DE1289189B - Verfahren zum Eindiffundieren von Stoerstellen in einen Halbleiterkoerper - Google Patents

Description

• In der Halbleitertechnologie hat die Diffusionstechnik eine große Bedeutung. In Verbindung mit der Maskentechnik lassen sich auf genau festgelegtem Raum reproduzierbar Halbleiterkörper in bestimmter Tiefe höher dotieren oder gegendotieren.
• In den bekannten Diffusionsverfahren wird im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in Edelgasen oder anderen Inertgasen, in einem Ofen das zu diffundierende Dotierungsmaterial verdampft und in einem anderen Ofen das durch Eindiffusion zu dotierende Halbleitermaterial auf einer bestimmten Diffusionstemperatur gehalten. Die Höhe dieser Temperatur und ihre Einwirkungszeit bestimmen im wesentlichen die Diffusionstiefe und das Diffusionsprofil, d. h. den Verlauf der Einbaukonzentration des Dotiermaterials zur Diffusionstiefe hin, = wobei -. die Vorgänge materialabhängig sind.
• Bei diesen Diffusionsverfahren ist das zur Diffusion zu verdampfende Dotierungsmaterial in Tiegeln eingebracht. Es läßt sich erfahrungsgemäß nicht verhindern, daß sich beim Auffüllen der Tiegel und beim Belüften der Verdampfungs- und Diffusionsapparatur Verunreinigungen des Dotiermaterials ergeben, die von verschiedener Art sein können. Diese Verunreinigungen dampfen beim Aufheizen ab und schlagen sich zu einem Teil auf dem zu dotierenden Halbleiterkörper nieder. Die Diffusionsergebnisse sind aus diesem Grunde meist recht unterschiedlich und oft nicht reproduzierbar.
• Ferner ist bereits das Pulverdiffusionsverfahren bekannt, bei dem ein Halbleiterkörper in dotierte Pulvermischungen eingeschlossen wird. Diese Festkörper-Festkörper-Diffusion eignet sich besonders für Halbleiterscheiben, die über ihren ganzen Querschnitt eine bestimmte gleichmäßige Dotierung erhalten sollen. Für Diffusionen in begrenzten Gebieten ist dieses Verfahren ungeeignet.
• Das Verfahren zum Eindiffundieren von Störstellen in einen Halbleiterkörper nach der Erfindung eignet sich für Diffusionen in begrenzten Gebieten und verhindert Störungen, die'durch-Verunteinigungen hervorgerufen werden. Das vorliegende Verfahren besteht nach der Erfindung darin, daß ein Trägerkörper mit Dotierungsmaterial versetzt und anschließend als Diffusionsquelle mit dem zu dotierenden Halbleiterkörper, eventuell unter Zwischenschaltung einer für die Dotierungsmaterialien an bestimmten Stellen undurchlässigen Abdeckmaske, in enge Berührung gebracht wird und daß anschließend aus dem Trägerkörper Störstellen in den Halbleiterkörper eindiffundiert werden. Als Diffusionsquelle wird vielfach ein Trägerkörper aus einem Grundmaterial verwendet, in dem keine störenden Verunreinigungen enthalten sind und der mit einem Dotierungsmaterial- bis -zur gewünschten Konzentration versetzt ist. Wird dieser Trägerkörper anschließend wieder aufgeheizt, so stellt sich über ihr in einem abgeschlossenen Raum ein Dampfpartialdruck des Dotierungsmaterials ein, unter dem die Diffusion durchgeführt wird. Die Auswahl der bei diesem Prozeß beteiligten Stoffe wird so getroffen, daß die Ausdiffusion des Dotierungsmaterials aus der festen Phase des Trägerkörpers geschieht. Der mit Dotierungsmaterial versetzte Trägerkörper wird bei der Diffusion in enge Berührung mit dem zu dotierenden Halbleiterkörper gebracht. Es läßt sich beispielsweise zu diesem Zweck eine Diffusionsquelle in der Weise herstellen, indem eine Schicht reinen Dotierungsmaterials auf einen Trägerkörper aufgebracht wird, etwa in einem Aufdampfprozeß, und dieses Material dann in das Trägermaterial einlegiert wird. In diesem Fall werden die Verunreinigungen, die wie üblich aus dem Tiegel herausdampfen, zunächst einmal von dem verdampfenden und anschließend kondensierenden Dotierungsmaterial und außerdem von dem Trägermaterial gegettert, so daß in einem nachfolgenden Verdampfungsprozeß aus der Schicht heraus keine störenden Verunreinigungseffekte mehr auftreten. Meßergebnisse zeigen, daß nach diesem Verfahren die sich einstellenden Sperrspannungen nahe an die theoretischen Werte herankommen.
• Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Trägermaterial und das in der Diffusion zu dotierende Halbleitermaterial das gleiche ist, wobei vorteilhafterweise das Halbleitermaterial für den Trägerkörper zunächst undotiert ist. Dies läßt sich jedoch nur schwer verwirklichen. Für den normalen Fall, bei dem das Halbleitermaterial für den Trägerkörper verunreinigt ist, muß -gefordert werden, daß die Konzentration und die Diffusionskönstante in bezug auf das Halbleitermaterial für das Verunreinigungsmaterial kleiner ist als für das Diffusionsmaterial, da sich sonst das gewünschte Diffusionsprofil nicht etstellen kann. -Bei dem verwendbaren- Trägermaterial kann die Dotierung vorzugsweise durch Diffusion auch in der ganzen Tiefe des Trägers erfolgen. Andererseits ist als Diffusionsquelle bei dem vorliegenden Verfahren eine Scheibe eines bei der Herstellung schon entsprechend hochdotierten Halbleiterkristalls möglich. Als Dotierstoffe zu dieser Vordotation der Diffusionsquellen eignen sich nur Stoffe oder Stoffgemische, die bei den Bedingungen der nachfolgenden Hauptdiffusionsprozesse eindeutige Ergebnisse erbringen können.
• Das Verfahren wird, wie bei Diffusionsverfahren üblich, im Vakuum oder in einer geeigneten, sehr reinen Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in Edelgasen oder anderen Inertgasen; durchgeführt. Dabei ist zu beachten, daß die Reinheit der umgebenden Atmosphäre maßgeblich das Diffusionsergebnis beeinflußt.
• Es ist ein Vorteil des Verfahrens, daß in einem Tantalrohr, das sich in einer gleichmäßig heißen Zone des Diffusionsofens befindet, beliebig viele Pakete, bestehend aus- je einem Trägerkörper als Diffusionsquelle und einem in der Diffusion zu dotierenden Halbleiterkörper, eingelagert werden können. Dabei stehen alle der Diffusion ausgesetzten Halbleiterkörper unter denselben Umgebungsbedingungen. Die eingestelle Diffusionstemperatur bestimmt zunächst einmal den Partialdampfdruck des Diffusionsmaterials in der umgebenden Atmosphäre. Das sich nun ausbildende Diffusionsprofil ergibt sich in allen Paketen gleichmäßig durch dieselbe Diffusionstemperatur und dieselbe Diffusionszeit. Die Versuche haben ergeben, daß die Trägerkörper mehrmals als Diffusionsquelle verwendet werden können.
• Durch das vorliegende Verfahren lassen sich auch vordotierte Halbleitermaterialien gegendotieren oder höher dotieren, d. h., durch die Diffusion können auf diese Weise Sperrschichten oder Zonen höherer oder niederer Leitfähigkeiten, insbesondere Zonen mit einem Driftfeld eingebaut werden. Jedoch sind die physikalischen Daten wie Partialdampfdruck, Konzentration und Diffusionskonstanten bei den vorliegenden Verhältnissen, die durch das verwendete Halbleitermaterial und die Dotiermaterialien sowie durch die Diffusionstemperatur gegeben sind, aufeinander abzustimmen.
• Soll durch das Diffusionsverfahren der Halbleiterkörper nur an bestimmten Stellen dotiert werden, so ist die Oberfläche während der Diffusion durch eine für die Dotiermaterialien undurchlässige Maske abzudecken. Auf diese Weise lassen sich auf einer Halbleiterscheibe mit dem vorliegenden Verfahren eine Vielzahl von einzelnen Bauelementen wie z. B. Dioden oder Transistoren herstellen.
• Für das vorliegende Verfahren eignen sich sowohl Element- als auch Verbindungshalbleiter als Materialien für den Trägerkörper und für den zu dotierenden Halbleiterkörper. Bei der Zusammenstellung der zu verwendenden Dotierungsmaterialien müssen die physikalischen Konstanten aneinander angepaßt werden.
• In dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll nun die Erfindung näher erläutert werden. Als Halbleitermaterial für den als Diffusionsquelle dienenden Trägerkörper und für das zu dotierende Halbleitermaterial ist Germanium gewählt worden. Der Aufbau des Paketes aus einem Schichtkörper als Diffusionsquelle und einer maskierten Germaniumscheibe ist in der Figur dargestellt.
