DE1248023B

DE1248023B - Verfahren zum Eindiffundieren von Gallium in einen Koerper aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1248023B
Application number: DES82758A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Kurt Raithel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-12-07
Filing date: 1962-12-07
Publication date: 1967-08-24
Also published as: GB988341A; CH434216A; AT239311B; US3314832A; BE640886A; NL298006A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT Int. Cl.:

JJ.3 0 8 -Ζ5/0 2-Γ

Deutsche Kl.: 12 g-17/34

Nummer: 1 248 023

Aktenzeichen: S 82758IV c/12 g

Anmeldetag: 7. Dezember 1962

Auslegetag: 24. August 1967

Bei den Diffusionsverfahren zum Herstellen dotierter Bereiche in Halbleiterkörpern wird ein Dotierungsstoff beispielsweise aus der Gasphase in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Hierbei wird der Halbleiterkörper, beispielsweise eine Siliciumscheibe oder Germaniumscheibe, in einem Behandlungsgefäß auf die Diffusionstemperatur erwärmt, während an einer anderen Stelle des Behandlungsgefäßes, räumlich vom Halbleiterkörper getrennt, eine Quelle des Dotierungssioffes' ebenfalls erwärmt wird. Mit Hilfe einer Regelung der Temperatur der Dotierungsquelle läßt sich über den Dampfdruck die Randkonzentration des eindiffundierten Stoffes in den Halbleiterkörper steuern. Zur p-Dotierung können unter anderem Aluminium, Bor und Gallium verwendet werden.

Bei einem Verfahren zum Eindiffundieren von Gallium in einen Körper aus Halbleitermaterial der IV. Gruppe des Periodensystems der Elemente durch Erwärmen des Halbleiterkörpers und der Galliumquelle, die in einem Behandlungsgefäß räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, wird die Reproduzierbarkeit verbessert, wenn erfindungsgemäß vor dem EindiiTundieren an der Galliumquelle bzw. an der Gefäßwand im Bereich der Galliumquelle ein Niederschlag des Monoxyds des Halbleitermaterials erzeugt wird.

Bei der Durchführung von Diffusionsversuchen stellte es sich heraus, daß die Randkonzentration des in den Halbleiterkörper eindiffundierten Galliums nicht der Dampfdruckkurve von Gallium entsprach. Es muß deshalb vermutet werden, daß der Transport des Galliums von der Galliumquelle zum Halbleiterkörper nicht lediglich über die Dampfphase sondern wenigstens zum Teil, wenn nicht völlig, über eine Transportreaktion erfolgt.

Die vorliegende Erfindung benutzt diesen Effekt, und es wird das Monoxyd des Halbleitermaterials als Transportmittel verwendet. Das Monoxyd des Halbleitermaterials dürfte die Bildung von Galliumsuboxyd hervorrufen, so daß der Transport "über die "Dampfphase von Galliumsuboxyd vor sich geht.

An Hand von Ausführungsbeispielen werden im folgenden weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens beschrieben. In

Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfanrens dargestellt;

Fi:\2 zeigt schematisch die Durchführung des • ■ in

^: . ', ,.: in einem Diagramm die Randkonzen- ~i .or. C_R in Abhängigkeit von der Temperatur der Galliumquelle aufgetragen.

Verfahren zum Eindiffundieren von Gallium in
einen Körper aus Halbleitermaterial

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Kurt Raithel, Uttenreuth

In F i g. 1 ist ein Ofen 2 dargestellt, der aus einem an beiden Seiten offenen Rohr 3 besteht, in welchen das zu behandelnde Gut eingeschoben werden kann. Das Rohr ist mit einer elektrischen Widerstandsv icklung umgeben, welche zur Beheizung des Ofens dient.

so In dem Rohr 3 stellt sich bei stabilem Betrieb ein Temperaturprofil ein, welches von den Öffnungen sich zur Mitte hin erstreckt. In einem kleinen Teil des mittleren Bereiches herrscht eine konstante Temperatur. Diese Temperatur wird für den vorliegenden Zweck auf 1230⁰C eingestellt. Es können auch Öfen mit einem asymmetrischen Temperaturprofil verwendet werden. Bei. der Herstellung einer Galliumdotierten Schicht, in Siliciumscheiben werden bei-. spielsweise die Siliciumscheiben in diesen Bereich der Temperatur· von 1230⁰C eingebracht und dort „belassen. Die Galliumguelle wird an eine andere Stelle des Ofens gebrächt*: welche eine geringere Temperatur aufweist. Diese Stelle kann entsprechend dem· Temperaturprofil des Ofens und ■ der gewünschten Randkonzentration des eindiffundierten Galliums in'· der Siliciumscheibe ausgewählt werden.. Als Behandlungsgefäß werden vorzugsweise. Quarzampullen verwendet, welche eine entsprechende Länge aufweisen und in das Rohr 3 eingeschoben werden.

In F i g. 1 ist eine derartige Quarzampulle 4 .dargestellt, welche in das Rohr 3 eingeschoben ist. An dem einen Ende der.Quarzampulle 4 liegt eine Galliumquelle 5, welche aus einem kleinen Siliciumstück besteht, in welches eine Vertiefung eingearbeitet ist, die mit einem Tropfen Gallium gefüllt ist. Am anderen Ende der'Quarzampulle 4 befinden sich Siliciumscheiben 6, welche durch zwei Abstandsstück " und 8, z. B. Rohrstücke aus Quarz von et\va> u ··- gerem Durchmesser, gehalten werden. In die· O * v.\:

ist ein Quarzstück 9 mit etwa U-förmigem Querschnitt eingeschoben und mit der .Öffnung mit Hufe eines Gasbrenners zusammengeschmolzen. DasB

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handlungsgefäß ist also vollkommen nach außen abgeschlossen.

In F i g. 2 ist die Quarzampulle 4 in zwei Lagen mit Bezug auf das Temperaturprofil eines für das vorliegende Verfahren verwendeten Ofens dargestellt. In der Lage I befindet sich die Galliumquelle 5 im Bereich einer Temperatur von etwa 1000 bis 1050⁰C. In der Lage II ist die Galliumquelle 5 in den Temperaturbereich von etwa 950° C bewegt worden. Die Siliciumscheiben 6 befinden sich in beiden Fällen in dem Teil des Ofens, in dem eine konstante Temperatur von etwa 1230° C herrscht. Eine höhere Temperatur kann für gewöhnlich nicht angewendet werden, da die mechanische Stabilität der evakuierten Quarzampulle dies nicht zuläßt.

Nach dem Aufheizen des Ofens wird die außerhalb des Ofens vorbereitete Quarzampulle sehr schnell in die Lage I gebracht. Hierauf muß darauf geachtet werden, daß die Beschickung des heißen Ofens nach Möglichkeit in weniger als 1 Minute erfolgt. Es bildet sich Siliciummonoxyd. Dieses Siliciummonoxyd scheidet sich bevorzugt im Bereich von etwa 1000 bis 1100° C wieder ab. Aus diesem Grund muß die Ampulle so schnell wie möglich in die gewünschte Lage gebracht werden, da sonst eine zwischen der Galliumquelle und den Halbleiterkörpern liegende Stelle mit ersten Keimen eines Niederschlages von Siliciummonoxyd befallen werden kann. Dies kann dazu führen, daß die Weiterbildung des Niederschlages bevorzugt an dieser Stelle stattfindet und damit der gewünschte Niederschlag des Monoxyds an der Galliumquelle verhindert wird.

In der Lage I verbleibt die Quarzquelle 4 bis zur Bildung des gewünschten Niederschlages im Bereich der Galliumquelle 5. Der Niederschlag weist eine bräunliche Farbe auf und kann dadurch mit den Augen leicht beobachtet werden. Nach etwa 10 Minuten Dauer weist der Niederschlag eine genügende Dichte auf. Die Quarzampulle wird aber bis zu 1 Stunde in der Lage I belassen.

