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.
Process for diffusing doping substance into the surface of semiconductor bodies
The invention relates to a method for introducing doping substance into the surface of semiconductor bodies, in which the semiconductor bodies and the doping material are subjected to heat treatment in a container, the inside of the container being covered with a layer, essentially of the same semiconductor material the semiconductor body consists.
In such methods, quartz ampoules are usually used as a container for receiving the semiconductor body or the doping substance. It has been shown that, when using such quartz, the diffusion of aluminum into silicon wafers results in only low doping concentrations of e.g. B. 4. 1010 aluminum atoms / cm3 can be sufficient. During the diffusion process, a fine silicon oxide layer originating from the material of the quartz ampoule forms on the silicon wafers, so that the aluminum atoms have to diffuse through this silicon oxide layer in order to penetrate the silicon wafer.
However, since the solubility of aluminum in silicon oxide is much lower than in silicon, the achievable concentration of aluminum atoms in silicon is limited by the solubility of aluminum in the silicon oxide layer. In order to avoid the formation of such a disruptive silicon oxide layer, the silicon wafers and aluminum are enclosed as doping substance in a container made of silicon or which has a silicon layer at least on its inner wall according to a known method for the diffusion process. This container is housed in an outer container in which a vacuum or a neutral atmosphere is maintained and the z. B can be made of quartz.
The silicon layer on the inner wall of the container prevents silicon oxide molecules from diffusing through, which could be deposited on the surface of the silicon wafers.
The invention is based on the object of specifying a method for diffusing dopant into semiconductor bodies, in which the clothing of the container with semiconductor material has a different purpose than in the aforementioned known method of this type and in which by avoiding the occurrence of impurities on the semiconductor wafers Semiconductor components with improved properties result, with a significantly lower technical outlay than the known method described above.
The method according to the invention is characterized by supplying a pyrolytically decomposable compounds of the semiconductor material and the gas mixture containing the doping substance into the container kept at a predetermined high temperature, whereby a doping material-containing layer of semiconductor material is deposited on the container inner wall, by loading the container with the semiconductor bodies , by evacuating and sealing the container in a gas-tight manner, and by subsequent heat treatment of the semiconductor bodies enclosed in the container, whereby doping substance diffuses from the semiconductor layer on the inner wall of the container into the surface of the semiconductor body.
The invention is explained in detail below with reference to the figures, which represent an example.
Fig. 1 shows an apparatus structure for producing a silicon layer containing doping atoms on the inner wall of a quartz container. In Fig. 2, a finished quartz container loaded with silicon wafers and closed is shown schematically in section.
To manufacture the container, a container tube 1 made of quartz is assumed, which is connected at its ends to gas supply and gas discharge tubes 2, 3, which are also made of quartz.
In the container tube 1, supported on small quartz blocks 4, a quartz sleeve 5 is arranged in such a way that a gap remains between it and the inner wall of the container tube 1 and the closed end of the quartz sleeve faces the connection of the gas supply tube 2. The container tube 1 is housed in a furnace 6, from the gas supply or. Reach out gas discharge pipes 2, 3.
In the event that the method is to be used to diffuse phosphorus into the surface of silicon bodies, a gas mixture containing hydrogen and SiC14 and PC13 as pyrolytic compounds is fed to the container tube. To produce this gas mixture, a controllable flow of hydrogen is passed via a line 7 through a solution of SiCl4 located in a washing bottle 8, the hydrogen taking up an amount of SiCl4 that is dependent on the temperature of the solution. In an analogous manner, a controllable hydrogen stream supplied via line 10 is charged with PCl3 by means of the water bottle 9, which contains a solution of PCl3. The partial mixtures produced in this way are fed to the container tube 1 via the lines 11, 12 and the gas feed pipe 2.
The ratio of the amount of SiCl4 supplied to the amount of PCl3 is determined by the ratio of the amounts of hydrogen supplied via the washing bottles 8, 9 and by the solution temperatures.
In the container tube 1, which is kept at a temperature between 900 and 10500 C in the furnace 6, the gas mixture is subject to pyrolytic decomposition, with silicon and phosphorus in a ratio corresponding to the amounts of SiCl4 or PCls on the inner wall of the container tube 1 and on part of the surface of the sleeve 5 is deposited in the form of crystallites of large surface.
The hydrochloric acid vapors formed as a volatile reaction product during this pyrolytic decomposition are discharged with the excess hydrogen through the gap between the sleeve 5 and the inner wall of the container tube 1 and via the gas discharge tube 3.
By regulating the amount of hydrogen supplied via the lines 7, 10, the amount of the gas mixture reaching the pyrolytic decomposition is controlled so that silicon or phosphorus is still deposited in the upstream end of the gap between the sleeve 5 and the inner wall of the container tube 1, while at its downstream end, the gas mixture is completely decomposed and such separation no longer takes place. When the phosphorus-doped silicon layer that forms has reached an average thickness of about 100 cm, the pyrolytic deposition is interrupted.
After it has cooled, the container pipe 1 is separated between the cuff 5 and the gas discharge pipe 3, the cuff 5 is removed and the gas supply pipe 2 is melted off.
The part of the container tube 1 provided with the melted gas supply forms a container 13 (FIG. 2) which is now loaded with several silicon wafers 15 held in a support 14 in the usual manner. Thereafter, the cuff 5 is inserted in its original place in the container 13, the container 13 is connected to a pump nozzle, evacuated and connected in a gastight manner by fusing the container tube 1 with the cuff 5 at a location 17 free from the silicon layer 16.
The container 13 is now subjected to a heat treatment as usual in a diffusion furnace at a precisely defined temperature. In the process, phosphorus diffuses from the silicon layer on the inner wall of the container 13 into the silicon wafers 15.
The process is not limited to the diffusion of phosphorus in silicon. Its advantages also exist for other doping materials such as gallium and boron. It can also be used in conjunction with other semiconductor materials such as. B.
Germanium beneficial.
The beneficial effect of the method is that unavoidable impurities on the inner wall of the quartz container are prevented by the semiconductor layer from diffusing with the doping material into the semiconductor wafers. As a result, using this method, significantly higher blocking voltages can be achieved than with the usual methods.