DE1444536B2 - Verfahren zum diffusionsdotieren eines silicium-halbleiterkristalls - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Halbleiterkristalle aus der Gasphase durch thermische Diffusion von Donatoren und/oder Akzeptoren zu dotieren und dabei für den Dotierungsstoff eine räumlich von dem Halbleiterkristall getrennte Quelle zu verwenden, welche den Dotierungsstoff an die Gasphase abgibt. Dabei kann zwischen dem Halbleiterkistall und der Quelle eine Zone niedrigerer Temperatur als die der Quelle eingeschaltet sein. Weiter ist es bekannt, an der Oberfläche eines Halbleiterkristalls aus Silicium eine Oxydschicht zu erzeugen, welche gewisse Dotierungsstoffe von einem Eindringen in das darunterliegende Halbleitermaterial abhält, während sie für andere Dotierungsstoffe durchlässig ist. Dieser Unterschied wird dahingehend ausgenutzt, daß man durch Fenster in der Oxydschicht lokale Bereiche mit andersartiger Dotierung als die der Umgebung dieser Bereiche erzeugt, während die Dotierung der Umgebung durch einen durch die Oxydschicht hindurchdiffundierten Aktivator erzeugt v/ird.

:Bei allen solchen Diffusionsverfahren ist es üblich,

ίο daß man ein dotierendes Gas auf den auf Diffusionstemperatur erhitzten Halbleiterkristall einwirken läßt. Dabei kann zunächst die Halbleiteroberfläche mit einem dotierungsstoffhaltigen Belag und dieser erst mit der als Diffusionsmaske zu verwendende Oxydschicht abgedeckt werden. Mit einer vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen Diffusionsverfahrens befaßt sich die Erfindung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diffusionsdotieren eines Silicium- oder Siliciumcarbid-Halbleiterkristalls in einem einen Temperaturverlauf aufweisenden rohrförmigen Behandlungsgefäß, wobei ein Trägergas über die erhitzte Dotierungsstoffquelle und anschließend über den bei anderer Temperatur gehaltenen Halbleiterkristall geleitet und dabei der Dotierungsstoff bei einer niedrigeren Temperatur nur wenig in den Halbleiterkristall eindiffundiert, dann die Diffusionsstelle der Halbleiterkristalloberfläche mit einer für den Dotierungsstoff praktisch undurchlässigen Schicht bedeckt und schließlich der Dotierungsstoff bei höherer Temperatur tiefer in den Halbleiterkristall eindiffundiert wird.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß die Dotierungsstoffquelle beim Maximum des Temperaturverlaufs gehalten und die Silicium- oder Siliciumcarbid-Halbleiterkristalloberfläche an Dotierungsstoff abgesättigt wird, bevor mehr als 10 % des insgesamt einzudiffundierenden Dotierungsstoffes um mehr als 1 μπι in den Halbleiterkristall eindiffundiert sind, und daß nach der Ausbildung der für den Dotierungsstoff praktisch undurchlässigen Schicht der Halbleiterkristall an die Stelle des Maximums des Temperaturverlaufs im Behandlungsgefäß gebracht wird.

Hierdurch wird erreicht, daß eine definierte reproduzierbare Menge an Dotierungsstoff in den Halbleiter eingebracht und während des eigentlichen Diffusionsprozesses weder zusätzlicher Dotierungsstoff in den Halbleiter eindringen noch aus demselben abdampfen kann. Man kann also den Siliciumkristall während der eigentlichen Diffusionsbehandlung auch in einem neutralen Gas oder unter Vakuum anordnen. Im Gegensatz zu den Verfahren bekannter Art bringt das erfindungsgemäße Verfahren den zusätzlichen Vorteil, daß alle Arbeitsgänge ohne großen technisehen Aufwand in einer einzigen Apparatur vorgenommen werden können.

