing melt 1 , while the dissolved semiconductor atoms are deposited at the rear surface 6 . For purposes of the present invention, since the direct current flow is from cathode 4 to anode 3, the direction (i.e. polarity) of the potential gradient across semiconductor material 2 is also from cathode 4 to anode 3. In this case, the metal-containing melt 1 is preferably arranged along the direction (ie, the path) of the potential gradient. Such metal-containing melt 1
In response to the potential gradient, the electromigration occurs substantially along the above-mentioned path towards the cathode 4 or the anode 3. In the region 7 of recrystallized monocrystalline semiconductor material deposited behind the electromigrating metal-containing melt 1,
Traces of the material (ie metal, non-metal or a combination thereof) comprising the metal-containing melt 1 remain. The remaining amount of such material is up to the solid solubility limit of the material of the metal-containing melt 1 in the semiconductor material 2. Since traces of the material of the metal-containing melt 1 are present in the region 7, the resistivity of the region 7 is equal to that of the semiconductor material 2.
The resistivity will be different from that of If the material constituting the metal-containing melt 1 is an electrically active dopant (also called an impurity) with respect to the semiconductor material 2, the region 7 can be of N-type or P-type depending on the valence state and concentration of the dopant. Become. If the P-type metal-containing melt 1 is electromigrated in the N-type semiconductor material 2, or if the N-type metal-containing melt is electromigrated in the P-type semiconductor material, A PN junction 8 can be formed. Since the electromigration rate of a metal-containing melt is orders of magnitude higher than the solid-state diffusion coefficient of the same metal, the electromigration of a metal-containing melt is a matter of minutes rather than days.
Provides a means for forming a bond. Even within the same semiconductor material, not all metal-containing melts will electromigrate in the same direction in response to a given potential gradient. As discovered in the course of completing the invention and schematically illustrated in FIG.
The metal-containing melt 9 of metal A, which has a work function larger than 4.55 electron volts (eV), moves electrically toward the anode 3 in silicon, whereas the metal B, which has a work function smaller than 4.55 eV, moves electrically toward the anode 3 in silicon. The contained melt 10 moves towards the cathode 4. Table 1 below shows the electromigration directions of nine metals in silicon and their work functions.
Antimony does not electromigrate in silicon because it has almost the same work function as silicon. However, antimony will also electromigrate in semiconductor materials that have a work function that is substantially different from that of silicon (eg, germanium or gallium arsenide).
【表】【table】
【表】
第1表は本発明の完成の過程において得られた
データをまとめたものである。これらのデータを
得るためには、第3図に略示された電気移動装置
20および標準的な拡散炉(図示せず)が使用さ
れた。装置20は、直径2インチ(5.08mm)かつ
長さ3インチ(7.62cm)の円柱状セラミツク支持
体12によつて2つの位置で支持された直径1/4
インチ(6.35mm)の2本の向かい合つたモリブデ
ン棒11から構成した。構造剛性を得るため、セ
ラミツク支持体12中のモリブデン棒11は1/8
インチ(3.175mm)の肉厚を持つた内径2インチ
(5.08mm)かつ長さ20インチ(50.8cm)のステン
レス鋼管13の内部に挿入された。追加の支持を
達成するため、ステンレス鋼管13の外部におい
てモリブデン棒11は不活性かつ非導電性の剛性
材料から成るクランプ14で固定された。次の第
3A図に示されるごとく、直径1/8インチ(3.175
mm)の交換可能なモリブデン棒15がシリコン試
験片16に対する電極接点として使用された。本
発明の完成の過程において行われた高温電気移動
実験を通じ、モリブデン棒15とシリコン試験片
16との間にはタングステンばね17によつて接
触圧が加えられた。なお、ばね17の間には電気
的絶縁のためにセラミツク片18が配置された。
10Ω・cmの抵抗率を有するN形シリコンのイン
ゴツトから4cm×1cm×1cmの試験片16が切出
された。かかる矩形状試験片16の長軸は<111
>方向に平行であり、また上面および側面はそそ
れぞれ<110>および<112>方向に対して垂
直であつた。試験片16の上面すなわち(11
0)面から、超音波穴あけ技術によつて試験片1
6の中心まで達する2個の穴が形成された。第3
A図に示される通り、これらの穴は試験片16の
両端から1.5cm離れた位置に対称的に設けられた。
直径2mmの大きい方の穴19は熱電対挿入孔とし
て使用され、一方、直径0.75mmの小さい方の穴2
1は金属含有融体挿入孔として使用された。試験
片16の上面および側面は1μの仕上状態に研磨
され、また赤外線透過顕微鏡検査によつて電気移
動の進行を観察し得るようにダイヤモンドけがき
針を用いて上面および側面に基準線が描かれた。
移動されるべき直径0.70mmの金属ワイヤが小さい
方穴21に挿入された。次いで、H2ガスを流し
た1100℃のアニール炉(図示せず)内に3時間に
わたり試験片16を配置して、金属含有融体とし
て電気移動させるための金属に富む半導体溶体を
生成した。その後、試験片16は冷却され、次い
でアニール炉から取出された。
電気移動パラメータの試験に当つては、シリコ
ン試験片16を保持する装置20の末端およびス
テンレス鋼管13のほぼ半分が拡散炉(図示せ
ず)内に挿入され、そして電気移動温度にまで加
熱された。装置20の酸化を防止するため、炉内
には95%N2+5%H2が流された。温度平衡に達
した後、3〜30アンペアにわたる一定の直流が20
〜240時間にわたつてシリコン試験片16中に流
された。400〜1100℃の固定温度が使用され、し
かもその温度は熱電対挿入孔19に挿入されたク
ロメル−アルメル熱電対によつて連続的に監視さ
れた。電気移動の後、装置20は拡散炉から引出
されて放冷された。試験片16を取外して赤外線
透過顕微鏡写真を撮影することにより、シリコン
試験片16中における金属含有融体の移動距離が
測定された。かかる移動距離の測定は、ダイヤモ
ンドけがき針でシリコン試験片16の表面上に描
かれた基準線を参照しながら顕微鏡写真上におい
て行われた。
電流はヒユーレツト−パツカード(Hewlett−
Packard)6269B定電流直流電源(図示せず)に
よつて供給された。定電流電源が必要な理由は、
シリコン試験片16の抵抗率が温度に応じて急激
に変化することにあつた。本発明の完成の過程に
おいて使用された3〜30アンペアの直流を維持す
るためには、電気移動温度に応じてそれぞれ約1
〜6ボルトの電圧降下が要求された。かかる電圧
降下の大部分は、シリコン試験片16自体の内部
ではなく様々な電気的接触部位において起こつた
ものである。
所定の電気移動温度まで試験片を加熱するため
には、ジユール熱、外部熱源(たとえば炉)また
は両者の組合せを使用することができる。ジユー
ル熱の利用は最も簡単であつて終局的には最大の
電気移動速度を与えるが、印加された電圧がジユ
ール熱および電位勾配の両方を与えるために制御
性が最も悪い。電位勾配を用いて溶融帯域の移動
を制御しながら外部加熱を行えば制御性が最も良
く、また移動の起点となる表面から僅かな深さを
持つた内外部間(in−and−out)接合を形成す
るためには理想的である。
一般に、金属含有融体が陽極または陰極のいず
れに向かつて移動するにせよ、その電気移動速度
(V)は3〜30アンペア/cm2の範囲内で電流密度
1の一次関数となること(すなわち、αを比例定
数とすればV=αIが成立つこと)が判明した。そ
の結果、電気移動法および熱移動法を同じ公称温
度下で実施した場合、5アンペア/cm2程度という
比較的低い電流密度の下で電気移動は熱移動と同
等の速度で進行することが判明した。第4図に
は、シリコン中において電気移動させた8種の金
属含有融体に関し、電気移動方向および電気移動
速度/電流(電流密度で電気移動速度を測つた
商)を電気移動温度の関数としてプロツトしたグ
ラフが示されている。
理論的に言えば、金属含有融体は金属−半導体
間の共融点および半導体の融点を限界する温度範
囲の全域にわたつて電気移動が可能である。金属
含有融体に関する電気移動速度/電流は、シリコ
ン中を電気移動する銀に富む金属含有融体につい
て第5図に典型的に示されるごとく、アレーニウ
ス(Arrhenius)の温度式
V/I=(V/I)0exp(−Q/RT) (1)
に従う。式(1)中、Vは電気移動速度(cm/秒)、
Iは電流密度(アンペア/cm2)、Qは活性化エネ
ルギー(kcal/モル)、Rは気体定数、Tは電気
移動法を実施する際の絶対温度、そして(V/I)0
は前指数係数(cm3/クローン)である。試験した
8種の金属について言えば、活性化エネルギーは
ガリウムに関する14.5kcal/モルの最小値からパ
ラジウムに関する26.1kcal/モルの最大値にまで
わたつた。なお、シリコン中において電気移動し
得る8種の金属に関する活性化エネルギーおよび
前指数係数は第1表中に示されている。
第1表中のデータの使用により、電気移動に関
与する機構についての分析的研究が行われた。か
かる研究の詳細は、ザ・ジヤーナル・オブ・アプ
ライド・フイジツクス(The Journal of
Applied Physics)第51巻第12号(1980年12月)
の6348〜6355頁および6356〜6365頁に収載された
アンソニー(Anthony)の論文中に報告されてい
る。これらの論文を要約して述べれば、金属含有
融体の電気移動をもたらす主要な駆動力は電子−
原子間の運動量交換すなわちいわゆる「電子風効
果」であることが判明した。更にまた、シリコン
中における電気移動の方向は金属含有融体を構成
する金属の仕事関数と相関関係があること、すな
わち4.55eVより大きい仕事関数を持つた金属か
ら成る金属含有融体は陽極に向かつて電気移動す
るのに対し、4.55eVより小さい仕事関数を持つ
た金属から成る金属含有融体は陰極に向かつて電
