DE1544245B2

DE1544245B2 - Verfahren zum Dotieren von Halbleiter korpern

Info

Publication number: DE1544245B2
Application number: DE19661544245
Authority: DE
Inventors: Norman Somerville N.J. Goldsmith (V.StA)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-05-10
Filing date: 1966-05-10
Publication date: 1971-02-11
Also published as: DE1544245A1; ES326459A1; NL149714B; NL6606296A; GB1136304A; SE334946B; US3374125A; BR6679397D0

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren mit der Anreicherung der Innenfläche des Quarzrohres von Halbleiterkörpern, wobei ein die Dotiersubstanz arbeitende Verfahren eignet sich höchstens für die oberflächig enthaltender Träger im Abstand von dem Herstellung von Labormustern und ist für die Ferti-Halbleiterkörper zugleich mit diesem bei Diffusions- gung größerer Stückzahlen wegen seiner Umständlichtemperatur gehalten wird. 5 keit nicht brauchbar. Es vermittelt keinerlei Anregung,

Zur Dotierung von Plättchen aus einem Halbleiter- in welcher Weise das ständige Nachladen der Quarzmaterial ist es bekannt, die Innenfläche eines Quarz- rohroberfläche mit dem Dotiermittel vermieden werden rohrofens durch Temperung bei einer Temperatur von könnte, was bei der Erfindung nicht notwendig ist, da 1100 bis 1200⁰C mit Bor anzureichern. Anschließend die Dotiermittelplättchen ein praktisch unerschöpfwerden die Halbleiterplättchen in den Rohrofen ein- io liches Reservoir für die Abgabe von Dotiermittel dargebracht und im Hochvakuum auf 1200°C erhitzt, stellen. Auch aus dem dritten bekannten Verfahren, wobei das Bor aus der;' Oberfläche des Quarzrohres welches mit Kontaktdiffusion arbeitet, sind nicht ohne wieder freigegeben wird und sich in Dampfform auf weiteres Möglichkeiten zur Vermeidung der bei ihm der Oberfläche der Halbleiterplättchen niederschlägt, auftretenden Nachteile zu sehen, welche einen Hinweis von wo es in die Plättchen hineindiffundiert. Nach 15 auf die Erfindung geben könnten,
einem anderen bekaniiten Verfahren werden Halb- In besonderer Ausgestaltung der Erfindung lassen leiterplättchen in einem Rohrofen erhitzt, durch wel- sich als Träger oberflächig zu den betreffenden Oxyden chen man ein das Dotiermittel enthaltendes Trägergas oxydierte Scheibchen aus den Nitriden des Bors, strömen läßt, wobei sich ebenfalls Dotiermittel an der Galliums, Indiums oder Aluminiums verwenden, die Oberfläche der Halbleiterplättchen niederschlägt und 20 dann zusammen mit den Halbleiterscheibchen in einer in sie hineindiffundiert. Ferner ist es bekannt, Halb- nichtoxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur leiterplättchen Schicht auf Schicht mit Plättchen aus zwischen 600 und 1200° C mindestens 20 Minuten dem gewünschten Dotiermaterial zusammen zu er- lang erhitzt werden.

hitzen, wobei die Diffusion des Dotiermittels in das Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Be-

Halbleiterplättchen hinein erfolgt. 25 Schreibung eines Ausführungsbeispieles· näher erläu-

Der Nachteil des erstgenannten Verfahrens besteht tert. Es zeigt

im wesentlichen darin, daß das Quarzrohr, wenn das F i g. 1 eine Schnittansicht von in einem Ofen zwi-

Bor von seiner Oberfläche abgedampft ist, wieder neu sehen Dotierungsscheiben angeordneten Körpern aus

mit Bor angereichert werden muß. Dadurch wird das Halbleitermaterial,

Verfahren umständlich und zeitraubend. Der Nachteil 30 F i g. 1 a eine vergrößerte perspektivische Ansicht des zweiten Verfahrens besteht in einem relativ großen eines zu dotierenden Körpers aus Halbleitermaterial, Verbrauch an Dotiermittel, während bei dem dritten Fig. Ib eine vergrößerte perspektivische Ansicht bekannten Verfahren der Schichtberührung leicht des Halbleiterkörpers nach F i g. 1 a mit einem einSchäden in der Oberflächenstruktur der Halbleiter- diffundierten Gebiet veränderter elektrischer Eigenplättchen auftreten, die zu späteren Störungen Anlaß 35 schäften,
geben. F i g. 2 ein Diagramm, das den spezifischen Wider-