An sich besteht die Möglichkeit, das dotierende Gas auf verschiedene Weise zu erzeugen. Bei der Durchführung der Erfindung ist jedoch vor allem an ein Verfahren gedacht, bei dem als Quelle der Aktivator oder eine den Aktivator enthaltende chemische Verbindung so hoch erhitzt wird, daß das Aktivatormaterial in den Gaszustand übergeht. Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die zu dotierenden Halbleiterkristalle sich in einem Behandlungsgefäß befinden, in welchem das dotierende Gas durch ein strömendes Trägergas den zu dotierenden Halbleiterkristallen zugeführt wird. Die Verwendung eines Durchströ-

mungsgefäßes ergibt dann den Vorteil, daß verschiedene Behandlungsgase angewendet werden können, ohne daß dabei ein Wechseln des Behandlungsgefäßes erforderlich ist. Bevorzugt ist die Verwendung zweier Trägergase vorgesehen, wobei das eine Trägergas Argon oder ein anderes Trägergas - insbesondere Sauerstoff - dazu ausersehen ist, eine für den Dotierungsstoff undurchdringliche Barriere an der Halbleiteroberfläche (Si- oder SiC-Oberfläche) zu erzeugen. Anwendbar ist die Erfindung im Prinzip für alle Kombinationen von Halbleiter-Aktivatormaterialien. Als Aktivatormaterial empfiehlt sich besonders die Verwendung von Bor bzw. Phosphor. Falls Verbindungen des dotierenden Elementes angewendet werden, müssen diese so gewählt werden, daß sie unter den anzuwendenden Beladungsbedingungen das für die Dotierung dienende chemische Element, z.B. Bor oder Phosphor, an den Halbleiter abgeben. Es kann auch eine Schicht aus SiO₂ aufgedampft werden.

Im folgenden wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an zwei Beispielen, nämlich einer Bordiffusion und einer Phosphordiffusion, beschrieben. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung läßt sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stets verwenden, wobei die zu einer evtl. Automatisierung des Verfahrens erforderlichen Vorrichtungen ohne große Schwierigkeiten eingesetzt werden können.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Apparatur sieht einen Rohrofen 1 vor, durch den ein Quarzrohr 2 beheizt wird, welches sowohl den Siliciumkristall 3 als auch eine den jeweiligen Dotierungsstoff abgebende Quelle Ö aufnimmt. Über das eine Ende des Rohres (links) können wahlweise Sauerstoff (aus der Bombe 4) bzw. Argon (aus der Bombe 5) dem Quarzrohr durch Trägergas zugeführt werden.

In dem Diagramm gemäß Fig. 2 ist die Temperaturverteilung im Quarzrohr 2 der Anordnung gemäß Fig. 1 dargestellt. Als Abszisse dient dabei in gleichem Maßstab wie in F i g. 1 der Abstand eines Punktes im Innern des Rohres 2 von seinem linken Ende am Eingang in den Ofen, während die Ordinate die jeweilige Temperatur darstellt. Der F i g. 2 zufolge wird während der Beladung der Siliciumkristall 3 auf einer Temperatur von 950° C gehalten, während die Quelle bei der Bordiffusion sich auf einer Temperatur von 1150⁰C befindet.

a) Bordiffusion

Bevorzugt wird eine aus B₂O₃ bestehende Quelle Q verwendet, die auf eine unterhalb ihres Siedepunktes liegende Temperatur, z.B. 1150⁰C erhitzt wird. Diese Temperatur wird so hoch gewählt, daß der durch sie erzeugte Partialdruck an B₂O₃ am Ort des zu dotierenden Halbleiterkristalls 3 genügend groß ist, um die Sättigungskonzentration bezüglich Bor in der Halbleiteroberfläche in mindestens einer halben Stunde, vorzugsweise innerhalb weniger Minuten, zu erreichen. Da erfindungsgemäß die Beladung bis zur Sättigungskonzentration auch bei den höchsten in Betracht kommenden (unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegenden) Temperaturen innerhalb weniger Minuten abgeschlossen ist, läßt sich das Verlangte auf jeden Fall erreichen.

Wird der Siliciumkristall auf eine Temperatur von 950° C und die Quelle Q auf einer Temperatur von 1150⁰C gehalten und die in Fig. 1 dargestellte Anordnungverwendet, so beträgt die Sättigungskonzentration an der Siliciumoberfläche etwa 2.1O²⁰ Boratome/cm³, die bereits in 2 bis 3 Minuten erreicht wird. In der gleichen Zeit sind höchstens 10~³ % der insgesamt eingedrungenen Boratome bis zu einer Tiefe von mehr als 1 μ vorgedrungen.