気移動することが判明した。最後に、陽極移動群
および陰極移動群中における金属含有融体の電気
移動速度の相対的順序は、電気移動が起こらない
ような仕事関数(すなわち、金属含有融体を移動
させる母体材料の仕事関数φh)の値に対する金
属含有融体の仕事関数φiの偏差の大ききさ並びに
金属含有融体中におけるシリコンの溶解度および
質量の保存に関与する因子によつて説明すること
ができた。
固体状母体材料中を移動する金属含有融体に関
して言えば、金属含有融体中を通過する母体原子
の流束Jは式
J=V(CS−CL) (2)
(ただし、CLは金属含有融体中における単位体
積当りの母体原子の濃度、CSは単位体積当りの母
体原子の濃度、そしてVは移動速度である)によ
つて与えられる。この式は公知のごとき質量保存
の法則を表わすものである。
上記の式(2)を公知のごときアインシユタイン
(Einstein)の式
J=Mf(CL) (3)
(ただし、Mは金属含有融体中における母体原子
の移動度、fは金属含有融体中の母体原子に作用
する駆動力、そしてJおよびCLは上記に定義さ
れた通りである)と組合わせれば、下記の式が得
られる。
V=MfCL/CS−CL (4)
電気移動する金属含有融体の速度Vは電流密度
Iおよび母体材料仕事関数φhに対する金属含有
融体の仕事関数φiの偏差に比例することが判明し
ているから、
式
V=βI△φ (5)
(ただし、△φはφi−φhに等しく、またβは定
数である)が成立つ。
式(4)と式(5)とを比較すると、式
f=γI△φ (6)
(ただし、γは比例定数である)が成立つことが
わかる。
式(6)と式(4)とを組合わせれば、下記の式が得ら
れる。
V/I=k(CL/CS−CL)△φ (7)
式中、kは第4図および式(7)から導くことので
きる定数であつて、CGS単位系では10+6cm3/(ク
ーロン・eV)に等しい。従つて、第1表からわ
かる通り、V/Iの値が負であれば金属含有融体
は陰極に向かつて電気移動し、またV/Iの値が
正であれば金属含有融体は陽極に向かつて電気移
動することになる。
特定の半導体素子の製造に当つては、陽極に向
かつて電気移動すると同時にシリコンをP形にド
ーブする金属含有融体を使用することが望ましい
場合がある。しかるに第1表からわかる通り、純
粋なP形ドーパント(Al、GaおよびIn)はいず
れも陰極に向かつて移動する。それ故、陽極に向
かつて移動すると同時にシリコンをP形にするよ
うな金属含有融体を得るためには、適当な仕事関
数を持つた合金組成物をたとえば適正比率のAl
およびPdから調製することが必要となる。
上記の場合およびその他の場合において適切な
金属含有融体が得られるようにするため、2種以
上の金属から成る金属含有融体の電気移動方向に
関する情報が探求された。先験的に言えば、2種
以上の金属から成る合金は混合物規則に従うか
ら、それの総合仕事関数φ* iは式
φ* i=XAφA+XBφB+XCφC+… (8)
(ただし、φA、φB、φCなどは純粋な元素の仕事
関数、そしてXA、XB、XCなどは合金を構成する
元素の原子分率である)によつて与えられるもの
と予想される。そして、かかる合金の総合仕事関
数が4.55evより大きければ、金属含有融体はシリ
コン中で陽極に向かつて電気移動すると考えられ
る。他方、かかる合金の総合仕事関数が4.55eV
より小さければ、金属含有融体はシリコン中で陰
極に向かつて電気移動すると考えられる。
このような混合物規則が成立つという仮説を実
験的に検討するため、一連の金−銀合金の移動方
向が測定された。金および銀を選んだことには幾
つかの理由がある。第一に、これらの貴金属は化
学的に類似しており、しかもほぼ同一の原子半径
を有している。その上、これらは固相および液相
の溶体を連続的に生成するから、共融混合物、金
属間化合物または液体不混和性ギヤツプのごとき
余計な因子によつて実験が複雑化することもな
い。中でも特に重要なのは、これら2種の貴金属
から成る金属含有融体が相対する方向に移動する
という事実である。また、シリコン中における元
素の電気移動に関する本発明の発見に基づけば、
金および銀から成る金属含有融体の相対する方向
への移動速度の絶対値が等しくなるような温度
(884℃)を選定することができる。最後に、各種
組成の金−銀合金の仕事関数が文献から利用でき
るため、特定の合金の電気移動方向をそれの仕事
関数と比較するとことが可能なのである。
前述のごとき装置20および方法の使用によ
り、銀含量が10%間隔で0%から100%にまでわ
たる(すなわち0%Ag、10%Ag、20%Agなど
の)11種の金−銀合金が、単一のシリコン試験片
16に設けられた別々の金属含有融体挿入孔内に
配置され、そして884℃で電気移動させられた。
第6図には、これら11種の金−銀合金の電気移動
速度を組成に対してプロツトしたグラフが示され
ている。約21%より多い銀を含有する合金は陰極
に向かつて電気移動するのに対し、約21%より少
ない銀を含有する合金は陽極に向かつて電気移動
することが判明した。
シリコン中における金−銀合金の電気移動方向
を説明するためには、ザ・ジヤーナル・オブ・
ジ・エレクトロケミカル・ソサイエテイ(The
Journal of the Electrochemical Society)第
128巻第12号(1981年3月)の597〜600頁に収載
されたアンソニー(Anthony)の論文中に示され
ているごとく、金属含有融体を構成する金属の仕
事関数と実験的に得られた零位点(null−point)
仕事関数との差を用いて組立てられた簡単な希薄
溶体理論(dilute solution theory)を使用する
ことができる。
上記の論文を要約して述べれば、第7図は金−
銀合金の仕事関数をその組成に対してプロツトし
たグラフである。シリコンに関する4.55eVの零
位点仕事関数に基づけば、金−銀合金の電気移動
零位点組成は60%Au−40%Agであることが予測
される。しかしながら、上記の電気移動温度下で
は純粋な金および純粋な銀から成る金属含有融体
の電気移動速度は等しくかつ反対向きであるか
ら、単純な直線外挿法によれば零位点組成は50%
Au−50%Agとなることが示される。ところが、
本発明の完成の過程において行われた実験によれ
ば、金に富む組成の側への零位点移動が見出され
た。
金に富む組成の側への零位点移動は、定性的に
見れば、金−銀合金の仕事関数が直線的ではなく
て、仕事関数−組成図の金に富む側における変化
の方が銀に富む側よりも遥かに急激であるという
事実によつて予測されたことである。このよう
に、金に富む側への零位点移動に関する限りで
は、金−銀合金の仕事関数から予測された零位点
と実際に観測された零位点との間に定性的な一致
が認められた。しかし定量的に見ると、60%Au
−40%Agという予測された零位点組成は79%Au
−21%Agという実測された零位点組成と一致し
ていない。このような定量的不一致な意外なこと
ではない。なぜなら、室温下における純粋な合金
の仕事関数が884℃の温度下で溶解シリコンを含
有する同じ合金液体の仕事関数と等しくないこと
は勿論だからである。金−銀合金に関する電気移
動方向と仕事関数との定量的不一致を考慮すれ
ば、純粋な金属含有融体に関して移動方向と実測
された仕事関数との間にほぼ完全な相関関係が見
られたことこそむしろ驚くべきであると言える。
本発明の発見に基づけば、金属含有融体の電気
移動方向を予測することが可能となる。あるいは
また、特に電位勾配の方向が外部要因(たとえば
母体の半導体材料の性質)によつて固定されてし
まう場合、金属含有融体の組成を調節することに
よつてそれを所望の方向に移動させることも可能
となる。
第8図を見ると、母体30にたとえばN形を付
与するような種類の不純物(またはドーパント)
原子を含んだ単結晶半導体材料から成る母体30
に関する第1の事例が示されている。図示のごと
く、金属含有融体32を陰極4に向かつて電気移
動させることによつて再結晶した単結晶半導体材
料のP形領域34を形成することが所望されるも
のと仮定しよう。そのためには、母体30の半導
体材料の仕事関数φhを金属含有融体32の材料
の仕事関数φiから引いた差の代数符号(+または
−)と金属含有融体32が移動して接近すべき接
触部(この場合には陰極4)の代数符号(この場
合には−)とが等しくなるように選ばれた材料を
金属含有融体32として使用すればよい。
上記のごとき第1の事例における条件をシリコ
ンに関して満足させるためには、第1表からわか
る通り、アルミニウム、インジウムまたはガリウ
ムを金属含有融体32の材料として使用すればよ
い。スズおよび銀も陰極4に向かつて電気移動
し、そしてシリコンの抵抗率と異なつた抵抗率を
有する再結晶領域34を形成する。しかしなが
ら、これらはP形またはN形を付与することはな
い。
第8図の諸条件をそのままに保ちながら接触部
3および4のみを逆転すれば(すなわち陽極に向
かつて電気移動が行われるようにすれば)、第2
の事例が得られる。この場合、金属含有融体32
の材料は(φi−φh)の代数符号が正(+)とな
るように選ばなければならない。シリコンに関し
てこのような条件を満足させるためには、第1表
からわかる通り、パラジウム、金または銅を使用
すればよいが、これらの3種の金属はいずれもN
形またはP形ドーパントでない。かかる新しい要
求条件を満たすためには、パラジウム、金または
銅とP形ドーパント(たとえばアルミニウム、イ
ンジウムまたはカリウム)との合金を調製する
か、あるいはパラジウム、金または銅を非電気移
動性の非金属P形ドーパント(たとえばホウ素)
に対する担体として使用しなければならない。な
お、非電気移動性の非金属N形ドーパントとして
は、たとえばリンおよびヒ素が挙げられる。
多くの場合、第8図に関連して上記に記載した
第2の事例において見られるような困難は、電位
勾配の極性の選択(すなわち、陽極および陰極接
触部の逆転)によつて回避することができる。と
とは言え、極性の逆転は多くの場合において不可
能であり、従つて極性は電気移動法に対する追加
の拘束条件を成すのである。たとえば第9図に
は、N形単結晶半導体材料の母体30中を陰極4
に向かつて同時に電気移動することによつてP形
再結晶領域34およびN形再結晶領域42をそれ
ぞれ形成する金属含有融体32および40が示さ
れている。この場合、金属含有融体32および4
0の材料はいずれも(φi−φh)の代数符号が負
となるように選ばれなければならな。極性を逆転
すれば金属含有融体32および40の材料の選択
は容易になるかも知れないが、極性は拘束条件を
成しているのである。
第10図の場合、単結晶半導体材料の母体30
は複合体(すなわち、N形層46上にP形層44
を配置したもの)である。層44および46間の
接合面48はPN接合面であるから、電位勾配は
第10図に示されるようにしか設定することしか
できない。従つて、金属含有融体32をP形層4
4中において接合面48まで電気移動させること
によつてN形の再結晶領域34すなわち「シンカ
(sinker)」を形成するためには、金属含有融体3
2の材料は(φi−φh)の代数符号が負となるよ
うに選ばなければならない。金属含有融体32の
材料の選択という点から見ると、この場合は第8
図に関連して上記に記載した第2の事例と同様な
情況にある。
層44がN形、層46がP形、そして再結晶領
域34がP形となるように第10図の条件を変更
してみても、電位勾配を逆転しなければならず、
従つて電気移動は陽極に向かつて行われることに
なる。従つて、第8図に関連して上記に記載した
第2の事例における困難な情況はなお存続するわ
けである。とは言え、本発明の方法によれば、電
気移動が起こり得るように金属含有融体の材料の
組成を調節することも可能なのである。
駆動力が電位勾配または温度勾配のいずれであ
るにせよ、金属含有融体の移動に関する金属学的
情況は実質的に同じであるから、TGZM法によ
つて半導体結晶中に形成し得るあらゆる形態の
PN接合を理論的には本発明の電気移動法によつ
ても形成することができる。本発明の実施に対し
て適用し得るTGZM技術(たとえば金属含有融
体の移動を行うための半導体や金属含有融体材料
の調製)およびそれによつて得られる製品につい
ての十分な理解を得るためには、前述の米国特許
明細書に加えて、たとえば「深層ダイオードの製
造方法」と称する米国特許第3901736号、「深層ダ
イオード素子および製造方法」と称する同第
3902925号、「深層ダイオードを製造するための高
速熱移動法」と称する同第3898106号、「一様な電
気的性質を持つた深層ダイオードを製造するため
の安定化液滴法」と称する同第3899361号、「半導
体中における金属に富む液体ワイヤの熱移動」と
称する同第3899962号、および「半導体素子の製
造」と称する同第4006040号の明細書を参照され
たい。
とは言え半導体分野の当業者には、上記の米国
特許によつて例示されるようなTGZM法の実施
に際して必ずしも達成されない利益が本発明によ
つて与えられることが理解されるはずである。た
とえば、本発明の特異な発見を利用すれば、半導
体側の母体の表面から内部深くにまで達し、しか
も電気移動方向に沿つて見た場合に母体半導体材
料と再結晶領域との間に極めて鮮明な接合面を有
するようなダイオードを形成することが可能であ
る。かかる鮮明な接合面が得られるのは、印加さ
れる電位の傾きの方向を急速に逆転し得ることに
よる。更にまた、電気移動速度は一定の温度下で
は一般に熱移動速度より大きいから、電気移動法
はより迅速に実施することができる。その結果、
ドーパント原子を母体半導体材料中に拡散させる
ための時間が短縮されるで、移動方向に対して垂
直な方向に沿つても鮮明な接合面が形成されるこ
とになる。
本発明の完成の過程において、電気移動法の電
位の傾きによる駆動力に影響を及ぼすことのある
3つの現象が見出された。それらは整流接合の形
成、金属含有融体への電流集中、およびドープさ
れた再結晶領域への電流集中である。
整流接合の形成は、温度並びに母体半導体材料
および電気移動する金属含有融体の後方に形成さ
れた再結晶領域が示す導電形(すなわちP形、N
形または真性)に依存する。十分に高い温度下で
は、母体半導体材料および電気移動する金属含有
融体の後方に形成された再結晶領域はいずれも真
性導電形を示す。温度が下がつて第1の転移温度
に達すると、再結晶領域は不純物導電形(すなわ
ちP形またはN形)を示すようになるが、母体半
導体材料はそのまま真性導電形を示す。再結晶領
域が母体半導体材料よりも先に不純物導電形を示
すようになる理由は、前者のみがドーパント原子
を含有するか、あるいは前者中のドーパント原子
濃度が後者中よりも高いことにある。典型的な場
合を第11図に略示する。この場合、金属含有融
体60は陰極4に向かつて電気移動してP形の再
結晶領域66を形成するが、母体半導体材料62
は真性半導体のままであある。半導体分野の当業
者には自明の通り、再結晶領域66と母体半導体
材料62との間の接合面64は逆バイアスされて
いる。かかる整流接合が形成されると、第12図
に略示される通り、印加された電流68は金属含
有融体1を迂回して流れるようになる。その結
果、電位勾配に由来する駆動力の損失が生じ、最
終的には電気移動が停止してしまう。
温度が更に下がると、第2の転移温度において
母体半導体材料も真性導電形から不純物導電形に
変わる。典型的な場合を第13図に略示する。こ
の場合、整流接合はP形母体72中を電気移動し
てN形の再結晶領域76を形成する金属含有融体
70の前面73および後面74に位置する金属−
半導体間接合(すなわちシヨツトキー形接合)の
形態を有する。
前述の米国特許出願第272801号明細書中に開示
されているごとく、真性、P形およびN形半導体
材料中におけるP形およびN形金属液滴の電気移
動に関与する逆バイアスされた接合面について
は、約16の相異なる事例が確認されている。それ
らのうち6つの事例においては、上記の米国特許
出願明細書中に記載のごとくにして陽極および陰
極接触部を形成することにより、整流接合の問題
を解決すると共に電気移動ドーピング能力および
電気移動温度範囲を拡大することができる。
母体半導体材料の導電率と金属含有融体の導電
率との間に大きな差があれば、金属含有融体中の
電流密度は母体半導体材料中の電流密度とは異な
ることがあり得ると考えられる。更には、かかる
電流密度の不整合の結果として電流集中効果によ
る移動速度の増大が生じ、そのため電気移動法の
正確な制御が妨害されることもあり得よう。しか
しながら、ザ・ジヤーナル・オブ・アプライド・
フイジツクス(The Journal of Applied
Physics)第51巻第12号(1980年12月)の6348〜
6355頁に収載された前述の論文中に示されている
ごとく、金属含有融体中における実際の電流密度
は母体半導体材料に印加された電流密度に等し
く、従つて顕著な速度増大効果は生じない。
母体半導体材料の導電率と金属含有融体の導電
率との差ばかりでなく、母体半導体材料の導電率
と電気移動する金属含有融体の後方に形成される
金属がドープされた再結晶領域の導電率との間に
もほとんどの温度下で大きさ差が存在する。母体
半導体材料と再結晶領域との間におけるこのよう
な導電率の差は、印加された電流を金属含有融体
に集中させる。かかる効果は、シリコン中におい
て電気移動するガリウムに富む金属含有融体に関
して第14図に示されている。
第14図からわかる通り、このような効果は電
気移動温度が低下するに従つて益々顕著となる。
かかる効果はドープされた再結晶領域の長さによ
つて増強されるから、たとえばフインガーダイオ
ードの場合のごとくに母体半導体材料の内部深く
まで移動する金属含有融体については再結晶領域
への電流集中はひとつの要因となる。しかしなが
ら、本発明の完成の過程において見出された通
り、母体半導体材料の導電率と再結晶領域の導電
率との不整合については実験的に補償を行うこと
ができる。かかる補償が可能である理由は、表面
から母体半導体材料の内部に移動する液体金属包
有物の進入距離が母体半導体材料中におけるクー
ロン/cm2値に正比例するという事実が同時に見出
されたことによる。すなわち、一連の電気移動温
度に関し、クーロン/cm2値に対して進入距離をプ
ロツトした較正曲線を作成することができるので
ある。このような較正曲線には、ドープされた再
結晶領域への電流集中効果が既に算入されている
ことになる。
実際には、ひとたび較正曲線を作成してしまえ
ば、母体半導体材料中における進入距離が極めて
正確に制御されたフインガーダイオードを製造す
ることが可能となる。使用電流量は約±10クーロ
ンまで測定することができるから、液滴の進入距
離は約1/100ミクロンまで制御し得る。実例を挙
げると、25×104クローン/cm2によつてガリウム
に富む液滴を900℃でシリコン中に100ミクロン電
気移動させ得ることが較正曲線からわかれば、次
のようにしてP形のフインガーダイオードを製造
することができる。先ず、出発側の表面が反対側
の表面に対して正電位となるようにして25×104
クローン/cm2の電流が母体中に流される。次い
で、電流の方向を逆転して(すなわち出発側の表
面が反対側の表面に対して負電位となるようにし
て)25×104クローン/cm2よりやや多い電流を流
すことにより、ガリウムに富む液滴を出発側の表
面にまで戻せばよい。
塊状の母体半導体材料において金属含有融体を
電気移動させ得るという新規な発見の応用例とし
て、薄膜中においても電気移動法を実施し得るこ
とが見出された。
第15図を見ると、基体80および実質的に一
様な厚さの薄膜82から成る複合体が略示されて
いる。薄膜82は、蒸着その他の方法により基体
80の少なくとも一部分に沿つて配置された材料
から成る。また、背中合せに位置する上面および
下面並びにそれら同士を連結する外周端面を持つ
た基体は、金属(たとえば銅)あるいは半導体
(たとえばシリコン、ゲルマニウム、第−族
化合物または第−族化合物)から成り得る。
電流を薄膜82中に集中させるため、基体80は
導電性を有していてはならない。あるいはまた、
電流を薄膜82中のみに制限するため、基体80
の上面と薄膜82の下面との間の界面84に
SiO2、Al2O3またはダイヤモンドのごとき材料の
薄い絶縁膜を配置してもよい。薄膜82用の適当
な材料としては、シリコン、ゲルマニウム、リン
化ガリウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化インジ
ウム、テルル化カドミウムおよび硫化亜鉛が挙げ
られる。薄膜82がシリコンでありかつ基体80
がサフアイアである場合を考えれば、半導体関係
の当業者にとつて公知のサフアイア上シリコン材
料について薄膜電気移動法を実施し得ることにな
る。
薄膜82の外周端面上において実質的に向かい
合うように配置された接触部85および86を介
し、薄膜82に陰極4および陽極3がそれぞれ接
続される。なお、接触部85および86の適当な
形成方法は前述の米国特許出願第272801号明細書
中に開示されている。次に、電気移動させるべき
金属から成る1つ以上の金属固体88が薄膜82
の露出面90上に配置される。あるいはまた、前
述の米国特許出願第272801号明細書中に記載のご
とく、接触部85および86を付与するための操
作中に電気移動させるべき金属を配置してもよ
い。
その後、薄膜82および基体80から成る複合
体が前記方法のいずれかによつて電気移動温度に
まで加熱される。約1ミル(0.0254mm)以下の厚
さを持つた薄膜82について言えば、金属固体8
8は急速に拡散して薄膜82の厚さ全体に行きわ
たる。金属固体88が液化して薄膜膜82の厚さ
全体に行きわたれば、接触部85および86の間
に直流電位を印加することによつて電気移動が開
始される。
約1ミル(0.0254mm)より厚い薄膜82につい
ては、適度な長さの時間で薄膜82の厚さ全体に
わたる進入を達成することが要求されるならば、
金属固体88を強制的に厚さ全体にわたつて進入
させなければならない。少なくともこのような場
合には、温度勾配帯域帯域溶融法および電気移動
法を同時に実施する機会が得られる。そのために
は、薄膜82および基体80から成りかつ電気移
動させるべき金属固体88を有する複合体が、薄
膜82および基体80を通して有限の温度勾配を
設定維持するための適当な装置内に配置される。
その際には、薄膜82の露出面(すなわち上面)
90が基体80の露出面(すなわち下面)92よ
り低い温度に維持される。少なくとも薄膜82を
通過する部分の温度勾配中の温度は金属固体88
の融点より高く設定維持すれば、金属固体88は
融解して金属含有融体88を形成する。温度勾配
の存在により、金属含有融体88は薄膜82の厚
さ方向に沿つて移動して薄膜82と基体80との
間の界面84にまで到達する。次いで、電気移動
操作を実施すれば、金属含有融体88は接触部8
5および86の間において薄膜82を横切るよう
に移動する。それと同時に、TGZM法によつて、
金属含有融体88は薄膜82の厚さ全体にわたつ
て存在するように維持される。この場合、温度勾
配は電位勾配に対して実質的に垂直となつてい
る。
薄膜中における液体帯域の電気移動速度は、第
16図によつて示されるごとく、塊状固体中にお
ける最大速度よりも大幅に増大することが判明し
た。第16図を得るためには、市販のサフアイア
上シリコン(SOS)ウエーハの薄い(4μ)シリ
コン層中において様々な温度下でアルミニウム金
属含有融体を電気移動させることにより、それの
速度が測定された。第16図中にはまた、第4図
から得られた塊状シリコン中におけるアルミニウ
ムの電気移動に関するデータもプロツトされてい
る。第16図からわかる通り、薄膜中の電気移動
速度は塊状固体中の電気移動速度より約2〜3桁
も大きいのである。
限定ではなく説明を目的として述べれば、薄膜
中の電気移動速度は塊状固体中の電気移動速度の
100〜1000倍である。これは、主として、液体帯
域と自由表面との交線が豊富な核形成部位(たと
えば原子のステツプやレツジ(ledge))を提供す
るのに対し、結晶内部の液体帯域にはそれが得ら
れないという事実に由来する。すなわち、薄膜電
気移動法において見られるごとく液体帯域が自由
表面と交わる場合には、液体帯域の移動に対する
核形成障壁が存在しないのである。
第二には、薄膜中の電流密度は融解を引起こす
ことなく塊状材料中の電流密度より数桁も大きく
することができる。すなわち、塊状材料ならば融
解を引起こすはずのジユール熱が下方に位置する
基体を通して除去されるため、薄膜には極めて大
きい電流密度(すなわち、106アンペア/cm2程度
の電流密度)を印加することができるのである。
このように電気移動速度が本質的に(約102〜
103倍だけ)大きいという事実および電流密度を
(約103〜104倍だけ)大きくし得るという事実を
組合わせれば、薄膜中における電気移動速度は塊
状材料の場合より105〜107倍だけ大きい値(すな
わち、約300〜3000cm/時程度の値)を取ること
が可能である。
薄膜電気移動法に関する加工費は、2つの理由
により、TGZM法または電気移動法による塊状
材料の加工費より少ないことが予想される。第1
の理由としては、極めて大きい電流密度が使用さ
れるとは言つても、電流路に沿つた薄膜は極めて
薄いから実際の所要電流量は多くないことが挙げ
られる。薄膜電気移動法の費用が少ないことに関
する第2の理由は、塊状材料中における電気移動
の場合ほど大きい設備容量が要求されないため、
加工設備の費用が少なくて済むことである。
以上、特にシリコン半導体材料に関連して本発
明を説明したが、制御可能かつ逆転可能な電位勾
配を駆動力として使用しながら母体半導体材料中
において金属含有融体を移動させる本発明の新規
な技術は当業界において公知のその他の材料たと
えばゲルマニウム(Ge)、リン化ガリウム
(GaP)、ヒ化ガリウム(GaAs)、アンチモン化
インジウム(InSb)、テルル化カドミウム
(CdTe)および硫化亜鉛(ZnS)にも広く適用す
ることができる。
更にまた、幾つかの好適な実施態様に関して本
発明を詳細に説明したとは言え、前記特許請求の
範囲によつて規定された本発明の精神および範囲
から逸脱することなしに形態や細部に関して様々
な変更を加え得ることは当業者にとつて自明であ
ろう。[Table] Table 1 summarizes the data obtained during the process of completing the present invention. To obtain these data, an electromigration device 20, schematically shown in FIG. 3, and a standard diffusion furnace (not shown) were used. The device 20 is a 1/4 diameter cylindrical ceramic support 12 supported in two locations by a 2 inch (5.08 mm) diameter and 3 inch (7.62 cm) long cylindrical ceramic support 12.
It consisted of two molybdenum rods 11 facing each other with a diameter of 6.35 mm. To obtain structural rigidity, the molybdenum rods 11 in the ceramic support 12 are 1/8
The tube was inserted into a stainless steel tube 13 having a wall thickness of 2 inches (3.175 mm), an inner diameter of 2 inches (5.08 mm), and a length of 20 inches (50.8 cm). To achieve additional support, the molybdenum rod 11 was secured on the exterior of the stainless steel tube 13 with a clamp 14 made of an inert, non-conductive, rigid material. 1/8 inch (3.175 mm) in diameter as shown in Figure 3A below.
