DE1280821B - Vorrichtung zur Eindiffusion von Bor und/oder Phosphor in Halbleiterscheiben - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WJWW^ PATENTAMT Int. Cl.:

AUSLEGESCHRIFT

BOlj

Deutsche Kl.: 12 g-17/34

Nummer: 1280 821

Aktenzeichen: P 12 80 821.8-43 (L 50621)

Anmeldetag: 30. April 1965

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Eindiffusion von Bor und/oder Phosphor in Halbleiterscheiben, bestehend aus einem Gefäß, in dem sich die Halbleiterscheiben befinden und das einem bor- oder phosphorhalogenidhaltigen strömenden Gasgemisch ausgesetzt wird.

Die Verwendung von Bor- bzw. Phosphorhalogeniden als Dotiersubstanzen zur Eindiffusion von Borbzw. Phosphor in Halbleiterscheiben, insbesondere aus Silicium, ist bekannt und vorteilhaft, weil sich in den diffundierten Scheiben verhältnismäßig hohe Trägerlebensdauer (Größenordnung 10 μβεσ bei Silicium) ergibt. Außerdem zeigen die pn-Übergänge, die durch die Bor- und/oder Phosphordiffusion erzeugt wurden, »harte« Sperrkennlinien. Nachteilig ist dagegen, daß die Halogenide von Bor und Phosphor bei den hohen Temperaturen der Diffusionsprozesse die Halbleiterscheiben stark angreifen, indem sie eine Gasätzung der Scheibe in dem halogenidhaltigen Gasstrom bewirken. Beispielsweise wird eine etwa ao 500 μιη dicke Siliciumscheibe völlig zerstört, wenn sie in einem offenen Schiffchen gehaltert und bei 1200° C 5 Stunden lang einem BCl₃-Strom von 0,18 l/h ausgesetzt wird, der einem Stickstoff-Trägergas-Strom beigemischt wird.

Zur Erklärung der mit Bor- bzw. Phosphorhalogeniden erreichbaren Lebensdauererhaltung — wenn man von Silicium hoher Lebensdauer ausgeht, z. B. 100 μβεϋ — oder Lebensdauererhöhung—wenn man von Silicium geringer Lebensdauer ausgeht, z. B. 1 μββο — nimmt man an, daß während des Diffusionsprozesses Getterprozesse ablaufen, durch die »Lebensdauertöter«, das sind Fremdstoffe, die in Silicium Rekombinationszentren bilden, vom Silicium abgehalten oder daraus entfernt werden. Man unterscheidet zwischen der »Halogen-Getterung« und der » Glas-Getterung«.

Bei der Halogen-Getterung gehen Lebensdauertöter mit Halogen flüchtige Verbindungen ein und werden im Gasstrom weggeführt. Es handelt sich also um eine vorteilhafte Auswirkung der sonst unerwünschten Gasätzung durch das halogenidhaltige Trägergas, dabei wirkt sicherlich z. B. auch freies, durch thermische Zersetzung der Halogenide entstandenes Halogen als Ätze. Vermutlich werden die Lebensdauertöter nicht nur von der Oberfläche der Siliciumscheiben entfernt — wodurch die Siliciumscheiben an schnell diffundierenden Lebensdauertötern verarmen, sofern solche in den Scheiben bereits vorhanden sind —, sondern auch von den übrigen dem Gasstrom ausgesetzten heißen Oberflächen (Scheibenhalterung, Diffusionsrohr).

Vorrichtung zur Eindiffusion von Bor und/oder
Phosphor in Halbleiterscheiben

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,

6000 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:
DipL-Phys. Edgar Borchert,
Rigobert Schimmer, 4785 Belecke

Bei der Glas-Getterung wirken glasige Deckschichten bestimmter Zusammensetzung auf Silicium als Getter für Lebensdauertöter. Derartige Schichten sollen im BCl₃-Stickstoffstrom unterhalb und um 1100° C entstehen und auch noch nach Abschalten des BClj-Stromes eine Zeitlang wirksam sein. Bekannt ist auch die Getterwirkung glasiger Boroxidbzw. Phosphoroxid-Siliciumoxid-Schichten. Durch derartige Getterprozesse erreicht man auch Schutz vor bzw. Entfernung von Verunreinigungen, die zu schlechten Sperreigenschaften (weiche Kennlinien) führen.

