DE1719563C2 - Process for the diffusion of phosphorus into silicon semiconductor wafers. Elimination from: 1280821 - Google Patents
Process for the diffusion of phosphorus into silicon semiconductor wafers. Elimination from: 1280821Info
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Description
i 719 563 ^i 719 563 ^
ι 2ι 2
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eindiffu- bei auf etwa 1260°C steigender Temperatur, die dann
sicm von Phosphor in Halbleiterscheiben aus Silicium etwa 13 Stunden erhalten wird, nur Sauerstoff durch
mit p'n- oder p'p-Struktur, wobei die Dotierung der das Diffusionsrohr geleitet wird,
ρ'-Zone durch Eindiffusion von Bor erzeugt wurde Man erreicht durch das erfindungsgemäße Vcrfah-
und als Dotiersubstanz für die Phosphordiffusion 5 ren, daß auf der Oberfläche der Siliciumhalbleiter-Phosphorhalogenid
verwendet und einem Trägergas scheibe Oxidschichten entstehen, die den Austritt von
beigemischt wird, das ein Diffusionsrohr durchströmt, Boratomen aus den p'-Zonen und den Eintritt in die
in dem sich ein die Scheiben enthaltendes, teilweise η-Seiten verhindern. Die vor der Oxydation durchoffenes
Gefäß befindet. geführte Phosphorprädeposition läßt sich so bc-The invention relates to a method for indiffusion with a temperature increasing to about 1260 ° C., which is then obtained from phosphorus in semiconductor wafers made of silicon for about 13 hours, only oxygen through with a p'n or p'p structure, the doping which the diffusion tube is directed,
ρ 'zone was generated by diffusion of boron. The process according to the invention and as a dopant for phosphorus diffusion achieves that phosphorus halide is used on the surface of the silicon semiconductor and oxide layers are formed on a carrier gas disk, which is mixed in with the A diffusion tube flows through, boron atoms from the p'-zones and the entry into which a partially η-sides containing the disks are prevented. The vessel is open before the oxidation. guided phosphorus predeposition can be
Das Verfahren nach der Erfindung wird insbeson- io messen, daß η'-Zonen entstehen, die an die urspriing-The method according to the invention will in particular measure that η 'zones arise which are attached to the original
dere zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus liehen η-Seiten angrenzen, während die ursprüng-adjoin those for the production of semiconductor wafers from borrowed η-sides, while the original
Silicium mit p+nn+- oder pfpn+-Struktur angewendet, 'ichen p'-Zonen nirgends umdotiert werden. Es zeigtSilicon with p + nn + or p f pn + structure is used, and p-zones are not redoped anywhere. It shows
die in Leistungsgleichrichtern weit verbreitete Verwen- sich, daß die Phosphordiffusion nach der Erfindung zuthe widely used in power rectifiers that the phosphorus diffusion according to the invention
dung finden. keiner wesentlichen Veränderung der Trägerlebens-find application. no significant change in the carrier life
Die Verwendung von Phosphorhalogeniden als 15 dauer führt und daß sich »harte« Sperrkennlinien er-Dotiersubstanzen
für die Eindiffusion von Phosphor geben. Die Ursache hierfür liegt vermutlich darin, daß
in Silicium ist bekannt und vorteilhaft, weil .sich in den praktisch während des ganzen Diffusionsprozesses
diffundierten Scheiben verhältnismäßig hohe Träger- Getterproze^se ablaufen, und zwar Halogen-Gettelebensdauern
in der Größenordnung von 10 μβεο er- rung während der Phosphorprädeposition und angeben.
Außerdem zeigen die pn-Übergänge, die durch so schließend Glas-Getterung durch die bor- und phosdie
Phosphordiffusion erzeugt wurden oder schon vor- phorhaltigen Siliciumoxidschichten.
her vorhanden waren, »harte« Sperrkennlinien. Von An Hand der F i g. 1 bis 4, die in zum Teil schema-Nachteil
ist dagegen, daß Phosphcrhalogenide bei den tischer Darstellung Ausführungsbeispiele für das Verhohen
Temperaturen der Diffusionsprozesse Silicium fahren nach der Erfindung zeigen, sei diese näher erstark
angreifen, indem sie eine Gasätzung der Silicium- 35 läutert,
scheiben in dem phosphorhaltigen Trägergas bewirken. F i g. 1 zeigt ein Diffusionsrohr mit MischtrommelThe use of phosphorus halides as permanent leads and that there are "hard" blocking characteristics er doping substances for the diffusion of phosphorus. The reason for this is probably that silicon is known and advantageous because relatively high carrier getter processes take place in the wafers which are diffused practically during the entire diffusion process, namely halogen getter lifetimes of the order of magnitude of 10 μm during the phosphorus predeposition and specify. In addition, show the pn junctions, which were generated by glass gettering in this way through the boron and phosphorous diffusion of phosphorus, or silicon oxide layers that already contain pre-phosphorus.
"hard" blocking characteristics were present. From on hand of FIG. 1 to 4, which is partly disadvantageous in the scheme, however, that phosphate halides in the table illustration show embodiments for increasing the temperatures of the diffusion processes silicon drive according to the invention, this is attacked more strongly by refining a gas etching of the silicon,
cause disks in the phosphorus-containing carrier gas. F i g. 1 shows a diffusion tube with a mixing drum
Die F i g. 1 unr! 2 zeigen Vorrichtungen, die weiter undThe F i g. 1 unr! 2 show devices that continue and
unten näher beschrieben werden und in denen die F i g. 2 ein Diffusionsrohr mit einseitig offenerare described in more detail below and in which the F i g. 2 a diffusion tube with one side open
Diffusion in geeigneter Wiise vci'genommen werden Ampulle;Diffusion should be taken in a suitable manner. Ampoule;
kann. Die Verwendung eintr derartigen Vorrichtung 30 F i g. 3 zeigt die Gasversorgung für die Phosphorermöglicht, die Gasätzung weitgehend zu unter- diffusion,can. The use of such a device 30F i g. 3 shows the gas supply for the phosphorus enables largely underdiffusion of the gas etching,
drücken und auch bei hohen Temperaturen von etwa F i g. 4 die Phosphorchloridquelle.
1260°C und langen Diffusionszeiten von etwa 10 Stun- Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind Siliciumden
einen phosphorhalogenidhaltigen Trägergasstrom scheiben 1 in eine Mischtrommel 2 aus Quarz einfür
die gesamte Dauer des Diffusionsprozesses auf- 35 gebracht, die in einem Diffusion= r^hr 3, ebenfalls aus
rechtzuerhalten, ohne daß die Siliciumscheiben stark Quarz, untergebracht ist. Die Mischtrommel hat
angegriffen werden. Die Scheibendicke wird dabei nur Löcher zum Gasdurchlaß und Noppen als Mitnehmer
um etwa 1 μπι verringert. für die Scheiben. Das Rohr 3 ist mit einem Gascinlaß-press and also at high temperatures of about F i g. 4 the source of phosphorus chloride.
1260 ° C and long diffusion times of about 10 hours. In the arrangement according to FIG. 1 silicon disks 1 containing a phosphorus halide-containing carrier gas stream are placed in a mixing drum 2 made of quartz for the entire duration of the diffusion process, which can also be obtained in a diffusion = r ^ hr 3, without the silicon wafers being heavily quartz. The mixing drum has been attacked. The thickness of the disk is only reduced by about 1 μm with holes for gas passage and knobs as drivers. for the slices. The tube 3 is equipped with a gas inlet