Sowohl die Quelle Q als auch der Siliciumkristall 3 befinden sich entsprechend der Darstellung in Fig. 1 auf einer Verschiebevorrichtung 6, mit deren Hilfe es möglich ist, den Siliciumkristall 3 nach Beendigung

ίο der Beladung an diejenige Stelle im Ofen 1 zu verschieben, die vorher die Quelle Q innehatte. Nachdem nun der gereinigte Halbleiterkristall und die Quelle Q mittels der Verschiebevorrichtung 6 an die die Temperatur T₀ bzw. T_Q gemäß F i g. 2 aufweisen-

den Stellen im Quarzrohr 2 gebracht sind, wird als Trägergas Argon aus der Bombe 5 durch das Quarzrohr mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 0,5 l/min, bei 36 mm Rohrquerschnitt durch das Quarzrohr geleitet. (Die Strömungsgeschwindigkeit ist an sich weitgehend beliebig.) Bei der Berührung mit der Quelle 2 belädt sich das Argon mit B₂O₃, das dann anschließend bei Kontakt mit der auf die Temperatur T₀ erhitzten Oberfläche des 'Siliciumkristalls 3 elementares Bor an das Silicium abgibt.

Die Temperatur T_Q der Quelle ist, wie bereits angedeutet, nicht kritisch. Es muß nur verlangt werden, daß der von ihr gelieferte Dampfdruck an B₂O₃ genügend groß ist, um die Sättigungskonzentration an der Halbleiteroberfläche zu ermöglichen. Sekundäre Borquellen, z. B. das gegebenenfalls von vorangegangenen gleichartigen Diffusionsprozessen mit Bor beladene Quarzrohr 2, haben dann keinen Einfluß auf die Borkonzentration im Silicium.

Nach Beendigung der Beladung mit Bor wird der Argonstrom ausgeschaltet und der Sauerstoffstrom eingeschaltet (auch hier ist die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb weiter Grenzen frei wählbar). Durch den Sauerstoff wird die Oberfläche des Siliciumkristalls mit einer SiO₂-Schicht überzogen. Da die Diffusionsgeschwindigkeit von Bor in SiO₂ erfahrungsgemäß auch bei sehr nahe am Schmelzpunkt von Silicium liegenden Temperaturen extrem klein ist, wird das Eindringen von neuem Bor aus der den Halbleiter umgebenden borhaltigen Atmosphäre wirksam unterbunden. Außerdem verlagert sich infolge der Anwendung eines nunmehr aus Sauerstoff bestehenden Trägergases das chemische Gleichgewicht der Raktion 2B₂O₃«^4B + 3O₂ zugunsten der Bildung von B₂O₃, so daß die Abgabe von elementarem Bor an den HaIbleiterkristall bereits aus diesen Gründen unterbrochen würde. Dann wird die Schiebevorrichtung 6 im Ofen derart verschoben, daß sich der Siliciumkristall 3 an der Stelle befindet, die vorher die B₂O₃-Quelle Q innehatte. Die Quelle gelangt dann bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Temperaturverteilung auf eine Temperatur von etwa 600° C, so daß auch aus diesen Gründen eine weitere Dotierung unterbunden wird. Unter diesen Bedingungen erfolgt das weitere Eindiffundieren des bereits während des Beladungsprozesses in das Silicium eingebrachten Bors, insbesondere bis zu der vorgesehenen Eindringtiefe. Während dieser Phase findet gleichzeitig eine Verstärkung der Oxidhaut an der Oberfläche des Halbleiterkristalls 3 statt.

b) Phosphordiffusion

Als Quelle empfiehlt sich die Verwendung eines aus P₂O₃ und CaC hergestellten Glases, dessen

Schmelzpunkt sich aus dem Mischungsverhältnis der beiden Oxide ergibt. Dieses wird zweckmäßig so gewählt, daß bei der während der Beladung anzuwendenden Quellentemperatur T_Q, die man vorzugsweise auf 1150⁰C einstellt, das Glas flüssig ist. Sonst hat das Mischungsverhältnis keinen Einfluß auf die anzustrebende Sättigungskonzentration an der Halbleiteroberfläche, die lediglich durch die Temperatur an der Halbleiteroberfläche bestimmt wird. Beispielsweise kann man mit einer Quellenoberfläche von 10 cm² und einer Quellentemperatur T^ von 1150⁰C arbeiten, wenn der Durchmesser des Quarzrohres etwa 36 mm (Innendurchmesser) und die Geschwindigkeit des Trägergases etwa 0,5 l/min beträgt.