Danach wird die eigentliche Diffusion des Galliums vorgenommen, indem die Galliumquelle in die Lage II gebracht wird und in dieser Lage für die Dauer , der Diffusion, z. B. 30 oder 48 Stunden, belassen wird. Nach der Durchführung der Diffusion wird der Ofen langsam abgekühlt, z. B. um 2° C pro Minute. Durch eine Einstellung der Lage der Galliumquelle 5 mit Bezug auf das Temperaturprofil kann die Randkonzentration des in das Silicium eindiffundierten Galliums nach Wunsch eingestellt werden. In F i g. 3 ist ein Diagramm der Randkonzentration C^ in Abhängigkeit von der Temperatur der Galliumquelle aufgetragen. Sie bezieht sich auf eine Temperatur des Siliciums von 1230° C.

Vorbedingung des Verfahrens ist größte Sauberkeit, so daß die Vorbereitung eine große Rolle spielt. So wird z. B. die Quarzampulle vor ihrer Verwendung mit Königswasser gefüllt und mehrere Stunden, z. B. 16 Stunden, stehen gelassen. Danach wird sie in einer Behandlungsfiüssigkeit gespült, welche aus 10 Teilen Flußsäure (40¹⁰Zo), 10 Teilen rauchender Salpetersäure und 80 Teilen destilliertem Wasser besteht. Darauf wird die Quarzampulle V* bis Vs Stunde im Ofen bei etwa 1100 bis 1200° C getrocknet. Das Abschlußstück 9 sowie die Abstandsteile 7 und 8 werden in ähnlicher oder gleicher Weise behandelt.

Die Galliumquelle 5 kann beispielsweise aus einer flachen Siliciumscheibe von etwa 3 mm Dicke bestehen, die in einer der üblichen Ätzlösungen geätzt wird. In einer vorher angebrachten Vertiefung wird eine Galliumkugel von etwa 2 bis 3 mm Durchmesser angebracht. Danach wird die so vorbereitete Galliumquelle bei etwa 1000° C im Vakuum (< 10~³ Torr) ausgeheizt, wodurch z. B. Chloride und niedrige Oxyde entfernt werden. Danach wird die Galliumquelle möglichst sofort zur Diffusion verwendet.

Nach dem Einschieben der. Galliumquelle in die etwa 30 cm lange und einen Durchmesser von etwa 25 mm aufweisende Quarzampulle werden die Abstandsstücke und das Silicium, z. B. 80 bis 100 Siliciumscheiben von etwa 20 mm Durchmesser und 400 μ Dicke, eingeschoben und darauf die· Quarzampulle evakuiert und in einen Ausheizofen eingeschoben.

Bei laufender Vakuumpumpe wird nun das Quarzrohr etwa 1 Stunde bei etwa 1000° C ausgeheizt. Nach langsamer Abkühlung auf etwa 700° C wird das Verschlußstück 9 mit der öffnung verschmolzen, worauf die so vorbereitete Quarzampulle in den Diffusionsofen eingeschoben werden kann.

Der Niederschlag des Halbleitermaterials kann auch in anderer Weise hergestellt werden. Man kann z. B. das Monoxyd des Halbleitermaterials in Pulverform in die Quarzampulle einbringen, durch Erwärmung verdampfen und durch entsprechende Temperaturführung an der gewünschten Stelle niederschlagen. Das. Verfahren kann auch.unter Schutzgas durchgeführt werden. ■ · ', ■ ■

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eindiffundieren von'Gallium in . einen,'. .Körper, aus Halbleitermaterial· der IV. Gruppe des •Periodensystems der .Elemente durch Erwärmen des Halbleiterkörpers ■ und der GalHumquelle,'die in einem Behandlungsgefäß räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eindiflundieren an der Galliumquelle bzw·, an der ' Gefäßwand .im Bereich der Galliumquelle ,ein Niederschlag des' Monoxyds des Halbleitermaterials erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eindiffundieren von Gallium in Silicium in einem Behandlungsgefäß aus Quarz ein Niederschlag von Siliciummonoxyd an der Galliumquelle erzeugt wird, indem das Behandlungsgefäß, im Bereich der Galliumquelle auf einer Temperatur von 1000 bis 1100° C und im Bereich des Siliciumkörpers auf einer Temperatur von mehr als 1200° C gehalten wird. ■

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen