DE1302351B - Verfahren zur Ausbildung dotierter Schichten in gegenüberliegenden Flächen einer Halbleiterscheibe - Google Patents

Verfahren zur Ausbildung dotierter Schichten in gegenüberliegenden Flächen einer Halbleiterscheibe

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DE1302351B
DE1302351B DE19641302351D DE1302351DA DE1302351B DE 1302351 B DE1302351 B DE 1302351B DE 19641302351 D DE19641302351 D DE 19641302351D DE 1302351D A DE1302351D A DE 1302351DA DE 1302351 B DE1302351 B DE 1302351B
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Description

scheibe angebracht, wobei der Zusatz des die Leit- Einrichtung nach Fig. 1 in folgender Weise aufge-
fähigkeit verändernden Stoffes größer oder geringer bracht. Die Halbleiterscheibe 30 wird geätzt, ge-
ist als auf der erstgenannten Sdieibenseite. reinigt und getrocknet und sodann auf den Halter 21
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine zur Durch- aufgelegt und in das Rohr 11 eingefühlt. Das Rohr
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete 5 11 wird sodann verschlossen und in die Heizeinrich-
Einrichtung; tung 16 eingeschoben. Die Steuereinrichtung 17 wird
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine andere zur so eingestellt, daß sie im Inneren des Rohres 11 eine
Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung; Temperatur von etwa 730° C aufrechterhält. Die
F i g. 3 bis 7 stellen Schnitte durch eine Halbleiter- meisten organischen Siloxanverbindungen beginnen
scheibe dar, und zwar jeweils nach Durchführung von io bei etwa 600° C sich zu zersetzen. Das zu benutzende
je einem weiteren Verfahrensschritt. inerte Gas kann beispielsweise Stickstoff, Argon,
Eine in F i g. 1 im ganzen mit 10 bezeichnete Ein- Helium od. dgl. sein. Wasserstoff und Wasserstoffrichtung enthält einen in Form eines Rohres 11 aus Stickstoff-Gemische, die als Formierungsgas bekannt feuerfestem Material ausgebildeten Ofen, der bei- sind, können ebenfalls die Trägergase benutzt werden, spielsweise aus hochschmelzbarem Glas od. dgl. be- 15 Im vorliegenden Beispiel wurde als Trägergas Argon stehen kann. Das Rohr 11 ist am linken Ende mit benutzt, und die flüssige organische Siliciumverbineincm Stopfen 12 verschlossen, durch welchen ein dung 24 im Gefäß 23 bestand aus Äthylsilikat. Der Einlaßrohr 13 hindurchgefünrt ist, während das Leitfähigkeitsmodifikator oder Dotierungsstoff berechte Ende ein durch einen Stopfen 14 hindurch- stand aus Trimethylborat. Die Mengen der Siliciumführendes Auslaßrohr 15 aufweist. Das Rohr 11 ist 20 verbindung und des Leitfähigkeitsmodifikators könvon einer Heizeinrichtung 16 umschlossen, die bei- nen so gewählt werden, daß man verschiedene Konspielsweise ein elektrischer Widerstand sein kann. zentrationen des Dotierungsstoffes oder aktiven Ver-Zweckmäßigerweise wird die Temperatur der Heiz- unreinigung in den niedergeschlagenen Siliciumoxydeinrichtung 16 mittels eines Steuergerätes 17 inner- schichten erhält. Im vorliegenden Beispiel bestand halb eines gewünschten Temperaturbereichs gehalten. 25 die Flüssigkeit 24 im Gefäß 23 aus 10 cm;) Athyl-Das Steuergerät. 17 ist zu diesem Zweck über zwei silikat und aus 1 cm3 Triäthylborat.
Leitungen 18 mit der Heizeinrichtung 16 verbunden. Das aus einer Leitung gelieferte Argon wird durch Das Rohr 11 enthält ein aus Quarz bestehendes die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung mit einer Ge-Temperaturmeßelement 19, das durch den Stopfen 14 schwindigkeit von etwa 56640 cm·' pro Stunde hindurchgeführt ist. Das Element 19 kann ein 30 hindurchgeleitet, während die Heizeinrichtung 16 auf Thermoelement sein, welches über zwei Leitungen 20 die gewünschte Temperatur gebracht wird. Während an das Steuergrät 17 angeschlossen ist. Das Element dieser Zeit ist das Gefäß 23 kurzgeschlossen. Wenn 19 trägt einen Halter 21, auf welchen die zu behan- die Temperatur im Rohr 11 730° C erreicht hat, wird delnde Halbleiterscheibe 30 aufgelegt wird. Ein Gefäß das Argongas mittels der Hähne 25 und 26 durch die 23 enthält eine flüssige Siliciumverbindung 24, die bei 35 Flüssigkeit 24 hindurchgeleitet. Die Mischung des Erhitzung Siliciumoxyd liefert. In der Flüssigkeit 24 Dampfes des Äthylsilikats und des Trimethylborats ist ein Stoff gelöst, welcher den Leitfähigkeitstyp des werden durch das Argongas über das Einlaßrohr 13 zu behandelnden Halbleiters modifiziert, d. h. ein in das Rohr 11 eingeführt, in welchem diese Dämpfe Stoff, welcher den betreffenden Halbleiter dotiert. zersetzt werden. Auf der Oberseite 31 der Scheibe 30 Das Einlaßrohr 13 enthält ferner Absperrhähne 25 40 wird somit eine Schicht oder ein Überzug von bor- und 26 für die Eingangsseite und die Ausgangsseite haltigem Siliciumoxyd 33 (F i g. 4) erzeugt und eine des Gefäßes 23. Man kann den in das Einlaßrohr 13 gleichartige Schicht 34 (F i g. 4) auf der Unterseite an seinem linken Ende eintretenden Gasstrom somit 32. Das Trägergas und die übrigen Zersetzungsan dem Gefäß 23 vorbeileiten. Vor dem Gefäß 23 produkte treten dann über das Auslaßrohr 15 wieder liegt ein Gastrockner 27 und ein Meßinstrument 28, 45 aus. Nach etwa 10 bis 20 Minuten, während welcher um den Strom eines inerten Trägergases, welcher in die mit Bor dotierten Siliciumoxydschichten gebildet das Einlaßrohr 13 in Fig. 1 von links eintritt, über- werden, wird der Trägergasstrom mittels der Hähne wachen zu können. Dieses Trägergas kann aus einem 25 und 26 wieder umgeschaltet, das Gefäß 23 also Gasbehälter oder aus einer Gasleitung geliefert wer- wieder kurzgeschlossen und sodann die Heizeinrichden. Das Auslaßrohr 15 führt zu einem Gaswäscher 50 tung 16 abgeschaltet. Wenn die Temperatur im Rohr 29. Das Trägergas passiert also die in F i g. 1 dar- 11 auf etwa 200° C abgefallen ist, kann der Trägergestellte Einrichtung von links nach rechts. Zweck- gasstrom vollständig abgeschaltet werden und die mäßigerweise werden das Einlaßrohr 13, das Auslaß- Scheibe 30 aus dem Rohr 11 entnommen werden,
rohr 15, der Halter 21 und der Gaswäscher 29 aus Die Konzentration des Bors in nur einer der einem feuerfesten Material, beispielsweise aus ge- 55 Siliciumoxydschichten 33 und 34 wird dann erhöht, schmolzenem Quarz, hergestellt. Um dies zu erreichen, wird die Siliciumoxydschicht _ . . . 33 mit einer Lösung einer Borverbindung bestrichen, eisPie beispielsweise mit Borsäure, die in einem geeigneten
Gemäß F i g. 3 wird eine Scheibe 30 aus kristalli- Lösungsmittel, beispielsweise in Zellonlack gelöst ist.
nem Halbleitermaterial mit einer Oberseite 31 und 60 Es wird somit ein Film 35 (Fig. 5), welcher eine
einer Unterseite 32 verwendet, wobei die Abmessun- zusätzliche Menge von Bor enthält, auf der Silicium-
gen und die Leitfähigkeit dieser Scheibe nicht kritisch oxydschicht 33 gebildet.
sind. Im vorliegenden Beispiel besteht diese Scheibe Sodann wird die Scheibe 30 auf etwa 1300° C für
aus einkristallinem Silicium von etwa 0,25 mm Dicke etwa 14 Stunden erhitzt, so daß das Bor aus den
und mit einem spezifischen Widerstand von etwa 20 65 beiden Siliciumoxydschichten 33 und 34 in den an-
bis 40 Ohmzentimeter. grenzenden Teil der Scheibe 30 eindiffundiert. Daher
Auf dieser Scheibe 30 wird ein mit einem Akzeptor wird ein Bereich 38 (Fig. 6), welcher an die Unterdotierter Siliciumoxydüberzug unter Benutzung der seite 32 der Halbleiterscheibe angrenzt, p-leitend, und
zwischen diesem Bereich 38 und dem n-leitenden Rest der Scheibe 30 entsteht eine pn-Sperrschicht 39. Gleichzeitig wird ein Bereich 36 (F i g. 6) angrenzend an die Scheibenoberseite 31 ρ+ -leitend gemacht, und zwischen dem Bereich 36 und dem Rest der Scheibe 30, welcher nach wie vor η-leitend ist, entsteht eine pn-Sperrschicht 37. Die beiden Bereiche 36 und 38, in weiche Bor eindiffundiert ist, sind unsymmetrisch. Der Bereich 36 ist stärker dotiert als der Bereich 38 und hat eine höhere Oberflächenkonzentration von Bor und einen steileren Leitfähigkeitsgradienten, da wegen des Vorhandenseins des Filmes 35 an der Oberseite 31 eine stärkere Eindiffusion von Bor stattgefunden hat als an der Unterseite 32. Im vorliegenden Beispiel ist der Bereich 36 etwa 0,075 mm dick und hat eine Oberflächenkonzentration von etwa 1021 Boratomen je cm3, während der Bereich 38 etwa 0,045 mm dick ist und eine Oberflächenkonzentration von etwa 2 ■ 1018 Boratomen je cm3 besitzt. Die Steilheit der Leitfähigkeitsgradienten im Bereich 36 ergibt sich aus der Abnahme der Borkonzentration im Bereich 36 von 1021 Atomen je cm3 an der Oberfläche auf etwa 1014 Atomen je cm3 an der Sperrschicht 37.
Nun werden die Siliciumoxydschichten 33 und 34 zusammen mit dem Rest der Boroxydschicht 35 durch Ätzung in Flußsäure abgeätzt, so daß die Halbleiterscheibe als p+ np-Scheibe entsteht.
Beispiel II
In gleichartiger Weise kann die Überschußkonzentration des Leitfähigkeitsmodifikators lediglich auf einer Seite der Halbleiterscheibe vor der Anbringung der Überzüge (auf beiden Seiten) dadurch erzielt werden, daß man den Leitfähigkeitsmodifikator auf die Halbleiterscheibe aufstreicht. In diesem Beispiel handelt es sich um eine p-Scheibe. und der Leitfähigkeitsmodifikator ist vom η-Typ, beispielsweise Phosphor, welcher aus P2O5 in Zellonlack gebildet wird. Es wird somit eine n + pn-Scheibe hergestellt.
Beispiel III
Man kann aber auch eine organische Siliciumverbindung durch Wärme zersetzen und die Zersetzungsprodukte in Form eines Strahls auf die Halbleiterscheibe leiten, so daß also die Halbleiterscheibe mit Siliciumoxydschicht überzogen wird. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es nur eine mäßige Erhitzung des Halbleiterkörpers erfordert. Die in Fig. 2 dargestellte entsprechende Einrichtung zeigt weder ein Meßinstrument 28 zur Regelung der Geschwindigkeit des Trägergases, eine Trockensäule 27 zur Reinigung dieses Gases und ein Einlaßrohr 13 mit den Absperrhähnen 25 und 26 für die Kurzschließung eines Gefäßes 23'. Das Gefäß 23' gemäß diesem Beispiel ist etwas anders ausgebildet als das Gefäß 23 in Fig. 1, enthält jedoch eine ähnliche flüssige Mischung 24 aus einer organischen Siliciumverbindung und einem Dotierungsstoff und arbeitet ähnlich wie das Gefäß 23 in F i g. 1. Die organische Siliciumverbindung kann beispielsweise aus Äthyltriäthoxysilan bestehen. Das Einlaßrohr 13 ist wieder an das linke Ende des Rohres 11 angeschlossen. Das Rohr 11 wird ferner von einer Heizeinrichtung 16 umschlossen, welche auf
ίο etwa 700° C geheizt wird, Da die verwendeten Siliciumverbindungen alle bei etwa 6000C sich zersetzen, ist die Ofentemperatur von 700° C ausreichend, um eine Pyrolyse der in den Ofen eingeleiteten Dämpfe zu gewährleisten. Das Gemisch aus dem inerten Trägergas, dem Dotierungsstoff und den Zersetzungsprodukten der organischen Siliciumverbindung treten am rechten Ende des Rohres 11 aus einer Düse 32 in Form eines Strahles aus und treffen somit die Halbleiterscheibe 30. Der Gasstrahl kühlt
ao sich nach dem Verlassen der Düse 32 schnell ab, und die Temperatur des Gasstrahls beim Auftreffen auf die Halbleiterscheibe kann also durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen der Düsenmündung und der Scheibe verändert werden. Für eine Temperatur von etwa 700° C und einen Abstand zwischen der Düse 32 und der Scheibe 30 von etwa 2 mm ist die Temperatur des auftreffenden Gasstrahls noch etwa 15O0C. Man kann dotierte Siliciumoxydschichten nach diesem Verfahren auf der Halbleiterscheibe erzeugen, ohne die Halbleiterscheibe so stark erhitzen zu müssen, wie bei den vorstehend beschriebenen Verfahren. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Halbleiter mit kleiner Energielücke, welche keine hohen Temperaturen vertragen würden.
Es werden also gemäß der Erfindung auf einer kristallinen Halbleiterscheibe von gegebenem Leitfähigkeitstyp zwei einander gegenüberliegende Scheibenseiten präpariert. Eine Siliciumoxydschicht, welche einen entgegengesetzten Leitfähigkeitsmodifikator enthält, wird auf der einen Scheibenseite dadurch hergestellt, daß man nur die eine Scheibenseite mit dem beschriebenen Gasstrahl behandelt. Sodann wird die Menge des Dotierungsstoffes in der flüssigen Mischung erhöht, indem man beispielsweise das Verhältnis des Leitiähigkeitsmodifikators zu der organischen Siliciumverbindung verdoppelt und die andere Seite der Halbleiterscheibe dem Gasstrahl aussetzt. Dabei wird eine dotierte Siliciumoxydschicht lediglich auf dieser Scheibenseite erzeugt, und die Konzentration des Dotierungsstoffes in dieser letzteren Schicht ist größer als die Konzentration des Dotierungsstoffes in der erstgenannten Siliciumoxydschicht. Sodann wird die Scheibe für eine ausreichende Dauer und bei einer geeigneten Temperatur behandelt, um einen Teil des Dotierungsstoffes aus den Siliciumoxydschichten in den Halbleiterkörper einzudiffundieren. Die übrigen Verfahrensschritte sind dann ebenso wie bei den weiter oben beschriebenen Beispielen durchzuführen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
r. π <;

Claims (2)

I 302 351 1 2 138, ist bekannt, daß sich gewisse Siliciumverbindun- Patentansprüche: gen durch Pyrolyse in SiO., zersetzen bzw. daß man Tetraäthylsilicat als Siliciumverbindung sowie ein
1. Verfahren zur Ausbildung dotierter Schich- Trägergas anwenden kann. Ferner ist aus der USA.-ten in gegenüberliegenden Flächen einer Halb- 5 Patentschrift 3 084 079 die Verwendung von Alkylleiterscheibe, bei dem auf diese Flächen je ein trialkoxysilan in Lösung mit Trimethylbcrat als den Dotierstoff enthaltender Siliciumoxydüberzug Dotiermaterial, das sich zu Β.,Ο.. und SiO2 zersetzt, aufgebracht und in einem Diffusionsvorgang der ebenso wie die verschiedenen Konzentrationen, in Dotierstoff aus beiden Überzügen gleichzeitig in denen der Dotierstoff in dem Alkyltrialkoxysilan vordie Halbleiterscheibe eindiffundiert wird, da- io liegt, zu entnehmen. Jedoch wird dort lediglich die durch gekennzeichnet, daß die Silicium- Ausbildung eines einzelnen dotierten Überzuges auf oxydüberzüge durch thermische Zersetzung eines einer einzigen Oberfläche eines Halbleiterkristalls gasförmigen Gemisches, welches dadurch erhalten vorgeschlagen. Ein daran anschließendes Erhitzer, wird, daß ein inertes Trägergas durch eine flüssige der Scheibe bewirkt eine Diffusion des Dotierstoffes organische Siliciumverbindung, die beim Erhitzen 15 sowohl in die eine Scheibenoberfläche als auch in die Siliciumoxyd liefert, geleite;, wird, in welcher als gegenüberliegende Scheibenoberfläche.