Die Temperatur T₀ des Süiciumkristalls 3 bei der Beladung mit Phosphor beträgt zweckmäßig 1050° C. Bei dieser Temperatur ist die Sättigungskonzentration für Phorsphor in Silicium etwa 1,1.10²¹ Atome/cm³; sie wird ebenfalls in wenigen Minuten erreicht.

Die Erfindung läßt sich vor allem bei der Herstellung eines Planar-npn-Siliciumtranistors mit großem Vorteil anwenden. Dabei geht man gewöhnlich von einem η-leitenden scheibenförmigen Siliciumkristall 3 aus, in welchem man eine p-leitende Oberflächenzone durch Eindiffundieren von Bor erzeugt. Dabei kann man mit oder ohne Maskierung arbeiten. Verwendet man eine Maskierung, dann besteht diese zweckmäßig aus SiO₂. Da es nach erfolgter Bordiffusion bei der Herstellung von Planartransistoren üblich ist, die freie Siliciumoberfläche mit einer Oxidschicht zu versehen, kann die in F i g. 1 dargestellte Apparatur mit Vorteil

ίο herangezogen werden. Für die Phosphordiffusion gilt sinngemäß dasselbe. Ohne weiteres kann die Bor- und Phosphordiffusion miteinander kombiniert angewendet werden.

Die Anwendung auf Siliciumcarbideinkristalle verlangt im allgemeinen höhere Temperaturen, was insbesondere im Hinblick auf die Oxydation gilt. Sonst lassen sich die beschriebenen Verfahrensschritte ohne Schwierigkeiten übertragen.

Es ist zweckmäßig, die Beheizung des Quarzrohres 2 derart zu wählen, daß zwischen der Stelle mit der Temperatur T₀ und der Stelle mit der Temperatur T_Q ein monotoner Anstieg der Temperatur stattfindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Diffusionsdotieren eines Silicium- oder Siliciumcarbid-Halbleiterkristalls in einem einen Temperaturverlauf aufweisenden rohrförmigen Behandlungsgefäß, wobei ein Trägergas über die erhitzte Dotierungsstoffquelle und anschließend über den bei einer anderen Temperatur gehaltenen Halbleiterkristall geleitet und dabei der Dotierungsstoff bei einer niedrigeren Temperatur nur wenig in den Halbleiterkristall eindiffundiert, dann die Diffusionsstelle der Halbleiterkristalloberfläche mit einer für den Dotierungsstoff praktisch undurchlässigen Schicht bedeckt und schließlich der Dotierungsstoff bei höherer Temperatur tiefer in den Halbleiterkristall eindiffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsstoff quelle beim Maximum des Temperaturverlaufs gehalten und die Silicium- oder Siliciumcarbid-Halbleiterkristalloberfläche an Dotierungsstoff abgesättigt wird bevor mehr als 10 % des insgesamt einzudiffundierenden Dotierungsstoffes um mehr als 1 μΐη in den Halbleiterkristall eindiffundiert sind, und daß nach der Ausbildung der für den Dotierungsstoff praktisch undurchlässigen Schicht der Halbleiterkristall an die Stelle des Maximums des Temperaturverlaufs im Behandlungsgefäß gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von B₂O₃ als Quelle für das - mit einem Edelgas zu vermischende - dotierende Gas die Absättigung der Oberfläche des Silicium-Halbleiterkristalls bei einer Temperatur der Quelle von etwa 1150⁰C und einer Temperatur des Silicium-Halbleiterkristalls von etwa 950⁰C innerhalb von zehn Minuten, vorzugsweise in etwa sieben Minuten, vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Absättigung der Oberfläche des Silicium-Halbleiterkristalls das Edelgas durch Sauerstoff ersetzt, die Temperatur des Silicium-Halbleiterkristalls auf etwa 1150⁰C erhöht und die der Quelle auf 600⁰C oder weniger abgesenkt wird, indem durch Betätigung einer Verschiebevorrichtung die Dotierungsstoffquelle aus dem Bereich maximaler Temperatur entfernt und der Silicium-Halbleiterkristall statt dessen in diesen Bereich gebracht wird.