Es erweist sich jedoch als nachteilig, den phosphor- stutzen 4 und einem Gasauslaßstutzen 5 zur Hindurchhalogenidhaltigen Trägergasstrom für die gesamte 40 führung des phosphorhalogenidhaltigen Trägergases Dauer des Diffusionsprozesses aufrechtzuerhalten, bzw. des Sauerstoffs versehen. Der Diffusionsofen 6 wenn p'n- oder p'p-Scheiben, bei denen die Dotierung dient zur Aufheizung der Siliciumscheiben auf die gedcr ρ'-Zone durch Eindiffusion von Bor erzeugt wurde, wünschte Temperatur. Zum Verschluß der Einfülldurch die Phosphordiffusion eine p'nn1- bzw. p'pn'- öffnung in der Mischtrommel ist ein Stempel 7 vorStruktur erhalten sollen. Es treten dann Dotierungs- 43 gesehen, der in der zylindrischen Achse 8 der Mischstörungen auf, die besonders auffällig sind, wenn man trommel angebracht ist. Diese ist so in das Diffusionsvon p'n-Scheiben ausgeht. Man erhält dann häufig rohr 3 eingesetzt, daß eine Rotation möglich ist. Zur an Stelle der pfnnf-Struktur eine p'npnf-Struktur Bewegung des Stempels 7 zur Mischtrommel hin kann oder gar eine p+np'-Struktur. Als Ursachen dieser in oder an seiner Achse ein Eisenstück 9 befestigt wer-Dotierungsstörungen können folgende Vorgänge an- 5° den, so daß der Stempel 7 über eine außerhalb des gesehen werden: Diffusionsrohres liegende Magnetspule 10 in Achs-Aus den p'-Zonen der eingesetzten Scheiben werden richtung bewegt werden kann.However, it proves to be disadvantageous to maintain the phosphorus nozzle 4 and a gas outlet nozzle 5 for the carrier gas stream containing halide for the entire duration of the diffusion process for the carrier gas containing phosphorus halide, or to provide oxygen. The diffusion furnace 6, if p'n or p'p wafers, in which the doping is used to heat the silicon wafers to the gedcr ρ 'zone, was produced by diffusion of boron. To close the filling through the phosphorus diffusion, a p'nn 1 or p'pn'- opening in the mixing drum is to be provided with a stamp 7 in front of the structure. There then appear doping 43 seen in the cylindrical axis 8 of the mixing disturbances, which are particularly noticeable when a drum is attached. This is so in that diffusion emanates from p'n disks. One then often receives tube 3 inserted that rotation is possible. In order to move the plunger 7 towards the mixing drum in place of the p f nn f structure, a p'npn f structure or even a p + np 'structure. An iron piece 9 attached in or on its axis can cause the following processes, so that the stamp 7 can be seen via a magnet coil 10 located outside the diffusion tube in the axis-out of the p 'zones inserted discs are direction can be moved.
teils durch Ausdiffusion, teils durch die nicht völlig In F i g. 2 sind die mit F i g. 1 übereinstimmenden unterdrückte Gasätzung Boratome frei und diffundie- gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, ren zusammen mit den Phosphoratomen in die n-Sei- 55 Sie unterscheidet sich von der Anordnung nach F i g. 1 ten der p'n-Scheiben ein. Da nun Bor etwas schneller durch Ersatz der rotierenden Mischtrommel 2 durch diffundiert als Phosphor, kann bei genügend hoher eine einseitig offene Ampulle 11, in der die Slilicium-Bordotierung wegen der gemeinsamen Eindiffusion scheiben 1 eng gestapelt eingesetzt sind, wobei die von Bor und Phosphor in die ursprüngliche η-Seite Stapelachse parallel zur Achse des Diffusionsrohres sich eine pfnpnf· oder sogar eine p+np+-Struktur er- 60 liegt. Zur Stapelhalterung ist ein Quarzstab 12 vorgeben, gesehen, partly due to outdiffusion, partly due to the not completely in FIG. 2 are those with F i g. 1 corresponding suppressed gas etching boron atoms free and diffuse-like parts are provided with the same reference numerals, ren together with the phosphorus atoms in the n-side 55 It differs from the arrangement according to FIG. 1st of the p'n disks. Since boron diffuses a little faster through replacement of the rotating mixing drum 2 than phosphorus, an ampoule 11 open on one side, in which the silicon boron doping disks 1 are tightly stacked because of the common diffusion, can be used at a sufficiently high level, with the boron and phosphorus in the original η-side stack axis parallel to the axis of the diffusion tube has a p f npn f · or even a p + np + structure. A quartz rod 12 is provided for holding the stack, seen
fahren zur Eindiffusion von Phosphor in Halbleiter· Ampulle 11 ist vorteilhaft das Ende des Diffusions'drive to the diffusion of phosphorus into semiconductors ampoule 11 is advantageous the end of the diffusion '
scheiben aus Silicium mit p+n- oder pfp-Struktur er* rohrcs mit einem Schliff 13 versehen, auf den dieDisks made of silicon with p + n or p f p structure er * rohrcs provided with a cut 13 on which the
flndungsgernäß dadurch vermieden, daß der phosphor· 6s Kappe 14 gasdicht aufgesetzt ist.This is avoided by the fact that the phosphor · 6s cap 14 is put on in a gas-tight manner.