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung stand in Abhängigkeit von der Temperatur für ver-

in der Schaffung eines Verfahrens zur Dotierung von schiedene Bor-Dotierungszeiten bei Siliciumkörpern

Halbleiterplättchen, bei welchen die vorstehend an- und

geführten Nachteile nicht auftreten. Diese Aufgabe 40 F i g. 3 ein Diagramm, das den spezifischen Widerwird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Träger und stand in Abhängigkeit von der Zeit für Siliciumkörper, Halbleiterkörper als parallel zueinander im Abstand die bei verschiedenen Temperaturen dotiert sind, verbis zu 6,3 mm angeordnete Scheibchen verwendet anschaulicht,
werden. F i g. 1 zeigt einen Ofen 10 für die Verwendung im

Hierbei diffundiert das Dotiermittel von den Träger- 45 Verfahren zum Erzeugen eines Gebietes 12 veränderscheibchen auf kurzem Wege und praktisch ohne große ter elektrischer Eigenschaften in einem Halbleiter-Materialverluste zu den unmittelbar gegenüberliegen- körper 14 aus z. B. monokristallinem Silicium oder den Halbleiterplättchen und diffundiert sofort in diese Germanium (Fig. la und Ib). Der Körper 14 hat hinein. Da sich die Plättchen gegenseitig nicht beruh- vorzugsweise die Form eines Scheibchens. Der Ofen 10 ren, ergeben sich auch keine Fehlstellen in der Platt- 50 besteht aus einem Quarzrohr 16, das an seinem einen chenoberfläche. Ende 18 nach außen offen ist. Das andere Ende 20 des

Keines der bekannten Verfahren läßt erkennen, wie Rohres 16 ist mit einem wärmeisolierenden Stopfen 22 die ihnen anhaftenden Nachteile sich vermeiden lassen abgedichtet. Durch den Stopfen 22 sind zwei Quarzkönnten. Das einzige dieser Verfahren, welches sich röhren 24 und 26 hindurchgeführt, um Sauerstoff bzw. überhaupt für eine fabrikatorische Herstellung dotier- 55 ein nichtoxydierendes Gas durch das Rohr 16 zu ter Halbleiterscheibchen eignet, ist dasjenige, welches schicken, wie noch erläutert werden wird. Ventile 28 ein Trägergas für das Dotiermittel verwendet. Der und 30 sowie Strömungsmesser 32 und 34 sind hinter-Dotierungsgrad läßt sich bei diesem Verfahren jedoch einander in die Röhren 24 bzw. 26 eingeschaltet, um nur über die Konzentration des Dotiermittels im die durch das Rohr 16 zu schickenden Gasströme zu Trägergas und die Strömungsgeschwindigkeit dieses 60 regulieren und zu dosieren. Auf dem Rohr 16 ist eine Gemisches, abgesehen von der Temperatur, einiger- Heizspule 36 sowie eine Isolierhülle 38 angeordnet, maßen genau bestimmen, so daß das Strömen des um das Rohr und seinen Inhalt in bekannter Weise Gasgemisches eine notwendige Voraussetzung für die auf eine gewünschte Temperatur erhitzen zu können. Herstellung eines reproduzierbaren Erzeugnisses ist. Als Quelle des in den Halbleiterkörper 14 einzu-Eine Ersparnis an Dotiermittel, beispielsweise durch 65 diffundierenden Verunreinigungs- oder Dotierungszeitweiliges Abschalten des Gasstromes, ist praktisch stoffes dient ein Oxyd eines Metalls der Gruppe III nicht zu erreichen, weil dabei ein bestimmter Dotie- des Periodischen Systems wie Bor, Gallium, Indium rungsgrad nicht mehr gewährleistet werden kann. Das oder Aluminium. Einige dieser Metalloxyde, wie Bor-