• Auf die in einem Tantalrohr befindliche Germaniumscheibe 1 ist eine Schicht, beispielsweise aus Antimon, Arsen, Phosphor oder Wismut, aufgedampft. Dieser Prozeß kann gleichzeitig an vielen Scheiben durchgeführt werden. Diese aufgedampfte Schicht wird nun einlegiert, wobei die mit Dotationsmaterial angereicherte Zone 2 in der Germaniumscheibe entsteht. Oberhalb dieser Zone 2 bleibt unter Umständen nach dem Legierungsvorgang eine ungelöste Schicht von Dotierungsmaterial liegen, die vor der Diffusion im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre abgedampft wird. Scheibe 1 wird dann mit seiner Schicht 2 auf eine Scheibe 3 gelegt. Sie ist an ihrer Oberfläche teilweise durch eine Schutzmaske 4 abgedeckt, die für das abdampfende Dotierungsmaterial undurchlässig ist. Beliebig viele solcher Pakete können nun in eine gleichmäßig heiße Zone des Diffusionsofens gestapelt werden und der Diffusionstemperaturbehandlung unterworfen werden. Dabei diffundiert das Dotierungsmaterial an den freien Stellen in die Oberfläche der zu dotierenden Germaniumscheibe, wobei die höherdotierten oder gegendotierten Gebiete 5 entstehen. Damit sind auf diese Weise eine Vielzahl von Dioden gleichzeitig in einem Arbeitsgang entstanden, die z. B. bei Verwendung von Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 2 S2 - cm durchweg eine Sperrspannung von 40 bis 60 V aufweisen. Je nach dem Verwendungszewck wird die Germaniumscheibe schließlich von ihrer Abdeckmaske befreit und dann in einzelne Elemente oder Gruppen von Elementen zerlegt.
• Man kann auch die Schicht 2 durch einen Diffusionsprozeß in der Scheibe 1 erzeugen. Im Grenzfall kann man diesen Diffusionsprozeß so steuern, daß die Schicht 2 so dick wird, daß sie die ganze Dicke der Scheibe 1 einnimmt. Den gleichen Effekt erzielt man, wenn man Scheiben 1 mit dem Dotierungsmaterial in entsprechend großer Dicke im Vakuum belegt und zur Diffusion auf die Scheibe 3 legt.

Claims (15)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungsmaterial in einen Halbleiterkörper, d adurch gekennzeichnet, daß ein Trägerkörper mit Dotierungsmaterial versetzt und anschließend als Diffusionsquelle mit dem zu dotierenden Halbleiterkörper, eventuell unter Zwischenschaltung einer für die Dotierungsmaterialien an bestimmten Stellen undurchlässigen Abdeckmaske, in enge Berührung gebracht wird und daß anschließend aus dem Trägerkörper Dotierungsmaterial in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper dadurch mit Dotierungsmaterial versetzt wird, daß auf ihn eine Schicht aus Dotierungsmaterial aufgebracht und anschließend in den Trägerkörper einlegiert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial auf den Trägerkörper aufgedampft wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerkörper eine Scheibe aus undotiertem Halbleitermaterial verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Trägerkörper dotiertes Halbleitermaterial verwendet wird, essen bereits vorhandene Störstellen eine wesentlich geringere Konzentration und eine kleinere Diffusionskonstante als das Dotierungsmaterial, bezogen auf das Halbleitermaterial, haben.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper in seiner ganzen Tiefe durch Diffusion mit Dotierungsmaterial versehen wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Diffusionsquelle eine Scheibe eines bereits bei der Herstellung entsprechend hochdotierten Halbleiterkristalls verwendet wird. B.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion im Vakuum durchgeführt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Diffusion in eine gleichmäßig heiße Zone des Diffusionsofens beliebig viele Pakete, bestehend aus je einem Trägerkörper als Diffusionsquelle und einem durch Diffusion zu dotierenden Halbleiterkörper, eingelagert werden.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper mehrmals als Diffusionsquelle verwendet wird.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Eindiffundieren von einen bestimmten Leitungstyp erzeugendem Dotierungsmaterial aus dem als Diffusionsquelle verwendeten Trägerkörper in einen Halbleiterkörper von entgegengesetztem Leitungstyp eine Sperrschicht oder eine Zone niedriger Leitfähigkeit entsteht.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch Eindiffundieren von einen bestimmten Leitungstyp erzeugendem Dotierungsmaterial aus dem als Diffusionsquelle verwendeten Trägerkörper in einen Halbleiterkörper desselben Leitungstyps Zonen höherer Leitfähigkeit, insbesondere Halbleiterzonen mit einem Driftfeld entstehen.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Halbleiterscheibe eine Vielzahl von einzelnen Dioden oder Transistoren durch Diffusion hergestellt werden.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsmaterial für den Trägerkörper einerseits und für ;den zu dotierenden Halbleiterkörper andererseits sowohl Element- als auch Verbindungshalbleiter verwendet werden.