halogenidhaltige Trägergasstrom nur während des Die Phosphordiffusion kann sowohl in der Anord-Carrier gas stream containing halide only during the The phosphorus diffusion can both in the arrangement
fitwa 90minutigen Aufheizens der Halbleiterscheiben nung nach F i g, 1 als auch in der Anordnung nachfor about 90 minutes heating up the semiconductor wafers according to FIG. 1 as well as in the arrangement according to
ftiu etwa 1200°C aufrechterhalten und anschließend F i g. 2 erfolgen. Im folgenden Beispiel wird die Um·ftiu maintained about 1200 ° C and then F i g. 2 take place. In the following example the order
Wandlung yon p'n-Scheiben in ρ'nn1 -Scheiben durch Phosphordiffusion in der Anordnung nach F i g. I beschrieben.Conversion of p'n disks into ρ'nn 1 disks by phosphorus diffusion in the arrangement according to FIG. I described.
Die Diffusionscharge besteht aus p'n-Scheibcn mit einer Bor-OberflächenkonzeiUration von etwa 10äft Atome · cnTa. Die Dicke der ρ r-Zone beträgt etwa 35 μΐυ, die Ladungsträgerlebensdauer in der rt-Zone etwa 30 μβες. Die ursprünglich n-leitendcn Scheiben hatten durch Bordiffusion eine ρ *np -Struktur und dann durch Abläppen einer ρ -Zone eine p+n-Struktur erhalten.The diffusion charge consists of p'n discs with a boron surface concentration of about 10 uf atoms · cnT a . The thickness of the ρ r zone is about 35 μΐυ, the charge carrier lifetime in the rt zone is about 30 μβες. The originally n-conducting disks had a ρ * np structure by boron diffusion and then a p + n structure by lapping off a ρ zone.
Die Diffusionscharge wird gereinigt, in die Mischtrommel 2 eingefüllt imd dann in das Diffusionsrohr 3, das sich in dem kalten oder auf etwa 600° C gehaltenen Ofen 6 befindet, eingesetzt. Die Trommel wird mit etwa 10 Umdrehungen je Minute gedreht, wobei etwa alle 30 Sekunden der Drehungssinn umgekehrt wird. Als Dotiersubstanz wird Phosphorpentachlorid und »ls Trägergas für das Phosphorpentachrorid Sauerstoff verwendet. Es kann jedoch auch ein inertes Gas, z. B. Argon, an die Stelle von Sauerstoff als Trägergas Ireten.The diffusion charge is cleaned, poured into the mixing drum 2 and then into the diffusion tube 3, which is in the cold or maintained at about 600 ° C furnace 6 is used. The drum comes with rotated about 10 revolutions per minute, the direction of rotation being reversed about every 30 seconds. Phosphorus pentachloride is used as the doping substance and oxygen is used as the carrier gas for the phosphorus pentachloride used. However, it can also be an inert gas, e.g. B. argon, instead of oxygen as the carrier gas Ireten.
Nach F i g. 3 wird Sauerstoff über ein Rotameter 15 und einen Dreiwegehahn 16 zur Phosphorchloridquelle 17 und von dort zum Gaseinlaß 4 des Diffusionsrohres 3 geleitet. Zur Absperrung der Phosphorchloridquelle ist eine Umwegleitung 18 vorgesehen, durch die reiner Sauerstoff in das Diffusionsrohr fließt. In F i g. 4 ist die Phosphorchloridquelle 17 dargestellt. In einen Behälter 19, z. B. aus Aluminium, ist das düsenförmige Gefäß 20 zur Aufnahme des Phosphorpentachlorids eingesetzt. Durch eine Heizplatte 21 kann der Behälter 19 erwärmt werden. Der Sauerstoff wird durch den Stutzen 22 eingeführt und verläßt den Behälter 19 über das Rohr 23 unter Mitnahme von vdrdainpiendem Phosphorpentachlorid.According to FIG. 3 is oxygen via a rotameter 15 and a three-way valve 16 to the phosphorus chloride source 17 and passed from there to the gas inlet 4 of the diffusion tube 3. To shut off the source of phosphorus chloride a bypass line 18 is provided through which pure oxygen flows into the diffusion tube. In Fig. 4, the phosphorus chloride source 17 is shown. In a container 19, e.g. B. made of aluminum, that is nozzle-shaped vessel 20 for receiving the phosphorus pentachloride used. The container 19 can be heated by a heating plate 21. The oxygen is inserted through the nozzle 22 and leaves the container 19 via the pipe 23 while taking with it vdrdainpiendem phosphorus pentachloride.