oxyd, sind bei den in Frage kommenden Diffusions-Temperaturen im flüssigen Zustand. Da es im Hinblick auf eine gleichmäßige Dotierung wünschenswert ist, daß sämtliche Punkte der einen Hauptfläche 40 des Halbleiterkörpers 14 gleichen Abstand von der Dotierungsstoffquelle haben, sind Maßnahmen getroffen, um die eine Oberfläche des Metalloxydes im wesentlichen parallel zur Hauptfläche 40 des Halbleiterkörpers 14 anzuordnen. Bei einer Ausführungsform wird ein Nitrid eines Metalls der Gruppe III, beispielsweise Bornitrid, in die Form von Scheiben 42 gebracht, die annähernd gleiche Gestalt, vorzugsweise jedoch etwas größere Abmessungen haben als der Halbleiterkörper 14. Mehrere solche Scheibchen 42 aus Bornitrid werden senkrecht in alternierenden Schlitzen 42 a einer F-förmigen Quarzwanne 44 angeordnet. Die Wanne 44 wird sodann durch das offene Ende 18 in das Rohr 16 des Ofens 10 eingebracht.

Die Oberflächen des Bornitridscheibchens 42 werden oxydiert, indem man sie ungefähr 1 Stunde lang in einem durch die Röhre 24, das Ventil 28 und den Strömungsmesser 32 eingespeisten Sauerstoffstrom auf ungefähr 955⁰C erhitzt. Am Ende dieses Erhitzungsvorganges ist jedes der Bornitridscheibchen 42 mit einem dünnen Belag 46 aus Boroxyd überzogen. Die im Ofen 10 stattfindende Reaktion verläuft nach der folgenden Gleichung:

2 BN 4-3/2 O

N
²

Nunmehr wird das Ventil 28 geschlossen, da eine weitere Oxydation der Scheibchen 42 nicht erforderlich ist. Die Oxydierung der Scheibchen 42 erfolgt in Ab-Wesenheit der Halbleiterkörper 14.

Um in den Halbleiterkörper 14 ein P-leitendes Gebiet 12 einzudiffundieren, werden zunächst in den einzelnen mit den Schlitzen 42 a alternierenden Schlitzen 14a der Wanne 44 je zwei Halbleiterkörper 14 Rücken an Rücken angeordnet. Dadurch wird die Hauptfläche 40 der einzelnen Körper 14 jeweils in parallelem Abstand neben der Hauptfläche 48 eines oberflächenoxydierten Nitridscheibchens 42 angeordnet. Die Flächen 40 der Halbleiterkörper 14 dürfen die Flächen 48 der Scheibchen 42 nicht berühren, da andernfalls narbenartige Bildungen mit unerwünschten Dotierungen auf dem Halbleiterkörper 14 entstehen würden. Andererseits darf die Fläche 40 der einzelnen Halbleiterkörper. 14 von der benachbarten Fläche 48 des entsprechenden oxydierten Scheibchens 42 einen Abstand von nicht mehr als 6,35 mm (250 Mill.) haben.

Wenn der Durchmesser des Ofenrohres 16 z. B. ungefähr 5,08 cm beträgt, können die einzelnen Halbleiterkörper 14 einen Durchmesser von je ungefähr 2,54 bis 3,81 cm haben. Die oxydierten Bornitridscheibchen 42 können einen Durchmesser von je ungefahr 2,54 bis 4,45 cm haben. Die Dicke der Halbleiterkörper 14 kann 0,1 bis 0,51 mm betragen. Die Dicke der oberflächenoxydierten Bornitridscheibchen 42 kann 0,51 bis 2,54 mm betragen. Typische Dickeabmessungen des Halbleiterkörpers 14 und des oxydierten Bornitridscheibchens 42 sind 0,254 mm bzw. 1,524 mm. Bei einem Körper 14 und einem Scheibchen 42 der genannten Art beträgt der Abstand zwisehen der Fläche 40 des Halbleiterkörpers 14 und der Fläche 48 des oxydierten Scheibchens 42 typischerweise ungefähr 1,02 mm.

