CH497201A - Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in die Oberfläche von Halbleiterkörpern - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zum   Eindiffundieren    von Dotierungssubstanz in die Oberfläche von Halbleiterkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ein   iffundieren    von Dotierungssubstanz in die Oberfläche on Halbleiterkörpern, bei der die Halbleiterkörper  .nd das Dotierungsmaterial in einem Behälter einer    Järmebehandlung    unterzogen werden, wobei die In    nwand    des Behälters mit einer Schicht bedeckt ist,    im    wesentlichen aus demselben Halbleitermaterial    das    der Halbleiterkörper besteht.



   Bei solchen Verfahren werden als Behälter zur aufnahme der Halbleiterkörper bzw. der Dotierungs    substanz    meist Quarzampullen verwendet. Es hat sich un gezeigt, dass unter Verwendung solcher Quarzam    zielen    bei der Eindiffundierung von Aluminium in liziumscheiben, in diesen nur geringe Dotierungskon  -entrationen von z. B.   4. 1010      Aluminiumatomenlcm3       reicht    werden können. Während des Diffusionsvor   enges    bildet sich auf den Siliziumscheiben nämlich    ine    feine, vom Material der Quarzampulle herrührende   ,iliziumoxidschicht,    so dass die Aluminiumatome, um in die Siliziumscheibe einzudringen, durch diese Siliziumoxidschicht hindurchdiffundieren müssen.

  Da aber die Löslichkeit des Aluminiums in Siliziumoxid wesentlich geringer ist als in Silizium, wird die erreichbare Konzentration der Aluminiumatome in Silizium durch die Löslichkeit des Aluminiums in der Siliziumoxidschicht begrenzt. Um die Bildung einer solchen störenden Siliziumoxidschicht zu vermeiden, werden nach einem bekannten Verfahren für den   Diftusions-    vorgang die Siliziumscheiben und Aluminium als Dotierungssubstanz in einem Behälter eingeschlossen, der aus Silizium besteht bzw. der wenigstens an seiner Innenwand eine Siliziumschicht aufweist. Dieser Behälter ist dabei in einem äusseren Behälter untergebracht, in dem ein Vakuum oder eine neutrale Atmosphäre aufrechterhalten wird und der z. B aus Quarz bestehen kann.

  Die Siliziumschicht an der Innenwand des Behälters verhindert das   Durchdiffundieren    von Siliziumoxidmolekülen, die sich an der Oberfläche der Siliziumscheiben niederschlagen könnten.



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in Halbleiterkörper anzugeben, bei dem die Aus   kleidung    des Behälters mit Halbleitermaterial einen anderen Zweck verfolgt als bei den erwähnten bekannten Verfahren dieser Art und bei dem durch Vermeidung des Auftretens von Verunreinigungen an den   Haibleiterscheiben    Halbleiterbauelemente mit verbesserten Eigenschaften resultieren, wobei es mit einem wesentlich geringeren technischen Aufwand auskommt als das eingangs beschriebene bekannte Verfahren.



   Das Verfahren gemäss der Erfindung ist gekennzeichnet durch Zuführung eines pyrolytisch zersetzbare Verbindungen des   Halbleitermaterials    und der Dotierungssubstanz enthaltenden Gasgemisches in den auf einer vorgegebenen hohen Temperatur gehaltenen Behälter, wodurch sich eine Dotierungsmaterial enthaltende Schicht aus Halbleitermaterial an der Behälterinnenwand abscheidet, durch Beladen des Behälters mit den Halbleiterkörpern, durch Evakuieren und gasdichtes Abschliessen der Behälter und durch eine anschliessende Wärmebehandlung der in dem Behälter eingeschlossenen Halbleiterkörper, wodurch Dotierungssubstanz aus der Halbleiterschicht an der Innenwand des Behälters in die Oberfläche der Halbleiterkörper eindiffundiert.



   Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren, die ein Beispiel darstellen, eingehend erläutert.



   Fig.   1    zeigt einen apparativen Aufbau zur Erzeugung einer Dotierungsatome enthaltenden Siliziumschicht an der Innenwand eines Quarzbehälters. In Fig. 2 ist ein fertiger mit Siliziumscheiben beladener und abgeschlossener Quarzbehälter schematisch im Schnitt dargestellt.



   Zur Herstellung des Behälters wird von einem Behälterrohr 1 aus Quarz ausgegangen,   dlas    an seinen Enden mit Gaszuführungs- bzw. Gasabführungsrohren 2, 3, die ebenfalls aus Quarz bestehen, verbunden ist.



  Im Behälterrohr 1 ist, auf kleine Quarzblöcke 4 gestützt, eine Quarzmanschette 5 derart angeordnet, dass zwischen ihr und der Innenwand des Behälterrohres 1  ein Spalt freibleibt und das abgeschlossene Ende der   Quarzmanschette    dem Anschluss des Gaszuführungsrohres 2 zugewandt ist. Das Behälterrohr 1 wird in einem Ofen 6 untergebracht, aus dem Gaszuführungsbzw. Gasabführungsrohre 2, 3 herausreichen.



   Im Falle, dass das Verfahren zur Eindiffundierung von Phosphor in die Oberfläche von   Siliziumkörpern    dienen soll, wird dem Behälterrohr ein Gasgemisch zugeführt, das Wasserstoff und als pyrolytische Verbindungen   SiC14    und PC13 enthält. Zur Herstellung dieses Gasgemisches wird über eine Leitung 7 ein regelbarer Wasserstoffstrom durch eine in einer Waschflasche 8 befindliche Lösung von SiCl4 geleitet, wobei der Wasserstoff eine von der Temperatur der Lösung abhängigen Menge SiCl4 aufnimmt. Auf analoge Weise wird mittels der Wasserflasche 9, die eine Lösung von PCl3 enthält, ein über die Leitung 10 zugeführter regelbarer Wasserstoffstrom mit PCl3 beladen. Die auf diese Weise erzeugten Teilgemische werden über die Leitungen 11, 12 und das Gaszuführungsrohr 2 dem Behälterrohr 1 zugeführt.

  Das Verhältnis der zugeführten Menge von SiCl4 zur Menge von   PCl3    wird dabei durch das Verhältnis der über die Waschflaschen 8, 9 zugeleiteten Wasserstoffmengen wie durch die Lösungstemperaturen bestimmt.



   In dem Behälterrohr 1, das im Ofen 6 auf einer Temperatur zwischen 900 und 10500 C gehalten wird, unterliegt das Gasgemisch einer pyrolytischen Zersetzung, wobei Silizium und Phosphor in einem den Mengen von   SiCl4    bzw.   PCls    entsprechenden Verhältnis an der Innenwand des Behälterrohres 1 und an einem Teil der Oberfläche der Manschette 5 in Form von Kristalliten grosser Oberfläche niedergeschlagen wird.



  Die bei dieser pyrolytischen Zersetzung als flüchtiges Reaktionsprodukt entstehenden Salzsäuredämpfe werden mit dem überschüssigen Wasserstoff durch den Spalt zwischen Manschette 5 und der Innenwand des Behälterrohres 1 und über das Gasabführungsrohr 3 abgeleitet.



   Durch Regelung der über die Leitungen 7, 10 zugeführten Wasserstoffmengen wird die Menge des zur pyrolytischen Zersetzung gelangenden Gasgemisches so gesteuert, dass in dem stromaufwärts liegenden Ende des Spaltes zwischen der Manschette 5 und der Innenwand des Behälterrohres 1 noch Silizium bzw. Phosphor abgeschieden wird, während an seinem stromabwärts liegenden Ende das Gasgemisch völlig zersetzt ist und keine solche Abscheidung mehr stattfindet. Wenn die sich dabei bildende, mit Phosphor dotierte Siliziumschicht eine mittlere Dicke von etwa 100   Ccm    erreicht hat, wird die pyrolytische Abscheidung unterbrochen.



   Nach seiner Abkühlung wird das Behälterrohr 1 zwischen der Manschette 5 und dem Gasabführungsrohr 3 aufgetrennt, die Manschette 5 entfernt und das Gaszuführungsrohr 2 abgeschmolzen.



   Der mit der abgeschmolzenen Gaszuführung versehene Teil des Behälterrohres 1 bildet einen Behälter 13 (Fig. 2), der nun mit mehreren, auf übliche Weise in einem Support 14 gehaltenen Siliziumscheiben 15 beladen wird. Danach   wird    die Manschette 5 an ihrem ursprünglichen Platz im Behälter 13 eingesetzt, der Behälter 13 mit einem Pumpstutzen verbunden, evakuiert und durch Verschmelzen des Behälterrohres 1 mit der Manschette 5 an einer von der Siliziumschicht 16 freien Stelle 17 gasdicht verbunden.