Die Phosphordiffusion erfolgt derart, daß die Phosphorpentachloridquelle zunächst auf 110cC eihitzt wird. Die Charge in dem Diffusionsrohr 3 wird etwa 3 Stunden lang mit einem Sauerstoffstrom von 20 Litern je Stunde über die Umwegleitung 18 (F i g. 3) gespült. Dann wird der Hahn 16 umgestellt, die aufgeheizte Phosphorpentachloridquelle in Betrieb genommen und das Diffusionsrohr 3 aufgeheizt. Nach etwa 90 Minuten ist ,im Ort der Mischtrommel während des Aufheizvorganges eine Temperatur von 12CO0C erreich*. Nun wird die Phosphorpentachloridquelle abgesperrt und die Charge nunmehr mit reinem Sauerstoff bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Litern je Stunde behandelt, während innerhalb von 30 Minuten die Temperatur am Ort der Mischtrommel auf I2iil) C ansteigt und etwa 13 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird. Zur Beendigung de., Diffusionsprozesses wird der Ofen 6 abgeschaltet. Während der Abkühlungsperiode wird weiterhin Sauerstoff durch dns Diffusionsrohr geleitet. Nach Abkühlung auf etwa 600 C wird die DiffusionsciiargeThe phosphorous diffusion is performed such that the source of phosphorus pentachloride is first eihitzt to 110 C c. The charge in the diffusion tube 3 is flushed for about 3 hours with an oxygen flow of 20 liters per hour via the bypass line 18 (FIG. 3). Then the tap 16 is switched over, the heated phosphorus pentachloride source is put into operation and the diffusion tube 3 is heated. After about 90 minutes, a temperature of 12CO 0 C is reached in the place of the mixing drum during the heating process. The source of phosphorus pentachloride is now shut off and the batch is treated with pure oxygen at a flow rate of liters per hour, while within 30 minutes the temperature at the location of the mixing drum rises to 12 ° C and is held at this temperature for about 13 hours. To end the diffusion process, the furnace 6 is switched off. During the cooling period, oxygen continues to flow through the diffusion tube. After cooling to about 600 ° C., the diffusion charge becomes
ίο aus dem Ofen herausgenommen.ίο taken out of the oven.
Bei Siliciumscheiben, die nach diesem Verfahren behandelt werden, beträgt die Dicke der η -Zone etwa 30μηι .und die Phosphoroberflächenkonzentration etwa 1019 Atome · cm 3. Die ursprünglichen ρ •-Seiten sind nicht umdotiert.In the case of silicon wafers which are treated according to this method, the thickness of the η zone is approximately 30 μm and the phosphorus surface concentration is approximately 10 19 atoms cm 3 . The original ρ • sides are not redoped.
Es ist auch möglich, während der Zeit der Phosphorprädeposition statt Säuerst. T Argon zu verwenden. Während der anschließenden Piffusionszeit wird die Charge jedoch, wie oben beschrieben, mit Sauerstoff behandelt.It is also possible during the period of phosphorus predeposition instead of acid. Use argon. During the subsequent diffusion time, the However, the batch was treated with oxygen as described above.
Claims (4)
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| DE1965L0058296 DE1719563C2 (en) | 1965-04-30 | 1965-04-30 | Process for the diffusion of phosphorus into silicon semiconductor wafers. Elimination from: 1280821 |
Applications Claiming Priority (2)
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| DE1965L0058296 DE1719563C2 (en) | 1965-04-30 | 1965-04-30 | Process for the diffusion of phosphorus into silicon semiconductor wafers. Elimination from: 1280821 |
Publications (2)
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1965
- 1965-04-30 DE DE1965L0058296 patent/DE1719563C2/en not_active Expired
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