einen entgegengesetzten Leitungstyp erzeugender Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Ver-Dotierstoff Trimethylborat oder Triäthylborat ge- fahren zur Ausbildung dotierter Schichten in gegenlöst ist, auf den beiden Flächen der Halbleiter- überliegenden Flächen einer Halbleiterscheibe, bei scheibe als Siliciumoxydüberzüge mit eingelager- 20 dem auf diese Flächen je ein den Dotierstoff enthaltem Dotierstoff derart ausgebildet werden, daß tender Siliciumoxydüberzug aufgebracht und in einem die Konzentration des Dotierstoffes in einem Diffusionsvorgang der Dotierstoff aus beiden Über-Siliciumoxydüberzug höher als in dem anderen zügen gleichzeitig in die Halbleiterscheibe einÜberzug ist. diffundiert wird, mit dem Kennzeichen, daß die
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 25 Siliciumoxydüberzüge durch thermische Zersetzung kennzeichnet, daß die den Dotierstoff enthalten- eines gasförmigen Gemisches, welches dadurch erden Siliciumoxydüberzüge durch Anblasen zu- halten wird, daß ein inertes Trägergas durch eine nächst einer Fläche der Halbleiterscheibe mit dem flüssige organische Siliciumverbindung, die beim Eraus der Siliciumverbindung und dem Dotierstoff hitzen Siliciumoxyd liefert, geleitet wird, in welcher bestehenden Gasgemisch und anschließendes An- 3° als einen entgegengesetzten Leitungstyp erzeugender blasen der anderen Fläche bei gleichzeitiger Er- Dotierstoff Trimethylborat oder Triäthylborat gelöst höhung des Anteils des Dotierstoffs in der ist, auf den beiden Flächen der Halbleiterscheibe als flüssigen organischen Siliciumverbindung und Siliciumoxydüberzüge mit eingelagertem Dotierstoff nachfolgendes Erhitzen der Halbleiterscheibe derart ausgebildet werden, daß die Konzentration des erzeugt werden. 35 Dotierstoffes in einem Siliciumoxydüberzug höher als
in dem anderen Überzug ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Ver-
fahrens geht man so vor, daß man die den Dotierstoff
enthaltenden Siliciumoxydüberzüge durch Anblasen
40 zunächst einer Fläche der Halbleiterscheibe mit dem
Es besteht ein Bedürfnis, Halbleitervorrichtungen aus der Siliciumverbindung und dem Dotierstoff be-
mit drei Schichten und zwei Übergängen herzustellen, stehenden Gasgemisch und anschließendes Anblasen
welche insofern unsymmetrisch sind, als die umge- der anderen Flache bei gleichzeitiger Erhöhung des
wandelten Schichten an den einander gegenüber- Anteils des Dotierstoffes in der flüssigen organischen
liegenden größeren Seitenflächen bezüglich ihrer 45 Siliciumverbindung und nachfolgendes Erhitzen der
Dicke oder ihrer Oberflächenleitfähigkeit (Verunrei- Halbleiterscheibe erzeugt werden,
nigungskonzentration an der Oberfläche) und bezug- Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird
lieh ihres Dotierungsgradienten Leitfähigkeits- die höhere Konzentration des die Leitfähigkeit ver-
gradienten) voneinander abweichen. ändernden Stoffes in dem Überzug auf der einen
Die USA.-Patentschrift 2 854 363 betrifft ein Ver- 5<> Seite der Halbleiterscheibe dadurch erreicht, daß man fahren, bei welchem aus der Schmelze gezogene den die Leitfähigkeit verändernden Stoff lediglich auf Halbleiterkristallstäbe noch während des Ziehens mit dieser Seite der Halbleiterscheibe anbringt. Während auf ihrer Oberfläche aufgebrachten Dotierstoffen eines weiteren Verfahrensschrittes dieses Herstelrundum gleichmäßig dotiert werden. Die USA.- lungsverfahrens werden beide Seiten mit gleichen Patentschriften 2 823149 und 2 981646 beschreiben 55 Beträgen des die Leitfähigkeit verändernden Stoffes Siliciumoxydschichten. die als DiiTusionsbremse ver- versehen. Es erhält daher die eine Seite der HaIbv/endei werden. Nach der deutschen Auslegeschrift leiterscheibe den die Leitfähigkeit verändernden Stoff 056 wird ein Siliciumkristall zusammen mit während beider Verfahrensschritte, während die staubförmigem Siliciumdioxyd erhitzt. Die sich dabei andere Seite der Halbleiterscheibe lediglich beim auf den Oberflächen des Siliciumeinkristalls ab- 6° einen Verfahrensschritt mit diesem Stoff versehen setzende abblätternde Schicht wird entfernt. Die wird. Es entsteht somit auf der einen Seite der deutsche Auslegeschrift 1046 785 betrifft die Her- Halbleiterscheibe eine höhere Konzentration des die stellung von Halbleitervorrichtungen, wobei die Leitfähigkeit verändernden Stoffes.
Halbleiteroberfläche mit einer schmelzbaren metal- Bei einer weiteren Ausführungsform wird lediglich lischen Verbindung bzw. Glasurmaterialverbindung, 65 auf der einen Seite der Halbleiterscheibe ein Überzug die feinverteiltes Aktivatormaterial enthält, über- mit einem gewissen Zusatz von einem die Leitzogen und gebrannt wird. Aus Powell, Camp- fähigkeit verändernden Stoff hergestellt. Sodann wird bell, Gonser, »Vapor-Plating« (1955), S. 137 und ein Überzug auf der anderen Seite der Halbleiter-
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