   Der Behälter 13 wird nun wie üblich in einem Diffusionsofen bei genau definierter Temperatur einer Wärmebehandlung unterworfen. Dabei diffundiert Phosphor aus der Siliziumschicht an der Innenwand des Behälters 13 in die Siliziumscheiben 15 ein.

 

   Das Verfahren ist nicht auf die Diffusion von Phosphor in Silizium beschränkt. Seine Vorteile bestehen auch für andere   Dotierungsmaterialien    wie Gallium und Bor. Ebenso ist eine Verwendung auch im Zu   sammenhang    mit anderen Halbleitermaterialien wie z. B.



  Germanium vorteilhaft.



   Die günstige Wirkung des Verfahrens besteht darin, dass unvermeidbare Verunreinigungen an der Innenwand des Quarzbehälters von der Halbleiterschicht abgehalten werden, mit dem Dotierungsmaterial in die Halbleiterscheiben zu diffundieren. Dies hat zur Folge, dass unter Verwendung dieses Verfahrens wesentlich höhere Sperrspannungen erreicht werden können als mit den üblichen Verfahren. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in die Oberfläche von Halbleiterkörpern, bei der die Halbleiterkörper und das Dotierungsmaterial in einem Behälter einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei die Innenwand des Behälters mit einer Schicht bedeckt ist, die im wesentlichen aus demselben Halbleitermaterial wie das der Halbleiterkörper besteht, gekennzeichnet durch Zuführung eines pyrolytisch zersetzbare Verbindungen des Halbleitermaterials und der Dotierungssubstanz enthaltenden Gasgemisches in den auf einer vorgegebenen hohen Temperatur gehaltenen Behälter, wodurch sich eine Dotierungsmaterial enthaltende Schicht aus Halbleitermaterial an der Behälterinnenwand abscheidet, durch Beladen des Behälters mit den Halbleiterkörpern,

   durch Evakuieren und gasdichtes Abschliessen der Behälter und durch eine anschliessende Wärmebehandlung der in dem Behälter eingeschlossenen Halbleiterkörper, wodurch Dotierungssubstanz aus der Halbleiterschicht an der Innenwand des Behälters in die Oberfläche der Halbleiterkörper eindiffundiert.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälterrohr (1) eine an einem Ende abgeschlossene, rohrförmige Manschette (5) derart angeordnet wird, dass zwischen ihr und der Innenwand des Behälterrohres (1) ein Spalt freibleibt, und dass das Gasgemisch dem Behälterrohr (1) an seinem dem Abschluss der Manschette (5) zugewandten Ende zugeführt und die gasförmigen Reaktionsprodukte der pyrolytischen Zersetzung durch genannten Spalt abgeführt werden.

   2. Verfahren gemäss Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des zugeführten Gasgemisches so geregelt wird, dass in dem stromaufwärts liegenden Ende des genannten Spaltes noch Halbleitermaterial und Dotierungssubstanz abgeschieden wird, während an seinem stromabwärtsliegenden Ende das Gasgemisch zersetzt ist und keine solche Abscheidung mehr stattfindet.

   3. Verfahren gemäss Unteranspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der pyrolytischen Abscheidung das Behälterrohr (1) an seinen beiden Enden jeweils mit einem GaszuführutDgs- bzw.

   Gasabführungsrohr (2, 3) versehen wird, dass nach erfolgter pyrolytischer Abscheidung das Behälterrohr (1) zwischen der Manschette (5) und dem Gasabführungsrohr (3) aufgetrennt, die Manschette (5) entfernt und das Gaszuführungsrohr (2) abgeschmolzen wird, und dass nach Beladung mit den Halbleiterkörpern (15) die Manschette (5) wieder in das Behälterrohr (1) eingebracht, der Behälter evakuiert und durch Verschmelzen des Behälterrohres (1) mit der Manschette (5) gasdicht abgeschlossen wird.

   4. Verfahren gemäss Patentanspruch zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in Siliziumkörper, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch H2 und Sich4 enthält, und dass im Behälter eine Temperatur zwischen 90e10500 C aufrechterhalten wird, bei der sich Silizium und Dotierungssubstanz an der Innenoberfläche des Behälters abscheiden.

   5. Verfahren gemäss Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dotierungssubstanzen Phosphor, Gallium oder Bor oder mehrere dieser Stoffe verwendet werden.