A replaceable molybdenum rod 15 (mm) was used as an electrode contact to the silicon specimen 16. During the high-temperature electromigration experiment conducted in the process of completing the present invention, contact pressure was applied between the molybdenum rod 15 and the silicon specimen 16 by a tungsten spring 17. Note that a ceramic piece 18 was placed between the springs 17 for electrical insulation. A test piece 16 measuring 4 cm x 1 cm x 1 cm was cut from an N-type silicon ingot having a resistivity of 10 Ω·cm. The long axis of such a rectangular test piece 16 is <111
> direction, and the top and side surfaces were perpendicular to the <110> and <112> directions, respectively. The upper surface of the test piece 16, that is, (11
0) From the surface, test piece 1 was prepared using ultrasonic drilling technology.
Two holes reaching the center of 6 were formed. Third
As shown in Figure A, these holes were symmetrically placed 1.5 cm from both ends of the specimen 16.
The larger hole 19 with a diameter of 2 mm is used as the thermocouple insertion hole, while the smaller hole 2 with a diameter of 0.75 mm
1 was used as a metal-containing melt insertion hole. The top and side surfaces of the specimen 16 were polished to a 1μ finish, and reference lines were drawn on the top and side surfaces using a diamond scriber so that the progress of electromigration could be observed by infrared transmission microscopy. Ta.
A metal wire with a diameter of 0.70 mm to be moved was inserted into the smaller hole 21. The specimen 16 was then placed in a 1100° C. annealing furnace (not shown) flushed with H 2 gas for 3 hours to produce a metal-rich semiconductor solution for electromigration as a metal-containing melt. Thereafter, the specimen 16 was cooled and then removed from the annealing furnace. For testing electromigration parameters, the end of the device 20 holding the silicon specimen 16 and approximately half of the stainless steel tube 13 was inserted into a diffusion furnace (not shown) and heated to the electromigration temperature. . To prevent oxidation of the apparatus 20, 95% N 2 +5% H 2 was flushed through the furnace. After reaching temperature equilibrium, a constant DC current ranging from 3 to 30 amperes is applied to the
Flowed into silicon specimen 16 for ~240 hours. A fixed temperature of 400-1100°C was used and the temperature was continuously monitored by a chromel-alumel thermocouple inserted into the thermocouple insertion hole 19. After electromigration, device 20 was pulled out of the diffusion furnace and allowed to cool. By removing the test piece 16 and taking an infrared transmission micrograph, the moving distance of the metal-containing melt in the silicon test piece 16 was measured. The distance traveled was measured on a micrograph with reference to a reference line drawn on the surface of the silicon specimen 16 with a diamond scriber. The current is
Packard) 6269B constant current DC power supply (not shown). The reason you need a constant current power supply is
The resistivity of the silicon test piece 16 suddenly changed depending on the temperature. To maintain the 3 to 30 amperes of direct current used in the process of completing this invention, each approximately 1
A voltage drop of ~6 volts was required. The majority of these voltage drops occurred at the various electrical contacts rather than within the silicon specimen 16 itself. Joule heat, an external heat source (eg, a furnace), or a combination of both can be used to heat the specimen to a predetermined electromigration temperature. Although the use of Joule heat is the simplest and ultimately provides the highest rate of electrical transfer, it has the poorest controllability because the applied voltage provides both Joule heat and potential gradient. Controllability is best if external heating is performed while controlling the movement of the molten zone using a potential gradient, and it is also possible to create an in-and-out joint with a small depth from the surface where the movement starts. Ideal for forming. In general, whether the metal-containing melt moves toward the anode or the cathode , its electromigration velocity (V) is a linear function of current density unity (i.e., , it was found that if α is a constant of proportionality, then V=αI holds true. As a result, it was found that when electrotransfer and heat transfer methods were performed at the same nominal temperature, electrical transfer proceeded at the same speed as heat transfer at a relatively low current density of about 5 amperes/ cm2 . did. Figure 4 shows the direction of electromigration and the electromigration velocity/current (the quotient of the electromigration velocity by the current density) as a function of the electromigration temperature for eight types of metal-containing melts electromigrated in silicon. A plotted graph is shown. Theoretically speaking, metal-containing melts are capable of electromigration over a temperature range that limits the metal-semiconductor eutectic point and the semiconductor melting point. The electromigration rate/current for a metal-containing melt is determined by the Arrhenius temperature equation V/I=(V /I) 0 exp(-Q/RT) Follows (1). In formula (1), V is the electric transfer speed (cm/sec),
I is the current density (ampere/cm 2 ), Q is the activation energy (kcal/mol), R is the gas constant, T is the absolute temperature at which the electromigration method is carried out, and (V/I) 0 is the pre-exponent. coefficient (cm 3 /clone). For the eight metals tested, activation energies ranged from a minimum of 14.5 kcal/mole for gallium to a maximum of 26.1 kcal/mole for palladium. The activation energies and pre-exponential coefficients for eight types of metals that can be electromigrated in silicon are shown in Table 1. Using the data in Table 1, an analytical study of the mechanisms involved in electromigration was performed. Details of such research can be found in The Journal of Applied Physics.
Applied Physics) Volume 51, No. 12 (December 1980)
It is reported in the article by Anthony on pages 6348-6355 and 6356-6365. To summarize these papers, the main driving force that brings about the electromigration of metal-containing melts is electron-
It turned out to be a momentum exchange between atoms, the so-called "electron wind effect." Furthermore, the direction of electromigration in silicon is correlated with the work function of the metal constituting the metal-containing melt, that is, a metal-containing melt consisting of a metal with a work function greater than 4.55 eV will move toward the anode. It was found that metal-containing melts made of metals with a work function smaller than 4.55 eV electromigrate toward the cathode, whereas they used to undergo electromigration. Finally, the relative order of the electromigration rates of the metal-containing melt in the anodic migration group and the cathodic migration group is determined by the work function such that no electromigration occurs (i.e., the work function of the host material that moves the metal-containing melt). This could be explained by the magnitude of the deviation of the work function φi of the metal-containing melt with respect to the value of φh) and factors related to the solubility and mass conservation of silicon in the metal-containing melt. Regarding a metal-containing melt moving through a solid host material, the flux J of host atoms passing through the metal-containing melt is expressed by the formula J=V(C S −C L ) (2) (where C L is the concentration of host atoms per unit volume in the metal-containing melt, C S is the concentration of host atoms per unit volume, and V is the migration velocity). This equation expresses the well-known law of conservation of mass. The above equation (2) is expressed by the well-known Einstein equation J=Mf( CL ) (3) (where M is the mobility of the host atom in the metal-containing melt, and f is the mobility of the host atom in the metal-containing melt. in combination with the driving force acting on the host atom, and J and C L are as defined above, we obtain the following equation: V=MfC L /C S −C L (4) It was found that the velocity V of the electro-migrating metal-containing melt is proportional to the current density I and the deviation of the work function φi of the metal-containing melt with respect to the work function φh of the base material. Therefore, the formula V=βI△φ (5) (where △φ is equal to φi−φh and β is a constant) holds true. Comparing equations (4) and (5), it can be seen that the equation f=γI△φ (6) (where γ is a constant of proportionality) holds true. By combining equation (6) and equation (4), the following equation can be obtained. V/I=k(C L /C S −C L )△φ (7) In the formula, k is a constant that can be derived from Figure 4 and Equation (7), and is 10 +6 in the CGS unit system. Equal to cm 3 / (coulomb eV). Therefore, as can be seen from Table 1, if the value of V/I is negative, the metal-containing melt moves toward the cathode, and if the value of V/I is positive, the metal-containing melt moves toward the anode. There will be electric mobility in the future. In the manufacture of certain semiconductor devices, it may be desirable to use a metal-containing melt that electromigrates toward the anode and simultaneously dopes the silicon into a P-type. However, as can be seen from Table 1, the pure P-type dopants (Al, Ga, and In) all migrate toward the cathode. Therefore, in order to obtain a metal-containing melt that moves toward the anode and at the same time converts the silicon into P-type, it is necessary to prepare an alloy composition with an appropriate work function, such as a suitable proportion of Al.
and Pd. In order to obtain suitable metal-containing melts in these and other cases, information regarding the direction of electromigration of metal-containing melts consisting of two or more metals was sought. A priori, since an alloy consisting of two or more metals obeys the mixture rule, its overall work function φ * i is given by the formula φ * i =X A φ A +X B φ B +X C φ C +… ( 8) (where φ A , φ B , φ C etc. are the work functions of pure elements, and X A , X B , X C etc. are the atomic fractions of the elements constituting the alloy) It is expected that If the overall work function of such an alloy is greater than 4.55ev, the metal-containing melt is considered to electromigrate toward the anode in the silicon. On the other hand, the overall work function of such an alloy is 4.55eV
If it is smaller, the metal-containing melt is considered to be electromigrated in the silicon toward the cathode. In order to experimentally investigate the hypothesis that such a mixture rule holds, the direction of movement of a series of gold-silver alloys was measured. There are several reasons for choosing gold and silver. First, these noble metals are chemically similar and have nearly identical atomic radii. Moreover, because they produce solid and liquid solutions continuously, experiments are not complicated by extra factors such as eutectic mixtures, intermetallic compounds, or liquid immiscibility gaps. Of particular importance is the fact that the metal-containing melt consisting of these two noble metals moves in opposite directions. Furthermore, based on the present invention's findings regarding the electromigration of elements in silicon,
A temperature (884° C.) can be selected such that the absolute values of the moving speeds of the metal-containing melt consisting of gold and silver in opposite directions are equal. Finally, work functions for gold-silver alloys of various compositions are available in the literature, making it possible to compare the direction of electromigration of a particular alloy with its work function. By use of the apparatus 20 and method as described above, eleven gold-silver alloys were prepared with silver contents ranging from 0% to 100% in 10% steps (i.e., 0% Ag, 10% Ag, 20% Ag, etc.). , placed in separate metal-containing melt insertion holes in a single silicon specimen 16 and electrotransferred at 884°C.
FIG. 6 shows a graph in which the electromigration rate of these 11 types of gold-silver alloys is plotted against the composition. It has been found that alloys containing more than about 21% silver electromigrate towards the cathode, whereas alloys containing less than about 21% silver electromigrate towards the anode. To explain the direction of electromigration of gold-silver alloys in silicon, the Journal of
The Electrochemical Society
Journal of the Electrochemical Society) No.
As shown in Anthony's paper published in Vol. 128, No. 12 (March 1981), pp. 597-600, the work function of the metal constituting the metal-containing melt and the experimentally obtained null−point
A simple dilute solution theory constructed using the difference in work functions can be used. To summarize the above paper, Figure 7 shows gold-
This is a graph plotting the work function of a silver alloy against its composition. Based on the 4.55 eV zero point work function for silicon, the electromigration zero point composition of the gold-silver alloy is predicted to be 60% Au-40% Ag. However, since the electromigration velocities of metal-containing melts of pure gold and pure silver are equal and opposite at the above electromigration temperatures, simple linear extrapolation shows that the zero point composition is 50 %
It is shown that it becomes Au-50%Ag. However,
According to experiments carried out in the course of developing the present invention, a shift of the zero point towards gold-rich compositions was found. Qualitatively speaking, the shift of the zero point toward the gold-rich side means that the work function of the gold-silver alloy is not linear, and the change on the gold-rich side of the work function-composition diagram is more This was expected due to the fact that the rate of change is much steeper than that on the rich side. Thus, as far as the zero shift toward the gold-rich side is concerned, there is a qualitative agreement between the zero predicted from the work function of the gold-silver alloy and the actually observed zero. Admitted. However, quantitatively, 60% Au
The predicted zero point composition of −40%Ag is 79%Au
This does not match the measured zero point composition of -21%Ag. Such quantitative discrepancies are not surprising. This is because, of course, the work function of a pure alloy at room temperature is not equal to the work function of the same alloy liquid containing molten silicon at a temperature of 884°C. Considering the quantitative discrepancy between the direction of electromigration and the work function for gold-silver alloys, an almost perfect correlation was found between the direction of movement and the measured work function for pure metal-containing melts. It can be said that this is rather surprising. Based on the findings of the present invention, it is possible to predict the direction of electromigration of metal-containing melts. Alternatively, adjusting the composition of the metal-containing melt moves it in the desired direction, especially if the direction of the potential gradient is fixed by external factors (e.g. the properties of the host semiconductor material). It also becomes possible. Looking at FIG. 8, it can be seen that the type of impurity (or dopant) that imparts N-type to the matrix 30, for example.
A matrix 30 made of a single crystal semiconductor material containing atoms
A first example is shown. Assume that it is desired to form a P-type region 34 of recrystallized single crystal semiconductor material by electromigrating a metal-containing melt 32 toward the cathode 4, as shown. To do this, the algebraic sign (+ or -) of the difference obtained by subtracting the work function φh of the semiconductor material of the base body 30 from the work function φi of the material of the metal-containing melt 32 and the metal-containing melt 32 should move to approach each other. A material selected such that the algebraic sign (- in this case) of the contact portion (in this case, the cathode 4) is equal to that of the contact portion (in this case, the cathode 4) may be used as the metal-containing melt 32. In order to satisfy the conditions in the first case as described above for silicon, aluminum, indium or gallium may be used as the material of the metal-containing melt 32, as can be seen from Table 1. Tin and silver also electromigrate towards the cathode 4 and form recrystallized regions 34 having a resistivity different from that of silicon. However, these do not confer P- or N-type. If only the contact parts 3 and 4 are reversed (that is, if electric movement is performed toward the anode) while keeping the conditions shown in Fig. 8, the second
Examples are obtained. In this case, the metal-containing melt 32
The material must be chosen such that the algebraic sign of (φi − φh) is positive (+). In order to satisfy these conditions for silicon, palladium, gold, or copper can be used, as shown in Table 1, but all three metals are N
or P-type dopant. To meet these new requirements, alloys of palladium, gold or copper with P-type dopants (e.g. aluminum, indium or potassium) can be prepared, or palladium, gold or copper can be replaced with non-electromobile non-metallic P-type dopants. shaped dopants (e.g. boron)
must be used as a carrier for Note that examples of non-electromobile non-metallic N-type dopants include phosphorus and arsenic. In many cases, difficulties such as those seen in the second case described above in connection with FIG. 8 can be avoided by selecting the polarity of the potential gradient (i.e., reversing the anode and cathode contacts). Can be done. However, reversal of polarity is not possible in many cases, and thus polarity constitutes an additional constraint on electromigration methods. For example, in FIG.
Metal-containing melts 32 and 40 are shown forming P-type recrystallized regions 34 and N-type recrystallized regions 42, respectively, by electromigration simultaneously toward . In this case, metal-containing melts 32 and 4
All zero materials must be chosen such that the algebraic sign of (φi - φh) is negative. Although reversing the polarity may facilitate the selection of materials for the metal-containing melts 32 and 40, the polarity is a constraint. In the case of FIG. 10, a matrix 30 of single crystal semiconductor material
is a composite (i.e., P-type layer 44 on N-type layer 46)
). Since the interface 48 between layers 44 and 46 is a PN interface, the potential gradient can only be set as shown in FIG. Therefore, the metal-containing melt 32 is transferred to the P-type layer 4.
4 to form an N-type recrystallized region 34 or "sinker" by electromigration to the bonding surface 48 in
The material of 2 must be chosen such that the algebraic sign of (φi−φh) is negative. From the point of view of selecting the material of the metal-containing melt 32, in this case the eighth
The situation is similar to the second case described above in connection with the figure. Even if the conditions of FIG. 10 are changed so that layer 44 is N-type, layer 46 is P-type, and recrystallized region 34 is P-type, the potential gradient must be reversed;
Therefore, electromigration will occur toward the anode. Therefore, the difficult situation in the second case described above in connection with FIG. 8 still exists. However, according to the method of the invention it is also possible to adjust the composition of the material of the metal-containing melt such that electromigration can occur. Regardless of whether the driving force is a potential gradient or a temperature gradient, the metallurgical situation for the movement of metal-containing melts is essentially the same, so that all forms that can be formed in semiconductor crystals by the TGZM process are
Theoretically, a PN junction can also be formed by the electromigration method of the present invention. To gain a thorough understanding of the TGZM technology applicable to the practice of the present invention (e.g., preparation of semiconductors and metal-containing melt materials for transfer of metal-containing melts) and the products obtained thereby. In addition to the aforementioned U.S. patent specifications, U.S. Pat.
No. 3902925, ``Fast Heat Transfer Method for Manufacturing Deep Diodes,'' No. 3898106, entitled ``Stabilized Droplet Method for Manufacturing Deep Diodes with Uniform Electrical Properties.'' No. 3,899,361, ``Heat Transfer of Metal-Rich Liquid Wires in Semiconductors,'' 3,899,962, and 4,006,040, ``Manufacturing of Semiconductor Devices.'' However, those skilled in the semiconductor art will appreciate that the present invention provides benefits that are not necessarily achieved in practicing the TGZM process as exemplified by the above-mentioned US patents. For example, by utilizing the unique discovery of the present invention, it is possible to reach deep inside from the surface of the matrix on the semiconductor side, and to create an extremely clear gap between the matrix semiconductor material and the recrystallized region when viewed along the electromigration direction. It is possible to form a diode with a junction surface of Such a sharp bonding surface is obtained because the direction of the slope of the applied potential can be rapidly reversed. Furthermore, because the rate of electromigration is generally greater than the rate of heat transfer at a given temperature, electromigration methods can be performed more rapidly. the result,
Since the time for the dopant atoms to diffuse into the host semiconductor material is reduced, a sharp bonding surface is formed even in the direction perpendicular to the direction of movement. In the process of perfecting the present invention, three phenomena were discovered that may affect the driving force due to the potential gradient of the electromigration method. These are the formation of rectifying junctions, current concentration in the metal-containing melt, and current concentration in the doped recrystallized region. The formation of a rectifying junction depends on the temperature and conductivity type (i.e., P type, N
form or essence). At sufficiently high temperatures, both the host semiconductor material and the recrystallized region formed behind the electromigrating metal-containing melt exhibit an intrinsic conductivity type. As the temperature decreases and reaches a first transition temperature, the recrystallized region begins to exhibit an impurity conductivity type (ie, P-type or N-type), while the host semiconductor material continues to exhibit an intrinsic conductivity type. The reason why the recrystallized region exhibits the impurity conductivity type before the host semiconductor material is that either only the former contains dopant atoms, or that the concentration of dopant atoms in the former is higher than in the latter. A typical case is schematically illustrated in FIG. In this case, the metal-containing melt 60 electromigrates toward the cathode 4 to form a P-type recrystallized region 66, but the base semiconductor material 62
remains an intrinsic semiconductor. As will be appreciated by those skilled in the semiconductor art, the interface 64 between the recrystallized region 66 and the host semiconductor material 62 is reverse biased. Once such a rectifying junction is formed, the applied current 68 will bypass the metal-containing melt 1, as schematically shown in FIG. As a result, a loss of driving force arises due to the potential gradient, and eventually electrical migration stops. As the temperature decreases further, the host semiconductor material also changes from an intrinsic conductivity type to an impurity conductivity type at a second transition temperature. A typical case is schematically shown in FIG. In this case, the rectifying junction is caused by the metal-containing melt 70 being electromigrated through the P-type matrix 72 to form the N-type recrystallized region 76 .
It has the form of an inter-semiconductor junction (ie, a Schottky junction). For reverse biased interfaces involved in the electromigration of P-type and N-type metal droplets in intrinsic, P-type and N-type semiconductor materials, as disclosed in the aforementioned U.S. Patent Application No. 272,801. Approximately 16 different cases have been identified. In six of these cases, forming the anode and cathode contacts as described in the above-mentioned U.S. patent application solves the rectifying junction problem and improves electromigration doping capability and electromigration temperature. The range can be expanded. It is believed that if there is a large difference between the conductivity of the host semiconductor material and the conductivity of the metal-containing melt, the current density in the metal-containing melt can be different from the current density in the host semiconductor material. . Moreover, such a current density mismatch could result in an increase in migration speed due to current crowding effects, thereby interfering with precise control of the electromigration process. However, The Journal of Applied
Physics (The Journal of Applied
Physics) Volume 51, No. 12 (December 1980), 6348~
As shown in the aforementioned paper on page 6355, the actual current density in the metal-containing melt is equal to the current density applied to the host semiconductor material, so no significant speed-enhancing effect occurs. . Not only the difference between the conductivity of the host semiconductor material and the metal-containing melt, but also the difference between the conductivity of the host semiconductor material and the metal-doped recrystallized region that forms behind the electromigrating metal-containing melt. There is also a size difference between the conductivity and the conductivity at most temperatures. This conductivity difference between the host semiconductor material and the recrystallized region concentrates the applied current into the metal-containing melt. Such an effect is illustrated in FIG. 14 for a gallium-rich metal-containing melt electromigrated in silicon. As can be seen from FIG. 14, such an effect becomes more and more pronounced as the electromigration temperature decreases.
This effect is enhanced by the length of the doped recrystallized region, so that for metal-containing melts that move deep into the host semiconductor material, as is the case with finger diodes, the current into the recrystallized region is Concentration is one factor. However, as was discovered in the course of developing the present invention, the mismatch between the conductivity of the host semiconductor material and the recrystallized region can be compensated for experimentally. Such compensation is possible because it was simultaneously discovered that the penetration distance of liquid metal inclusions moving from the surface into the interior of the host semiconductor material is directly proportional to the coulomb/cm 2 value in the host semiconductor material. by. That is, a calibration curve can be constructed that plots the entry distance against the coulomb/cm 2 value for a range of electrotransfer temperatures. Such a calibration curve would already take into account the effects of current concentration in the doped recrystallized regions. In fact, once a calibration curve has been developed, it is possible to produce finger diodes with very precisely controlled penetration distances in the host semiconductor material. Since the amount of current used can be measured to about ±10 coulombs, the droplet penetration distance can be controlled to about 1/100 micron. To give a practical example, if we know from the calibration curve that 25×10 4 clones/cm 2 can electromigrate a gallium-rich droplet 100 microns into silicon at 900°C, then Finger diodes can be manufactured. First, the surface on the starting side is at a positive potential with respect to the surface on the opposite side, and the
A current of clones/cm 2 is passed into the mother's body. The gallium is then charged by reversing the direction of the current (i.e. with the starting surface at a negative potential with respect to the opposite surface) and applying a current of slightly more than 25 x 10 clones/ cm2 . It is sufficient to return the enriched droplets to the starting surface. As an example of the application of the novel discovery that metal-containing melts can be electromigrated in a bulk host semiconductor material, it has been found that electromigration methods can also be carried out in thin films. Turning to FIG. 15, a composite consisting of a substrate 80 and a thin film 82 of substantially uniform thickness is schematically illustrated. Thin film 82 is comprised of a material deposited along at least a portion of substrate 80 by vapor deposition or other methods. Further, the substrate having the upper and lower surfaces located back to back and the peripheral end surface connecting them can be made of a metal (e.g., copper) or a semiconductor (e.g., silicon, germanium, a Group-3 compound, or a Group-3 compound).
In order to concentrate the current in the thin film 82, the substrate 80 must not be electrically conductive. Or again,
Substrate 80 is used to limit the current to only in thin film 82.
At the interface 84 between the top surface and the bottom surface of the thin film 82
A thin insulating film of material such as SiO 2 , Al 2 O 3 or diamond may be disposed. Suitable materials for thin film 82 include silicon, germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, indium antimonide, cadmium telluride, and zinc sulfide. Thin film 82 is silicon and substrate 80
is saphire, then thin film electromigration techniques can be performed on silicon-on-sapphire materials known to those skilled in the semiconductor arts. The cathode 4 and the anode 3 are respectively connected to the thin film 82 via contact portions 85 and 86 which are arranged substantially facing each other on the outer peripheral end surface of the thin film 82 . A suitable method for forming contact portions 85 and 86 is disclosed in the aforementioned US patent application Ser. No. 272,801. Next, one or more metal solids 88 comprising the metal to be electromigrated are applied to the thin film 82.
is placed on the exposed surface 90 of. Alternatively, the metal to be electromigrated may be placed during the operation to apply contacts 85 and 86, as described in the aforementioned US patent application Ser. No. 2,72,801. Thereafter, the composite consisting of membrane 82 and substrate 80 is heated to the electrotransfer temperature by any of the methods described above. For thin films 82 having a thickness of about 1 mil (0.0254 mm) or less, metallic solids 8
8 rapidly diffuses throughout the thickness of the thin film 82. Once the metal solid 88 is liquefied and distributed throughout the thickness of the thin film membrane 82, electromigration is initiated by applying a DC potential between contacts 85 and 86. For films 82 thicker than about 1 mil (0.0254 mm), if it is desired to achieve penetration through the thickness of the film 82 in a reasonable amount of time,
The metal solid 88 must be forced through the entire thickness. At least in such cases, the opportunity is available to carry out the temperature gradient zone zone melting method and the electromigration method simultaneously. To this end, a composite consisting of a membrane 82 and a substrate 80 and having a metal solid 88 to be electromigrated is placed in a suitable device for establishing and maintaining a finite temperature gradient through the membrane 82 and substrate 80.
In that case, the exposed surface (i.e., the upper surface) of the thin film 82
90 is maintained at a lower temperature than the exposed surface (ie, bottom surface) 92 of the substrate 80. The temperature in the temperature gradient at least in the portion passing through the thin film 82 is lower than that of the metal solid 88.
If set and maintained above the melting point of , the metal solid 88 will melt to form a metal-containing melt 88 . Due to the presence of the temperature gradient, the metal-containing melt 88 moves along the thickness of the thin film 82 until it reaches the interface 84 between the thin film 82 and the substrate 80 . Then, when an electromigration operation is performed, the metal-containing melt 88 moves to the contact portion 8.
5 and 86 across the thin film 82. At the same time, by the TGZM method,
The metal-containing melt 88 is maintained throughout the thickness of the thin film 82. In this case, the temperature gradient is substantially perpendicular to the potential gradient. It has been found that the electromigration velocity of a liquid zone in a thin film is significantly increased over the maximum velocity in a bulk solid, as shown by FIG. To obtain Figure 16, the velocity of an aluminum metal-containing melt was measured by electrotransferring it at various temperatures in a thin (4μ) silicon layer of a commercial silicon-on-sapphire (SOS) wafer. Ta. Also plotted in FIG. 16 is the data obtained from FIG. 4 regarding the electromigration of aluminum in bulk silicon. As can be seen from FIG. 16, the electromigration rate in a thin film is about two to three orders of magnitude higher than that in a bulk solid. For purposes of illustration and not limitation, the rate of electromigration in thin films is similar to that in bulk solids.
It is 100 to 1000 times. This is primarily due to the fact that the intersection lines of the liquid zone with the free surface provide abundant nucleation sites (e.g. atomic steps and ledges), whereas the liquid zone inside the crystal does not. This comes from the fact that That is, when a liquid band intersects a free surface, as in thin film electromigration, there is no nucleation barrier to movement of the liquid band. Second, current densities in thin films can be orders of magnitude greater than current densities in bulk materials without causing melting. That is, extremely large current densities (i.e., current densities on the order of 10 6 amperes/cm 2 ) are applied to the thin film, since the Joule heat that would cause melting of bulk materials is removed through the underlying substrate. It is possible. In this way, the speed of electrical transfer is essentially (approximately 10 2 ~
Combined with the fact that the current density can be increased (by about 10 3 to 10 4 times), the rate of electrotransfer in thin films is 10 5 to 10 7 times larger than in bulk materials. It is possible to take a value as large as that (ie, a value of about 300 to 3000 cm/hour). Processing costs for thin film electromigration are expected to be less than processing bulk materials by TGZM or electromigration for two reasons. 1st
The reason for this is that although an extremely high current density is used, the actual amount of current required is not large because the thin film along the current path is extremely thin. A second reason for the lower cost of thin film electromigration is that it does not require as much equipment capacity as electromigration in bulk materials.
The cost of processing equipment can be reduced. Although the present invention has been described above with particular reference to silicon semiconductor materials, the present invention is a novel technique for moving a metal-containing melt in a host semiconductor material using a controllable and reversible potential gradient as a driving force. may also be used with other materials known in the art such as germanium (Ge), gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), indium antimonide (InSb), cadmium telluride (CdTe) and zinc sulfide (ZnS). Can be widely applied. Furthermore, while the invention has been described in detail with respect to several preferred embodiments, changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims. It will be obvious to those skilled in the art that other modifications may be made.
第1図は印加された電位勾配に応答して半導体
材料の母体の内部を電気移動する金属含有融体の
概略断面図、第2図は印加された同じ電位の傾き
に応答して同じ半導体材料の母体の内部を反対方
向に電気移動する組成の異なつた2種の金属含有
融体の概略断面図、第3図は電気移動法を実施す
るために役立つ装置の概略断面図、第3A図は第
3図において円で囲まれた部分の拡大概略断面
図、第4図はシリコン中を電気移動する8種の金
属含有融体に関し電気移動方向および電気移動速
度/電流を電気移動温度に対してプロツトした片
対数グラフ、第5図はシリコン中を電気移動する
銀に富む金属含有融体に関し電気移動速度/電流
を電気移動温度に対してプロツトした片対数グラ
フ、第6図はシリコン中を電気移動する一連の金
−銀合金を含有する溶融体に関し電気移動速度/
電流を合金組成に対してプロツトしたグラフ、第
7図は金−銀合金に関し仕事関数を合金組成に対
してプロツトしたグラフ、第8図はN形半導体材
料の母体中を電気移動することによつて再結晶し
たP形半導体材料の領域を形成する金属含有融体
の概略断面図、第9図はN形半導体材料の母体中
を電気移動することによつて再結晶したP形半導
体材料の領域および再結晶したN形半導体材料の
領域をそれぞれ形成する2種の金属含有融体の概
略断面図、第10図は半導体材料の成層複合母体
のP形層中を電気移動することによつてP形層中
にN形領域を形成する金属含有融体の概略断面
図、第11図は印加された電位勾配に応答しなが
ら真性半導体材料の母体中を電気移動することに
よつて再結晶したP形半導体材料の領域を形成す
る金属含有融体の概略断面図、第12図は整流接
合の形成によつて引起こされる電流分散現象を示
す概略断面図、第13図はシヨツトキー形の整流
接合の形成を示す概略断面図、第14図は真性シ
リコンの導電率およびガリウムに富む金属含有融
体の電気移動によつて形成されたガリウム含有シ
リコン領域の導電率を温度に対してプロツトした
片対数グラフ、第15図は薄膜電気移動技術をを
示す略図、そして第16図はシリコン薄膜および
塊状シリコン中を電気移動するアルミニウムに関
し電気移動速度/電流を温度の逆数に対してプロ
ツトした片対数グラフである。
図中、1は金属含有融体、2は単結晶半導体材
料の母体、3は陽極、4は陰極、7は再結晶した
単結晶半導体材料の領域、8はPN接合、30は
単結晶半導体材料の母体、32および40は金属
含有融体、34および42は再結晶した単結晶半
導体材料の領域、60は金属含有融体、62は単
結晶半導体材料の母体、64は接合面、66は再
結晶した単結晶半導体材料の領域、68は電流、
70は金属含有融体、72は単結晶半導体材料の
母体、76は再結晶した単結晶半導体材料の領
域、80は基体、82は薄膜、84は界面、85
および86は接触部、そしてて88は金属固体ま
たは金属含有融体を表わす。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a metal-containing melt electrotranslocating within a matrix of semiconductor material in response to an applied potential gradient, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the same semiconductor material in response to the same applied potential gradient. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an apparatus useful for carrying out the electromigration method; FIG. Fig. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view of the circled area, and Fig. 4 shows the electromigration direction and electromigration speed/current relative to the electromigration temperature for eight types of metal-containing melts that electromigrate in silicon. Fig. 5 is a semi-logarithmic graph plotting the electromigration rate/current versus electromigration temperature for a silver-rich metal-containing melt electromigrating in silicon; For a moving series of melts containing gold-silver alloys, the electromigration velocity/
Figure 7 is a graph in which the current is plotted against the alloy composition, Figure 7 is a graph in which the work function is plotted against the alloy composition for a gold-silver alloy, and Figure 8 is a graph in which the work function is plotted against the alloy composition for a gold-silver alloy. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a metal-containing melt forming a region of P-type semiconductor material which has been recrystallized by electromigration through a matrix of N-type semiconductor material; FIG. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of two types of metal-containing melts forming regions of recrystallized N-type semiconductor material, respectively. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a metal-containing melt forming an N-type region in a shaped layer. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a metal-containing melt forming a region of shaped semiconductor material; FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the current dispersion phenomenon caused by the formation of a rectifying junction; FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a Schottky-shaped rectifying junction; Figure 14 is a semi-logarithmic graph plotting the conductivity of intrinsic silicon and the conductivity of a gallium-containing silicon region formed by electromigration of a gallium-rich metal-containing melt against temperature. , FIG. 15 is a schematic diagram illustrating thin film electromigration technology, and FIG. 16 is a semi-logarithmic graph of electromigration velocity/current plotted against the reciprocal of temperature for aluminum electromigrated in thin silicon films and bulk silicon. . In the figure, 1 is a metal-containing melt, 2 is a matrix of single crystal semiconductor material, 3 is an anode, 4 is a cathode, 7 is a region of recrystallized single crystal semiconductor material, 8 is a PN junction, and 30 is single crystal semiconductor material 32 and 40 are metal-containing melts, 34 and 42 are regions of recrystallized single-crystalline semiconductor material, 60 is metal-containing melt, 62 is a base of single-crystalline semiconductor material, 64 is a bonding surface, and 66 is a recrystallized single-crystalline semiconductor material. a region of crystallized single crystal semiconductor material, 68 a current;
70 is a metal-containing melt, 72 is a matrix of single crystal semiconductor material, 76 is a region of recrystallized single crystal semiconductor material, 80 is a base body, 82 is a thin film, 84 is an interface, 85
and 86 represent a contact portion, and 88 represents a metal solid or a metal-containing melt.
Claims (1)
の使用により1つ以上の金属含有融体を移動さ
せ、それによつて少なくとも前記母体の半導体材
料の抵抗率と異なつた抵抗率を有する1つ以上の
再結晶した単結晶半導体材料領域を前記母体中に
形成する方法において、(a)前記1つ以上の金属含
有融体を陽極および陽極接触部の間に位置する前
記母体中において1つ以上の経路に沿いながら移
動させるための方向を決定し、(b)(i)前記母体の半
導体材料中に可溶であり、(ii)前記母体の半導体材
料との間に前記母体の半導体材料の融点より低い
融点を持つた溶体を生成し、かつ(iii)前記母体の半
導体材料の仕事関数をφhとした時、量(φi−φh)
の代数符号と前記1つ以上の金属含有融体が移動
して接近すべき前記接触部の代数符号とが等しく
なるような仕事関数φiを有するという諸条件を満
足するように選ばれた材料からそれぞれ成る1つ
以上の金属固体を前記母体に接触させて配置し、
(c)前記陽極および陰極接触部を母体に付加し、(d)
前記1つ以上の金属固体を融解して1つ以上の金
属含有融体を形成するのに十分であると同時に前
記母体の全域にわたつて実質的に一定かつ一様で
あるような高温に前記母体を加熱し、(e)前記陽極
および陰極接触部の間に前記電位勾配を設定し、
次いで(f)前記電位勾配の使用により前記1つ以上
の金属含有融体を前記母体中において前記経路に
沿いながら移動させることによつて、1つ以上の
再結晶した単結晶半導体材料領域を前記母体と一
体化した状態で形成する諸工程から成ることを特
徴とする方法。 2 前記再結晶した単結晶半導体材料領域の少な
くとも1つが前記母体の半導体材料の導電形と異
なつた導電形をも有する特許請求の範囲第1項記
載の方法。 3 前記金属固体が前記母体の内部に配置される
特許請求の範囲第1項記載の方法。 4 前記加熱工程が外部熱源の使用によつて達成
される特許請求の範囲第1項記載の方法。 5 前記加熱工程がジユール熱の利用によつて達
成される特許請求の範囲第1項記載の方法。 6 前記加熱工程が外部熱源およびジユール熱の
併用によつて達成される特許請求の範囲第1項記
載の方法。 7 前記1つ以上の金属固体の材料がガリウム、
銀、銅、アルミニウム、金、スズ、インジウム、
パラジウムおよびそれらの合金から成る群の中か
ら選ばれた材料である特許請求の範囲第1項記載
の方法。 8 ホウ素、リンおよびヒ素から成る群より選ば
れた非電気移動性のドーパント源が前記1つ以上
の金属固体中に含まれている特許請求の範囲第7
項記載の方法。 9 前記母体の半導体材料がシリコン、ゲルマニ
ウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、アンチモ
ン化インジウム、テルル化カドミウムおよび硫化
亜鉛から成る群の中から選ばれた材料である特許
請求の範囲第1項記載の方法。 10 前記母体が、基体の表面の少なくとも一部
分に沿つて配置された単結晶半導体材料の母体薄
膜である特許請求の範囲第1項記載の方法。 11 前記再結晶した単結晶半導体材料領域の少
なくとも1つが前記母体の半導体材料の導電形と
異なつた導電形をも有する特許請求の範囲第10
項記載の方法。 12 前記加熱工程がが外部熱源の使用によつて
達成される特許請求の範囲第10項記載の方法。 13 前記加熱工程がジユール熱の利用によつて
達成される特許請求の範囲第10項記載の方法。 14 前記加熱工程が外部熱源およびジユール熱
の併用によつて達成される特許請求の範囲第10
項記載の方法。 15 前記基体の材料が銅、サフアイア、ゲルマ
ニウム、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、アンチ
モン化インジウム、テルル化カドミウムおよび硫
化亜鉛から成る群の中から選ばれた材料である特
許請求の範囲第10項記載の方法。 16 前記母体薄膜の半導体材料がシリコン、ゲ
ルマニウム、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、ア
ンチモン化インジウム、テルル化カドミウムおよ
び硫化亜鉛から成る群の中から選ばれた材料であ
る特許請求の範囲第10項記載の方法。 17 二酸化シリコン、アルミナまたはダイヤモ
ンドのいずかによつて構成された薄い絶縁膜が前
記基体と前記母体薄膜との間の界面に配置される
特許請求の範囲第10項記載の方法。 18 前記1つ以上の金属固体の材料がガリウ
ム、銀、銅、アルミニウム、金、スズ、インジウ
ム、パラジウムおよびそれらの合金から成る群の
中から選ばれた材料である特許請求の範囲第10
項記載の方法。 19 ホウ素、リンおよびヒ素から成る群より選
ばれた非電気移動性のドーパント源が前記1つ以
上の金属固体中に含有されている特許請求の範囲
第18項記載の方法。 20 基体の表面の少なくとも一部分に沿つて配
置された単結晶半導体材料の母体薄膜中において
電位勾配の使用により1つ以上の金属含有融体を
移動させ、それによつて少なくとも前記母体薄膜
の半導体材料の抵抗率と異なつた抵抗率を有する
1つ以上の再結晶した単結晶半導体材料領域を前
記母体薄膜中に形成する方法において、(a)前記1
つ以上の金属含有融体を陽極および陰極接触部の
間に位置する前記母体薄膜中において1つ以上経
路に沿いながら移動させるための方向を決定し、
(b)(i)前記母体薄膜の半導体材料中に可溶であり、
(ii)前記母体薄膜の半導体材料との間に前記母体薄
膜の半導体材料の融点より低い融点を持つた溶体
を生成し、かつ(iii)前記母体薄膜の半導体材料の仕
事関数をφhとした時、量(φi−φh)の代数符号
と前記1つ以上の金属含有融体が移動して接近す
べき前記接触部の代数符号とが等しくなるような
仕事関数φiを有するという諸条件を満足するよう
に選ばれた材料からそれぞれ成る1つ以上の金属
固体を前記母体薄膜に接触させて配置し、(c)前記
陽極および陰極接触部を前記母体薄膜に付加し、
(d)前記母体薄膜の上面の温度が前記基体の下面の
温度よりも低くかつ前記母体薄膜を通過する部分
の温度勾配中の温度が前記1つ以上の金属固体の
融点よりも高くなるようにしながら前記母体薄膜
および前記基体を通して有限の温度勾配を設定維
持することにより、前記母体薄膜の厚さ全体にわ
たつて広がる1つ以上の金属含有融体を形成し、
(e)前記母体薄膜の厚さ方向に対して実質的に垂直
となりかつ前記温度勾配に対して実質的に垂直と
なるようにして前記陽極および陰極接触部の間に
前記電位勾配を設定し、次いで(f)前記電位勾配の
使用により前記1つ以上の金属含有融体を前記母
体薄膜中において前記経路に沿いながら移動させ
ることによつて、1つ以上の再結晶した単結晶半
導体材料領域を前記母体薄膜と一体化した状態で
形成する諸工程から成ることを特徴とする方法。 21 前記再結晶した単結晶半導体材料領域の少
なくとも1つが前記母体薄膜の半導体材料の導電
形と異なつた導電形をも有する特許請求の範囲第
20項記載の方法。 22 前記基体の材料が銅、サフアイア、ゲルマ
ニウム、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、アンチ
モン化インジウム、テルル化カドミウムおよび硫
化亜鉛から成る群の中から選ばれた材料である特
許請求の範囲第20項記載の方法。 23 前記母体薄膜の半導体材料がシリコン、ゲ
ルマニウム、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、ア
ンチモン化インジウム、テルル化カドミウムおよ
び硫化亜鉛から成る群の中から選ばれた材料であ
る特許請求の範囲第20項記載の方法。 24 二酸化シリコン、アルミナまたはダイヤモ
ンドのいずれかによつて構成された薄い絶縁膜が
前記基体と前記母体薄膜との間の界面に配置され
る特許請求の範囲第20項記載の方法。 25 前記1つ以上の金属固体の材料がガリウ
ム、銀、銅、アルミニウム、金、スズ、インジウ
ム、パラジウムおよびそれらの金から成る群の中
から選ばれた材料である特許請求の範囲第20項
記載の方法。 26 ホウ素、リンおよびヒ素から成る群より選
ばれた非電気移動性のドーパント源が前記1つ以
上の金属固体中に含まれている特許請求の範囲第
20項記載の方法。Claims: 1. Moving one or more metal-containing melts through the use of a potential gradient in a matrix of single-crystalline semiconductor material, thereby creating a resistivity that is at least different from that of the matrix semiconductor material. A method of forming one or more regions of recrystallized single-crystalline semiconductor material in said matrix having: (a) depositing said one or more metal-containing melts in said matrix located between an anode and an anode contact. determining a direction for movement along one or more paths; (b) (i) soluble in the host semiconductor material; When a solution having a melting point lower than that of the semiconductor material is generated, and (iii) the work function of the base semiconductor material is φh, the amount (φi − φh)
made of a material selected to satisfy the conditions that it has a work function φi such that the algebraic sign of is equal to the algebraic sign of the contact portion to which the one or more metal-containing melts should move and approach. placing one or more metal solids each in contact with the matrix;
(c) adding the anode and cathode contact portions to the matrix; (d)
subjecting the one or more metal solids to an elevated temperature that is sufficient to melt the one or more metal solids to form one or more metal-containing melts while being substantially constant and uniform throughout the matrix; heating a matrix; (e) establishing the potential gradient between the anode and cathode contacts;
and (f) moving the one or more metal-containing melts along the path in the matrix through the use of the potential gradient to cause the one or more regions of recrystallized single crystal semiconductor material to A method characterized by comprising steps of forming it in a state integrated with the matrix. 2. The method of claim 1, wherein at least one of the regions of recrystallized single crystal semiconductor material also has a conductivity type different from that of the parent semiconductor material. 3. The method of claim 1, wherein the metallic solid is placed inside the matrix. 4. The method of claim 1, wherein said heating step is accomplished by the use of an external heat source. 5. The method of claim 1, wherein the heating step is accomplished by utilizing Joule heat. 6. The method of claim 1, wherein the heating step is accomplished by a combination of an external heat source and Joule heat. 7. The one or more solid metal materials are gallium,
silver, copper, aluminum, gold, tin, indium,
The method of claim 1, wherein the material is selected from the group consisting of palladium and alloys thereof. Claim 7, wherein a non-electromobile dopant source selected from the group consisting of boron, phosphorus and arsenic is included in the one or more metal solids.
The method described in section. 9. The semiconductor material of claim 1, wherein the base semiconductor material is a material selected from the group consisting of silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, indium antimonide, cadmium telluride, and zinc sulfide. Method. 10. The method of claim 1, wherein the matrix is a matrix thin film of single crystal semiconductor material disposed along at least a portion of the surface of the substrate. 11. Claim 10, wherein at least one of the recrystallized single crystal semiconductor material regions also has a conductivity type different from the conductivity type of the parent semiconductor material.
The method described in section. 12. The method of claim 10, wherein said heating step is accomplished by use of an external heat source. 13. The method of claim 10, wherein the heating step is accomplished by utilizing Joule heat. 14 Claim 10, wherein the heating step is achieved by a combination of an external heat source and Joule heat.
The method described in section. 15. Claim 10, wherein the material of the substrate is selected from the group consisting of copper, saphire, germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, indium antimonide, cadmium telluride, and zinc sulfide. the method of. 16. The semiconductor material of the base thin film is a material selected from the group consisting of silicon, germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, indium antimonide, cadmium telluride, and zinc sulfide. the method of. 17. The method of claim 10, wherein a thin insulating film comprised of one of silicon dioxide, alumina or diamond is disposed at the interface between the substrate and the host film. 18. Claim 10, wherein the one or more solid metal materials are selected from the group consisting of gallium, silver, copper, aluminum, gold, tin, indium, palladium and alloys thereof.
The method described in section. 19. The method of claim 18, wherein a non-electromobile dopant source selected from the group consisting of boron, phosphorous and arsenic is contained in the one or more metal solids. 20 moving one or more metal-containing melts through the use of a potential gradient in a matrix thin film of single crystal semiconductor material disposed along at least a portion of the surface of a substrate, thereby displacing at least the semiconductor material of said matrix thin film; A method of forming in said host thin film one or more regions of recrystallized single crystal semiconductor material having a resistivity different from said one.
determining a direction for moving one or more metal-containing melts along one or more paths in the matrix film located between the anode and cathode contacts;
(b)(i) is soluble in the semiconductor material of the host thin film;
(ii) When a solution having a melting point lower than the melting point of the semiconductor material of the base thin film is generated between the semiconductor material of the base thin film, and (iii) the work function of the semiconductor material of the base thin film is φh. , satisfies the conditions that the work function φi is such that the algebraic sign of the quantity (φi−φh) and the algebraic sign of the contact portion to which the one or more metal-containing melts should move and approach are equal. (c) affixing the anode and cathode contacts to the matrix membrane; (c) applying the anode and cathode contacts to the matrix membrane;
(d) The temperature of the upper surface of the base thin film is lower than the temperature of the lower surface of the substrate, and the temperature in the temperature gradient of the portion passing through the base thin film is higher than the melting point of the one or more metal solids. establishing and maintaining a finite temperature gradient through the host film and the substrate to form one or more metal-containing melts extending throughout the thickness of the host film;
(e) setting the potential gradient between the anode and cathode contacts so as to be substantially perpendicular to the thickness direction of the base thin film and substantially perpendicular to the temperature gradient; and (f) displacing one or more regions of recrystallized single crystal semiconductor material by moving said one or more metal-containing melts along said path in said host thin film through the use of said potential gradient. A method characterized by comprising steps of forming it in a state integrated with the base thin film. 21. The method of claim 20, wherein at least one of the regions of recrystallized single crystal semiconductor material also has a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor material of the host thin film. 22. Claim 20, wherein the material of the substrate is selected from the group consisting of copper, sapphire, germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, indium antimonide, cadmium telluride, and zinc sulfide. the method of. 23. The semiconductor material of the base thin film is a material selected from the group consisting of silicon, germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, indium antimonide, cadmium telluride, and zinc sulfide. the method of. 24. The method of claim 20, wherein a thin insulating film comprised of one of silicon dioxide, alumina or diamond is disposed at the interface between the substrate and the host film. 25. Claim 20, wherein the one or more metallic solid materials are selected from the group consisting of gallium, silver, copper, aluminum, gold, tin, indium, palladium, and the like. the method of. 26. The method of claim 20, wherein a non-electromobile dopant source selected from the group consisting of boron, phosphorous and arsenic is included in the one or more metal solids.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/372,857 US4377423A (en) | 1980-12-29 | 1982-04-28 | Liquid metal inclusion migration by means of an electrical potential gradient |
| US372857 | 1989-06-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5918190A JPS5918190A (en) | 1984-01-30 |
| JPH025716B2 true JPH025716B2 (en) | 1990-02-05 |
Family
ID=23469903
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7603883A Granted JPS5918190A (en) | 1982-04-28 | 1983-04-28 | Method of transferring liquefied metal holding matter by using movement of electric potential |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5918190A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0371310U (en) * | 1989-11-17 | 1991-07-18 |
-
1983
- 1983-04-28 JP JP7603883A patent/JPS5918190A/en active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0371310U (en) * | 1989-11-17 | 1991-07-18 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5918190A (en) | 1984-01-30 |
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