Bei bekannten Verfahren und Untersuchungen zur Eindiffusion von Bor- bzw. Phosphor in Silicium, bei denen als Dotiersubstanzen Bor- bzw. Phosphorhalogenide einem Trägergasstrom beigemischt werden, dient zur Halterung der Siliciumscheiben ein offenes Schiffchen. Damit erhält man befriedigende Ergebnisse, sofern man die Dicke der p+-(Bor)- bzw. n+-(Phosphor)-Zone auf höchstens etwa 10 μιη beschränkt. Mit über etwa 10 μιη hinaus steigenden Dicken der hochdotierten Zonen, d. h. mit steigender Diffusionstemperatur und/oder Diffusionszeit, wird es bei Verwendung eines offenen Schiffchens immer schwieriger, die Halogenide so zu dosieren, daß einerseits die Trägerlebensdauer hoch genug ist und andererseits die Gasätzung der Scheiben in erträglichen Grenzen gehalten wird.

Diese Nachteile werden bei einer Vorrichtung zur Eindiffusion von Bor und/oder Phosphor in Halbleiterscheiben, bestehend aus einem Gefäß, in dem sich die Halbleiterscheiben befinden und das einem bor- oder phosphorhalogenidhaltigen strömenden Gasgemisch ausgesetzt wird, erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Gefäß aus einer zylindrischen rotierenden Mischtrommel, deren Achse in Strömungsrichtung des Gases liegt und die am Zylin-

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dermantel Gasein- und -auslaßlöcher aufweist, oder aus einer entgegengesetzt zur Gasströmung einseitig offenen Ampulle besteht.

Man erreicht durch die Vorrichtung nach der Erfindung, daß die Scheiben vor zu starken Ätzangriffen durch das halogenidhaltige Gas geschützt werden. Man kann einen stark halogenidhaltigen Gasstrom lange Zeit, d. h. mehrere Stunden, bei hoher Scheibentemperatur, z. B. 1260° C, aufrechterhalten und trotzdem die Gasätzung weitgehend unterdrücken. Es hat sich gezeigt, daß trotz der relativ geringen Beaufschlagung der Scheiben eine hohe Dotierung mit Bor bzw. Phosphor erreicht wird Die Oberflächenkonzentration betrug z. B. etwa 10²⁰ bzw. 1 O¹⁹ cm~³. Die vorteilhafte Getterwirkung der Halogenide bleibt voll erhalten.

An Hand der F i g. 1 bis 4, die in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele für die Vorrichtung nach der Erfindung und für deren Anwendung auf die Bordiffusion von Siliciumscheiben zeigen, sei die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Diffusionsrohr mit Mischtrommel und

F i g, 2 ein Diffusionsrohr mit einseitig offener Ampulle;

F i g. 3 zeigt die Gasversorgung für die Bordiffusion und

F i g. 4 die Borbromidquelle.
Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind n-leitende Siliciumscheiben 1 in einer Mischtrommel 2 aus Quarz eingebracht, die in einem Diffusionsrohr 3, ebenfalls aus Quarz, untergebracht ist. Die Mischtrommel hat Löcher zum Gasdurchlaß und Noppen als Mitnehmer für die Scheiben. Dieses Rohr 3 ist mit einem Gaseinlaßstutzen 4 und einem Gasauslaßstutzen 5 zur Hindurchführung des borhalogenidhaltigen Gasstromes versehen. Der Diffusionsofen 6 dient zur Aufheizung der Siliciumscheiben auf die gewünschte Temperatur. Zum Verschluß der Einfüllöffnung in der Mischtrommel ist ein Stempel 7 vorgesehen, der in der zylindrischen Achse 8 der Mischtrommel angebracht ist. Diese ist so in dem Diffusionsrohr 3 eingesetzt, daß eine Rotation möglich ist. Zur Bewegung des Stempels 7 zur Mischtrommel hin kann in oder an seiner Achse ein Eisenstück 9 befestigt werden, so daß die Achse über eine außerhalb des Diffusionsrohres liegende Magnetspule 10 in Achsrichtung bewegt werden kann.

In F i g. 2 sind die mit F i g. 1 übereinstimmenden gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung nach F i g. 1 durch Ersatz der rotierenden Mischtrommel 2 durch eine einseitig offene Ampulle 11, in der die Siliciumscheiben 1 eng gestapelt eingesetzt sind, wobei die Stapelachse parallel zur Achse des Diffusionsrohres liegt. Zur Stapelhalterung ist ein Quarzstab 12 vorgesehen.

Zum Einführen der Mischtrommel 2 oder der offenen Ampulle 11 ist vorteilhaft das Ende des Diffusionsrohres mit einem Schliff 13 versehen, auf den die Kappe 14 gasdicht aufgesetzt ist.

Zur Bordiffusion wird entsprechend F i g. 3 Argon über einen Durchflußmesser 15 und eine Kühlfalle 16, z. B. aus flüssigem Sauerstoff, der Borbromidquelle 17 über einen Dreiwegehahn 18 zugeführt. Es kann jedoch auch über die Umwegleitung 19 und den Dreiwegehahn 20 direkt dem Gaseinlaß 4 des Diffusionsrohres 3 zugeleitet werden.

Die Borbromidquelle 17 ist in F i g. 4 dargestellt. Das aus dem Dreiwegehahn 18 der F i g. 3 kommende Argon strömt durch den Zuführungsstutzen 21 in den Behälter 17 und reißt das in dem düsenförmig ausgebildeten Behälter 22 befindliche verdampfende Borbromid mit, so daß aus dem Ablaßstutzen 23 eine Mischung aus Argon und Borbromid austritt und über den Dreiwegehahn 20 der F i g. 3 in den Gaseinlaßstutzen 4 des Diffusionsrohres 3 (Fig. 1 und 2) einströmt. Das Gefäß mit der Borbromidquelle ist von einem Wassermantel 24 umgeben, durch das das durch einen Thermostaten auf der gewünschten Temperatur gehaltene Wasser fließt. Bei einer Mischtrommel aus Quarz mit einer inneren Länge von etwa 80 mm und einem Innendurchmesser von etwa 33 mm und einem Innendurchmesser des Diffusionsrohres von etwa 50 mm beträgt der Argonstrom etwa 20 l/h für die Gesamtdauer des Prozesses, wobei die BBr₃-Quelle durch den Wassermantel auf 18° C gehalten wird.

Zunächst wird das Diffusionsrohr etwa 1 Stunde gespült, dann wird es auf die Diffusionstemperatur von 1260° C innerhalb von etwa 2 Stunden aufgeheizt, wobei die Zeit von der Auslegung des Ofens abhängig ist. Die Trommel 2 wird gedreht, und zwar vorteilhaft mit etwa 10 U/min, wobei etwa alle 30 Se~ künden der Drehungssinn umgekehrt wird. Die Diffusionszeit beträgt dann etwa 13 Stunden, worauf die Abkühlung durch Abschalten des Ofens erfolgt. Bei etwa 600° C kann die Charge aus dem Diffusionsrohr herausgenommen werden.

Bei derart behandelten Siliciumscheiben betrug die Dicke der durch die Bordiffusion erzeugten p⁺-Zonen etwa 35 μΐη und die Boroberflächenkonzentration etwa 1 · 10^§0 cm"³. Die Ladungsträgerlebensdauer in der η-Zone lag bei 30 μεεα Durch Variation der Diffusionszeiten wurden p+-Zonendicken von 2Q bis 80 μΐη erhalten. Obwohl der borhalogenidhaltige Gasstrom für die Gesamtdauer des Diffusionsprozesses aufrechterhalten wurde, war die Gasätzung gering. Bei einer Diffusionstemperatur von 1260° C und einer Diffusionszeit von 13 Stunden (entsprechend dem gegebenen Beispiel) wurde die Scheibendicke nur um etwa 1 μΐη reduziert. Wurde dagegen an Stelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein offenes Quarzschiffchen zur Halterung der Scheiben verwendet, so wurden die Scheiben unter sonst gleichen Bedingungen stark und ungleichmäßig angegriffen. Es erfolgte eine Verminderung der Scheibendicken teilweise um 10 μΐη und mehr. Die Randpartien waren angefressen, und diese Scheiben waren größtenteils zur Weiterverarbeitung unbrauchbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für die Eindiffusion von Phosphor in Siliciumscheiben verwendet werden. Dabei hat sich Phosphorpentachlorid als eine geeignete Dotiersubstanz erwiesen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Eindiffusion von Bor und/ oder Phosphor in Halbleiterscheiben, bestehend aus einem Gefäß, in dem sich die Halbleiterscheiben befinden und das einem bor- oder phosphorhalogenidhaltigen strömenden Gasgemisch ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß aus einer zylindrischen rotierenden Mischtrommel, deren Achse in Strömungsrich-

tung des Gases liegt und die am Zylindermantel Gasein- und -auslaßlöcher aufweist, oder aus einer entgegengesetzt zur Gasströmung einseitig offenen Ampulle besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischtrommel durch einen bewegbaren Stempel verschließbar ist, der in der zylindrischen Achse der Mischtrommel läuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel von außen magnetisch bewegbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mischtrommel Noppen als Mitnehmer für die Scheiben angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ampullengefäß ein an die Scheiben drückender Quarzstab angeordnet ist, der die Scheiben als Stapel hält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 834 697.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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