DE1178947B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-bauelementen mit mindestens einer durch Diffusion dotierten duennen Halbleiterschicht - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

J 18691 VIII c/21g
10. September 1960
1. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit mindestens einer durch Diffusion dotierten dünnen Halbleiterschicht im Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers.

In der Diffusionstechnik auf dem Halbleitergebiet ist es bekannt, das nach dem Diffusionsvorgang auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers verbliebene Störstellenmaterial zu entfernen und anschließend in einem zweiten Diffusionsvorgang Material anderer Eigenschaften einzudiffundieren. Es ist auch bekannt, eindiffundierte Schichten in ihrer gesamten Tiefe zum Zweck der Kontaktierung der darunterliegenden Halbleiterschicht örtlich begrenzt, z. B. durch Schleifen, wieder zu entfernen. Dadurch wird es möglich, Schichten im Halbleiterkörper, die unter einer diffundierten Schicht liegen, zu kontaktieren. Außerdem kann durch die örtlich begrenzte Entfernung von Diffusionsschichten in Halbleiterkörpern ein Einfluß auf die geometrische Form der Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit ausgeübt werden. Bei diesen bekannten Verfahren wird immer die diffundierte Schicht in ihrer gesamten Tiefe entfernt. Sofern mehrere Diffusionsschritte vorgesehen sind, z. B. eine Doppeldiffusion, handelt es sich darum, Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit zu erzeugen und dementsprechend für jeden Diffusionsschritt Verunreinigungsmaterial eines anderen Leitfähigkeitstyps zu verwenden. Die einzelnen Diffusionsschritte werden alle bei etwa der gleichen, der Diffusionstemperatur des verwendeten Materials entsprechenden Temperatur durchgeführt.

Es ist auch bekannt, einen Diffusionsvorgang in zwei Schritten bei unterschiedlicher Temperatur durchzuführen. Dabei wird das Verunreinigungsmaterial zunächst bei einer Temperatur, die unterhalb der Diffusionstemperatur liegt, gewöhnlich in einer nicht oxydierenden Atmosphäre aufgebracht und anschließend bei einer höheren, dem Material entsprechenden Diffusionstemperatur in einer oxydierenden Atmosphäre der eigentliche Diffusionsvorgang durchgeführt.

Das Aufbringen und die Vordiffusion werden bei niedrigerer Temperatur in nicht oxydierender Atmosphäre durchgeführt, um die Bildung von Oxyden zu verhindern. Der Vorgang läuft langsam ab, so daß die Menge der aufzubringenden Verunreinigungen verhältnismäßig gut kontrolliert werden kann.

Die Diffusion bei hoher Temperatur in einer oxydierenden Atmosphäre verursacht ein schnelles Eindiffundieren der aufgebrachten und vordiffundierten Dotierungssubstanzen in den Kristall. Die Oxyd-Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit mindestens einer durch
Diffusion dotierten dünnen Halbleiterschicht

Anmelder:

Intermetall Gesellschaft für Metallurgie

und Elektronik m. b. H.,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Adolph Goetzberger, Palo Alto, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 25. September 1959

(842464)

schicht, die dabei gebildet wird, verhindert ein Verdampfen der Verunreinigungen von der Halbleiter-Oberfläche, so daß diese vorzugsweise in den Halbleiter hineindiffundieren. Der Oxydüberzug verringert außerdem die Korrosionsbildung auf dem Halbleiterplättchen.

Die Gleichmäßigkeit der Eindringtiefe in den Halbleiterkörper hängt im wesentlichen von der Gleichmäßigkeit der aufgebrachten und vordiffundierten Schicht aus Dotierungsmaterial ab. Es ist sehr schwer, Halbleiterplättchen herzustellen, deren Oberflächen frei von unerwünschten Schmutzteilchen sind. Diese Schmutzteilchen überdecken einen sehr kleinen Teil der Plättchenoberfläche und können vermutlich folgende beiden Wirkungen verursachen: Erstens, sie verhindern an dieser Stelle das Eindringen des Dotierungsmaterials, oder zweitens, sie verursachen eine vermehrte Ablagerung an Dotierungsmaterial und bilden damit eine Stelle höherer Dotierungskonzentration. Auf jeden Fall wird die durch die anschließende Diffusion geformte Schicht nicht gleichmäßig und in manchen Fällen sogar nicht zusammenhängend sein. Wenn dann noch eine weitere Diffusion ausgeführt wird, um eine dreischichtige Anordnung zu erhalten, kann es geschehen, daß die zentrale Schicht an den Punkten verminderter oder verstärkter Dotierungskonzentration kurzgeschlossen

go wird.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-

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bauelementen mit flächenhaften pn-Übergängen und dünnen Schichten, die durch Eindiffundieren von auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Dotierungssubstanzen erzeugt werden, zu schaffen, bei dem die Wirkung von Schmutzteilchen auf der Oberfläche eines gereinigten Halbleiterplättchens verringert wird.

Erfindungsgemäß wird zur Verringerung von Dickenschwankungen der durch Diffusion dotierten Schichten auf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers Dotierungsmaterial bei einer unterhalb der normalen Diffusionstemperatur liegenden Temperatur so aufgebracht, daß Dotierungsmaterial infolge einer Vordiffusion in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eindringt, daß das aufgebrachte Dotierungsmaterial und höchstens ein Teil der Dicke der vordiffundierten Oberflächenschicht entfernt wird, daß eine oder beide Maßnahmen mit Dotierungsmaterial desselben Leitfähigkeitstyps ein- oder mehrmals wiederholt werden und daß anschließend die eigentliche Diffusion bei der normalen Diffusionstemperatur durchgeführt wird.

Die Merkmale und weiteren Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt eine etwa 500fach vergrößerte Ansicht der Oberfläche eines gereinigten Halbleiterplättchens;

F i g. 2 zeigt eine mögliche Auswirkung von Oberflächenverschmutzungen ;

F i g. 3 zeigt eine andere mögliche Auswirkung der Oberflächenverschmutzungen;

F i g. 4 zeigt eine dreischichtige Anordnung, die aus der zweischichtigen Anordnung der F i g. 2 entstanden ist;

F i g. 5 zeigt eine dreischichtige Anordnung, die aus der zweischichtigen Anordnung der F i g. 3 entstanden ist;

F i g. 6 zeigt einen Querschnitt durch ein dreischichtiges Halbleiterplättchen, und

F i g. 7 zeigt das Stromspannungsdiagramm eines pn-Überganges, der nach der Erfindung gebildet worden ist. Als Abszisse ist der Strom in Mikroampere und als Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen.

Bei Untersuchungen an flächenhaften Übergängen, die durch eine einzelne Aufbringung mit Vordiffusion und nachfolgender Diffusion gebildet werden, wurde festgestellt, daß die diffundierte Schicht gewisse Ungleichmäßigkeiten aufweist. Diese Ungleichmäßigkeiten wurden durch Änderungen der F//-Werte an verschiedenen Stellen des Halbleiterplättchens nachgewiesen. Es entstanden in der diffundierten Oberfläche Flecken, welche zu Kurzschlüssen der sehr dünnen Schichten der untersuchten Transistoren führten. Außerdem wurde festgestellt, daß die elektrischen Eigenschaften der sehr dünnen Schichten schlecht waren. Es trat beispielsweise an einigen Stellen des Plättchens eine niedrigere Durchbruchspannung auf, und es waren unscharfe Übergänge vorhanden. Die Flecken wurden durch die Lichtemission bei der Durchbruchspannung beobachtet.

Es wurde angenommen, daß für diese Erscheinungen entweder Störungen im Siliziumgitter oder sehr feine auf der Oberfläche des Siliziums befindliche Schmutzteilchen verantwortlich sind. Die Zahl der Fehlerstellen, die in einer Diffusionsschicht beobachtet wurden, war gewöhnlich viel größer als die vorausberechenbaren Gitterfehlstellen. Man kann daraus schließen, daß die Schmutzteilchen auf der Oberfläche die Hauptursache für die beobachteten Fehler sind. Mit gewöhnlichen Reinigungsverfahren, beispielsweise dem Entfernen der Oxydschicht durch Ätzen in Fluorwasserstoff, kann die Oberfläche bis auf eine geringe Anzahl von Schmutzteilchen gereinigt werden. Bei der Herstellung von sehr dünnen Schichten ist die Zahl der verbleibenden Schmutz* teilchen jedoch noch zu groß.

Nach der Erfindung werden relativ dünne Schichten durch eine mehrfache Aufbringung und Vordiffusion hergestellt, nachdem die Halbleiterplättchen sorgfältig gereinigt worden sind. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterplättchen in Flußsäure oder einem ähnlichen Ätzmittel gereinigt und anschließend bei verhältnismäßig niedriger Temperatur in einer nicht oxydierenden Atmosphäre einer Vordiffusion ausgesetzt. Nachdem ein Halbleiterplättchen eine gewisse Zeit lang dieser Aufbringung mit Vordiffusion unterworfen worden ist, wird das Plättchen entfernt, wieder in Fluorwasserstoff für eine bestimmte Zeit geätzt, gespült und getrocknet. Diese Behandlung wird mehrmals wiederholt.

Zum Beispiel wird die Aufbringung und Vordiffusion auf sorgfältig gereinigten p-leitenden SiIiziumplättchen in einer trockenen Stickstoffatmosphäre

bei 700 und 800° C durchgeführt. Die Phosphorpentoxydquelle befand sich auf einer Temperatur von 210° C und wirkte für 15 Minuten ein. Die Aufbringungs- und Vordiffusionszeit kann zwischen 10 und 30 Minuten liegen. Nach Beendigung des Vorganges wurde die aus Phosphorpentoxyd und SUiziumdioxyd bestehende glasurartige Schicht, welche sich ausgebildet hatte, durch eine 5 Minuten dauernde Bearbeitung mit Fluorwasserstoffsäure wieder entfernt. Das Halbleiterplättchen wurde dann gereinigt und getrocknet und die oben beschriebene Behandlung mehrere Male wiederholt, so daß eine Vielzahl von Aufbringungs- und Vordiffusionsvorgängen durchgeführt wurde.

N-leitende Halbleiterplättchen werden in ähnlicher Weise einer mehrfachen Aufbringung und Vordiffusion ausgesetzt. Zum Aufbringen und Vordiffundieren wird Bortrioxyd (B₂O₈) gemeinsam mit einem Siliziumplättchen in einem Platinbehälter eingeschlossen und verdampft. Wegen der langen Zeit, die bei Platinbehältern zum Stabilisieren der Temperatur und des Dampfdruckes benötigt wird, ist auch die Zeit für das Aufbringen und Vordiffundieren größer als die weiter oben beschriebene Zeit. Wiederum wird die Behandlung mehrmals wiederholt. Die Ergebnisse bei einer mehrfachen Aufbringung und Vordiffusion von Phosphorpentoxyd (P.,O₅) sind der folgenden Tabelle zu entnehmen:

	30	Phosphorbedampfung	Zahl der Vorgänge	Vh	r
55 Tem peratur	10	Zeit	1 2 3	1270 ± 1170 ± 612 ±	191 184 9,6
700cC 6o	30	Minuten	1 2 3		2,0 1,7 0,43
800° C 65	Minuten	1 2 3		1,1 0,5 0,1
800° C	Minuten		69,0 ± 57,5 ± 47,7 ±
		37,3 ± 24,0 + 16,3 ±

Dieser Tabelle ist zu entnehmen, daß die Gleichmäßigkeit der Schicht mit der Zahl der Vordiffusionsvorgänge wächst, da die (± )-Abweichungen vom Grundwert VlI abnehmen. Weiterhin wurde festgestellt, daß es mit mehrfachen Aufbringungen mit Vordiffusion möglich war, sehr dünne diffundierte Schichten, die zwischen 0,2 und 0,4 μ schwanken, herzustellen. Diese besitzen gemäß F i g. 7 einen sehr scharfen Lawinen-Durchbruch. Bei Beobachtung an einem Bauelement des vorgenannten Typs mit angelegter Spannung an den pn-Übergängen wurden etwa zehn örtliche Durchschläge pro Quadratmillimeter festgestellt. Das ist etwa 10- bis 20mal weniger als nach einer einzelnen Aufbringung mit Vordiffusion. Ein gleichmäßiges Leuchten kann auf einem großen Teil der Oberfläche bei etwas höheren Spannungen, als sie zum Entstehen von Durchbrüchen in den Mikroplasmen notwendig sind, beobachtet werden.

Diese Ergebnisse lassen erkennen, daß die Gleichmäßigkeit dünner Schichten durch mehrfache Aufbringung und Vordiffusion verbessert werden kann. Das Ätzen in Fluorwasserstoffsäure nach jeder Abscheidung beseitigt vermutlich die meisten der Oberflächenverunreinigungen, welche bei den vorhergehenden chemischen Behandlungen zurückgeblieben waren. Es kann zwar sein, daß sich vor dem nächsten Aufbringen und Vordiffundieren neue Schmutzteilchen absetzen. Diese befinden sich dann jedoch an Stellen, welche während der vorhergehenden Behandlung bereits gleichmäßig dotiert worden waren. Wiederholte Spülungen verringern außerdem die Möglichkeit, daß Siliziumoxydschichten nicht vollständig gelöst sind. Es ist bekannt, daß eine Siliziumoxydschicht wegen eines Maskierungseffektes eine geringere Oberflächenkonzentration verursachen würde.

In Fig. 1 ist ein Plättchen aus Halbleitermaterial in etwa 500facher Vergrößerung dargestellt. Es befinden sich auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens Schmutzteilchen 11. Die vermutliche Wirkung dieser Schutzteilchen ist den F i g. 2 oder 3 zu entnehmen. F i g. 2 ist beispielsweise zu entnehmen, daß das Schmutzteilchen 11 für das darunter befindliche p-leitende Material als Maske dient und die Vordiffusion unterhalb dieses Teilchens verhindert. In F i g. 3 verursacht das Teilchen dagegen eine Zunahme der Dotierung, und es entsteht ein örtlich begrenztes Gebiet stärkerer Dotierungskonzentration und größerer Dicke bei 13. Wenn dreischichtige An- 5<> Ordnungen durch zusätzliche Diffusionsvorgänge erzeugt werden, reagieren die zweischichtigen Anordnungen der F i g. 2 und 3, wie in F i g. 4 und 5 dargestellt ist. Es ist zu sehen, daß die mittlere Schicht in dem nicht dotierten Gebiet 12 kurzgeschlossen ist oder bei 13 in Fig. 5 eine höhere Dotierung aufweist. F i g. 6 zeigt dagegen ein Beispiel, bei dem eine mehrfache Aufbringung und Vordiffusion stattgefunden hat. Diesem Beispiel ist zu entnehmen, daß die Stellen geringer bzw. vergrößerter Konzentration in ihrer Ausdehnung verringert sind und die mittlere Schicht nicht ganz durchdringen bzw. kurzschließen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit mindestens einer durch Diffusion dotierten dünnen Halbleiterschicht im Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung von Dickenschwankungen der durch Diffusion dotierten Schichten auf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers Dotierungsmaterial bei einer unterhalb der normalen Diffusionstemperatur liegenden Temperatur so aufgebracht wird, daß Dotierungsmaterial infolge einer Vordiffusion in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eindringt, daß das aufgebrachte Dotierungsmaterial und höchstens ein Teil der Dicke der vordiffundierten Oberflächenschicht entfernt wird, daß eine oder beide Maßnahmen mit Dotierungsmaterial desselben Leitfähigkeitstyps ein- oder mehrmals wiederholt werden und daß anschließend die eigentliche Diffusion bei der normalen Diffusionstemperatur durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen und die Vordiffusion des Dotierungsmaterials in einer nicht oxydierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Dotierungsmaterials und die Vordiffusion bei einem Halbleiterkörper aus Silizium, bei einer Temperatur unterhalb 900° C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgebrachte Dotierungsmaterial durch Ätzen in Flußsäure entfernt wird und daß anschließend in Wasser gespült wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterkörper in Form eines p-leitenden Siliziumplättchens als Dotierungsmaterial Phosphorpentoxyd aufgebracht und vordiffundiert wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterkörper in Form eines η-leitenden Siliziumplättchens als Dotierungsmaterial Bortrioxyd aufgebracht und vordiffundiert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem plättchenförmigen Halbleiterkörper mehrere Schichten vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp nacheinander erzeugt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1024 640;
USA.-Patentschrift Nr. 2 793 145;
französische Patentschriften Nr. 1 227 508,
934, 1230933;
Bell Syst. techn. Journ., 35,1956, Nr. 1, S. 1 bis 22.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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