Die Diffusion des Bors durch die Oberfläche 40 der Halbleiterkörper 14 erfolgt durch Erhitzen der alternierend angeordneten, parallelen Körper 14 und Scheibchen 42 im Ofen 10 auf eine Temperatur zwischen 700 und 1200⁰C in einer nichtoxydierenden Atmosphäre. Um eine solche nichtoxydierende Atmosphäre bereitzustellen, wird ein Inertgas, beispielsweise Argon, Stickstoff, Helium oder Formiergas (10% Wasserstoff und 90% Stickstoff) mit einer Durchsatzrate von ungefähr 0,085 m³ je Stunde durch das Rohr 16 geschickt. Die Durchflußmenge oder der Durchsatz an Inertgas durch das Rohr 16 wird durch das Ventil 30 und den Strömungsmesser 34 reguliert. Obwohl der Belag 46 aus Boroxyd bei diesen Diffusionstemperaturen flüssig ist, ist dieser Belag 46 verhältnismäßig dünn und benetzt lediglich die Oberfläche des Bornitridscheibchens 42, ohne abzulaufen. Die Flächen 40 der einzelnen Halbleiterkörper 14 werden daher im wesentlichen gleichmäßig dotiert. Sämtliche Flächen 40 haben im wesentlichen den gleichen parallelen Abstand von der jeweils benachbarten oxydierten Fläche 48 der Boroxydquelle. Das Boroxyd des Belages 46 verdampft

ao im Temperaturbereich zwischen 700 und 1200°C in so ausreichendem Maße, daß Bor in die Fläche 40 der einzelnen Halbleiterkörper 14 eindiffundiert und dort das P-leitende Gebiet 12 erzeugt, wie in Fig. Ib gezeigt. Die Tiefe des P-leitenden Gebietes 12 hängt von der Temperatur und der Zeitdauer des Erhitzungs-Vorganges ab. Eine Zeitdauer von mindestens 20 Minuten ist erwünscht, um eine gute Kontrolle der Dotie^run^ ^^es Halbleiterkörpers 14 zu ermöglichen.
Das Diagramm nach F i g. 2 zeigt die Änderung des spezifischen Widerstandes des Gebietes 12 in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Behandlungszeiten. Beispielsweise erhält man durch 20 Minuten langes Erhitzen von alternierend und paral-IeI angeordneten Siliciumkörpern 14 und oxydierten Bornitridscheibchen 42 bei 900°C in Argon ein Gebiet 12 mit einem spezifischen Flächenwiderstand von 200 Ohm/Flächenquadrat, bei nicht meßbarer Abweichung über den Bereich der Fläche 40 des Körpers 14 oder von Körper zu Körper. Bei diesem Verfahren

hängt die Änderung der spezifischen Widerstände der Körper 14 hauptsächlich von der Temperatur ab. Hält man die Temperatur im Ofen 10 im wesentlichen konstant, so hängt der spezifische Flächenwiderstand von der Zeitdauer des Aufbringens oder der Diffusionsdauer ab, wie im Diagramm nach F i g. 3 gezeigt. Für die Anfertigung der Diagramme nach F i g. 2 und 3 wurde N-leitendes Silicium mit einem Grunddotierungspegel von 6 · 10¹⁴ Ladungsträgern verwendet.

Das Bor des dotierten Gebietes 12 kann nach irgend-

so welchen bekannten Methoden bis zu einer beliebigen Tiefe in den Körper 14 eingebracht werden. Dies kann z. B. in der Weise erfolgen, daß man die oberflächenoxydierten Scheibchen 42 aus dem Ofen 10 entfernt und die Halbleiterkörper 14 im Ofen 10 solange auf eine Temperatur zwischen 700 und 1200⁰C erhitzt, bis die Aktivierungsstoffe eine gewünschte Diffusionstiefe erreicht haben. Besteht der Körper 14 ursprünglieh aus N-leitendem Halbleitermaterial, so ist der zwischen dem diffundierten P-Gebiet 12 und dem N-Halbleitermaterial gebildete Übergang 50 ein PN-Übergang mit gleichrichtenden Eigenschaften.

Statt oberflächenoxydierter Bornitridscheibchen 42 kann man als Dotierungsquelle für die Halbleiterkörper 14 auch oberflächenoxydierte Scheibchen aus Galliumnitrid, Indiumnitrid oder Aluminiumnitrid verwenden. Wenn die erwähnten Nitride nur in Pulverform zur Verfügung stehen, kann man die Pulver nach bekannten Methoden durch Anwendung von Hitze

und hohem Druck in die Form der Scheibchen 42 verpressen. Das so erhaltene Scheibchen 42 braucht für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren nicht den theoretischen Dichtewert aufzuweisen. GaIr liumnitrid- und Indiumnitridscheibchen 42 können zwecks Bildung eines Belages 48 aus Galliumoxyd bzw. Indiumoxyd in der Weise oxydiert werden, daß man die Scheibchen 15 Minuten lang im Ofen 10 in einem Sauerstoff strom bei ungefähr 700⁰C erhitzt. Die Qxy,-dierung eines Aluminiumnitrjdscheibchens 42 zwecks Herstellung eines Belages 48 aus Äluminiumpxyd kann durch ungefähr lstiindiges Erhitzen des Nitridscheibchens bei 9 5 5 ° C erfolgen.

Das Eindiffundieren von Gallium und Indium als Dotierungsstoffe in die Halbleiterkörper 14 mittels pberflächenoxydierter Gallium- bzw. Indiumnitridscheibchen 42 kann in der- Weise erfolgen, daß man die alternierend und parallel in der Wanne 44 angeordneten Scheibchpn 42'und Körper J4 jrn Ofen 10 mindestens 20 IyIi nuten lang auf eine Temperatur zwischen 6QQ und 1100⁰C erhitzt. Das Dotieren der Halbleiterkörper 14 mit Aluminium kann in der Weise erfolgen, daß man die alternierend und parallel in der Wanne 44 angeordneten oxydjerten Aluniim'umnitridscheibchen. 42 und Halbleiterkörper I4 im Ofen IQ mindestens 20 Minuten lang auf eine Temperatur zwischen lioo und 13QO⁰C erhitzt.

Statt die Oberflächen der Nitrids.cheibchen 4? in einem Sauerstoffstrom im Ofen IQ zu oxydieren, kann das Oxydieren auch auf andere Weise erfolgen, wobei dann die Scheibchen 42 für den Diffusionsvorgang in der in F i g. 1 gezeigten Weise alternierend und parallel mit den Halbleiterkörpern 14 angeordnet werden. Beir .spielsweise kann die Oberflächenoxydation eines Scheibr chens aus Bornitrid 42 durch YaStündiges Kochen des Scheibchens in einer verdünnten basischen Lösung erfolgen. Als verdünnte basische Lösung kann man Natrmmhydrpxyd verwenden. Das Oxydieren der Oberfläche eines Bornitridscheibchens 42 kann auch durch Waschen des Schejbphens in heißem Wasser oder- durch Erhitzen des Scheibchens in Wasserdampf pis zum Sichtbarwerden <j?s Boroxydbelages 46 erfolgen.

Sobald der Boroxydbelag 46 auf dem Nitridscheibchen 42 gebildet ist, sind keine weiteren aktiven Verfahrensschritte zum Oxydieren der Oberfläche des Scheibchens 42 mehr erforderlich, da die Spuren von Sauerstoff, die in dem beim Diffusionsvorgang verwendeten Inertgas vorhanden sind, ausreichen, um das während des Diffusionsvorganges verdampfte Oxyd auf dem Belag 46 zu ersetzen. Auch findet eine ausreichende Oxydation des. Scheibchens 42 statt, wenn die Wanne 44 aus dem Ofen 10 herausgenommen wird, um die dotierten Halbleiterkörper 14 zu entfernen. Das Nitridscheibchen 42 bildet daher gewissermaßen eine sich selbst ergänzende D otierungsstoffquelle. Die Scheibchen 42 sind unter den genannten Bedingungen praktisch unerschöpflich, und es wird für das erfindungsgemäße Diffusionsverfahren weit weniger Dotierungsstoff verwendet als bei den erwähnten vorbekannten Verfahren.

Wenn d.ie Halbleiterkörper 14 aus Germanium sind, sollte die Temperatur des Ofens IQ während des Diffusionsvorganges unterhalb des Schmelzpunktes des Germaniums (936⁰C) gehalten werden.

Claims

Patentansprüche: ·

1. Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkörpern, wobei'ein die Dotiersubstanz oberflächig enthaltender Träger im Abstand yon dem Halbleiterkörper zugleich mit diesem bei Diffusionstemperatur gehalten wird, dadurchgekennzeichn e t, daß Träger und Halbleiterkörper als parallel zueinander im Abstand bis zu 6,3 mm angeordnete Scheibchen verwendet werden.

2. Verfahren n$ch Anspruch 1, dadurch ge-. kennzeichnet, daß als Träger oberflächig zu dem betreffenden Oxyden oxydierte Scheibchen aus den Nitriden des Bors, Galliums, Indiums oder Aluminiums verwendet und diese zusammen mit den Halbleiterscheibchen in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bei ejner Temperatur-zwjsehen 6QP und 12Q0°C mindestens iÖMinuteii lang erhitzt werden, " /

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen