DE1794319B2

DE1794319B2 - DISC-SHAPED BORON OR INDIUM DOCUMENT SOURCE

Info

Publication number: DE1794319B2
Application number: DE19661794319
Authority: DE
Inventors: Norman Somerville N J Goldsmith (V St A)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-05-10
Filing date: 1966-05-10
Publication date: 1973-09-06
Also published as: DE1794319A1

Description

Die Erfindung betrifft eine scheibenförmige Bor- oder Indiunu'otierstoffquelle für die Dotierung von Halbleiterplättchen.The invention relates to a disk-shaped boron or Indiunu'otierstoffquelle for doping Semiconductor wafers.

Aus der belgischen Patentschrift 552 316 und der Zeitschrift »Journal of the Electrochemical Society«, S. 547 bis 552 ist die Verwendung von Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Boroxid und Galliumoxid zu Dotierzwecken bekannt. Derartige Dotierstoffe sind jedoch nicht hitzebeständig und lassen sich daher nicht unmittelbar als Feststoff zur direkten Dotierung von Halbleitermaterialien verwenden. 3"From the Belgian patent 552 316 and the journal "Journal of the Electrochemical Society", Pages 547 to 552 disclose the use of silicon oxide, aluminum oxide, boron oxide and gallium oxide for doping purposes. Such dopants are however, they are not heat-resistant and therefore cannot be used directly as a solid for the direct doping of semiconductor materials. 3 "

Zur Dotierung von Halbleiter! irpern aus Silizium oder Germanium mit p-leitenden Dotierstoffen wird nach einem Vorschlag in einer nichtoxidierenden Atmosphäre ein scheibenförmiger Formkörper mit einer Oberflächenschicht aus einem Oxid des Bors, Galliums, Indiums oder Aluminiums neben und in geringem, praktisch parallelem Abstand von der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterkörpers ingeordnet, und der Formkörper und der Halbleiterkörper werden auf eine Temperatur erhitzt, bei wel- eher das Metalloxid verdampft und aas Metall des Oxids in den Halbleiterkörper eindiffundiert.For doping semiconductors! err from silicon or germanium with p-type dopants is proposed in a non-oxidizing Atmosphere a disk-shaped molded body with a surface layer made of an oxide of boron, Gallium, indium or aluminum next to and at a small, practically parallel distance from the Surface of the semiconductor body to be doped, and the shaped body and the semiconductor body are heated to a temperature at which rather the metal oxide evaporates and the metal of the oxide diffuses into the semiconductor body.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines derartigen Formkörpers und eines Verfahrens zu seiner Herstellung, welche* die unmittel- bare Verwendung auch solcher Dotierstoffoxide ermöglicht, welche bei den Dotiertemperaturen nicht mehr fest sind. Dadurch soll insbesondere ermöglicht werden, daß bei der Dotierung sämtliche Punkte der zu dotierenden Oberfläche des Halbleiterkörpers sich in gleichem Abstand von der Dotierstoffquelle befinden, so daß eine sehr gleichförmige Dotierung erzielt wird. The object of the invention consists in creating a shaped body of this type and a method for its production which enables the direct use of dopant oxides which are no longer solid at the doping temperatures. This is intended in particular to enable all points on the surface of the semiconductor body to be doped to be at the same distance from the dopant source during doping, so that very uniform doping is achieved.

Diese Aufgabe wird bei Verwendung einer scheibenförmigen Bor- oder Indiumdotierstoffquelle für die Dotierung von Halbleiterplättchen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Scheibchen aus einem Nitrid des Bors bzw. Indiums besteht und einen dünnen Belag aus Bor- bzw. Indiumoxid aufweist. Da das Bor- und Indium-Nitrid bei den Dotiertemperaturen fest ist, steht somit ein formbeständiger Dotierstoffkörper zur Verfügung, der unmittelbar benachbart der zu dotierenden Oberfläche des Halbleiterkörpers parallel zu dieser angeordnet werden kann und von dessen oxidierter Oberfläche aus das , diese Oberfläche benetzende Dotierstoffoxid unmittelbar auf die zu dotierende Halbleiteroberfläche kann, wobei die von den Dotierstoffoxidteilchen zurückgelegte tntfernung zwischen Dotierstoffscheibchen und Halbleiteroberfläche überall gleich groß ist, so daß eine sehr gleichmäßige Dotierung erreicht wird.When using a disk-shaped boron or indium dopant source for doping semiconductor wafers, this object is achieved according to the invention in that the disk consists of a nitride of boron or indium and has a thin coating of boron or indium oxide. Since the boron and indium nitride is solid at the doping temperatures, a dimensionally stable dopant body is available, which can be arranged directly adjacent to the surface of the semiconductor body to be doped and parallel to it, and the dopant oxide wetting this surface directly from its oxidized surface onto the semiconductor surface to be doped, the distance covered by the dopant oxide particles between the dopant disc and the semiconductor surface being the same everywhere, so that a very uniform doping is achieved.

Ein zweckmäßiges Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße scheibenförmige Bor- oder Indiumdotierstoffquelle besteht darin, daß das Scheibchen aus Bor- bzw. Indium-Nitrid oberflächig oxidiert wird. Hierzu kann man das Scheibchen als Preßkörper aus Bor- oder Indiumnitridpulver herstellen und anschließend im Sauerstoffstrom oder in einer verdünnten basischen Lösung, z. B. von Natriumhydroxyd, erhitzen, so daß eine oberflächige Oxydation eintritt. Das Oxydieren kann außerdem durch Erhitzen in Wasserdampf oder durch Waschen mit heißem Wasser erfragen.An expedient manufacturing method for the disk-shaped boron or indium dopant source according to the invention consists in the fact that the disk made of boron or indium nitride is oxidized on the surface will. For this purpose, the disc can be produced as a compact from boron or indium nitride powder and then in a stream of oxygen or in a dilute basic solution, e.g. B. of sodium hydroxide, heat so that superficial oxidation occurs. Oxidizing can as well ask by heating in steam or by washing with hot water.

Bei der anschließenden Verwendung als Dotierstoffquelle wird der dünne Oxidüberzug bei der Dotiertemperatur flüssig, haftet aber an dem festen Dotierstoffnitridkörper, so daß dessen beständige Form die räumliche Lage des Dotierstoffoxides hinsichtlich der zu dotierenden Halbleiteroberfläche er möglicht. Wenn das Dotierstoffoxid verbraucht ist, läßt sich der N'iridkörper in sehr einfacher Weise oberflächig nachoxidieren und kann dann erneut verwendet werden. When subsequently used as a dopant source, the thin oxide coating becomes liquid at the doping temperature, but adheres to the solid dopant nitride body, so that its stable shape enables the spatial position of the dopant oxide with respect to the semiconductor surface to be doped. When the dopant oxide is used up, the nitride body can be reoxidized on the surface in a very simple manner and can then be used again.

In den Zeichnungen zeigtIn the drawings shows

F i g. 1 eine Schnittansicht von in einem Ofen zwischen Dotierungsscheiben angeordneten Körpern aus Halbleitermaterial,F i g. 1 shows a sectional view of bodies arranged in a furnace between doping disks made of semiconductor material,

F i g. 1 a eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines zu dotierenden Körpers aus Halbleitermaterial,F i g. 1 a is an enlarged perspective view of a body to be doped made of semiconductor material,

Fig. Ib eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Halbleiterkörpers nach F i g. 1 a mit einem eindiffundierten Gebiet veränderter elektrischer Eigenschaften.Fig. Ib is an enlarged perspective view of the semiconductor body according to FIG. 1 a with a diffused area of changed electrical properties.

Fig. 1 zeigt einen Ofen 10 für die Verwendung im Verfahren zum Erzeugen eines Gebietes 12 veränderter elektrischer Eigenschaften in einem Halbleiterkörper 14 aus z. B. monokristallinem Silizium oder Germanium (Fig. 1 a und Ib). Der Körper 14 hat vorzugsweise die Form eines Scheibchens. Der Ofen 10 besteht aus einem Quarzrohr 16, das an seinem einen Ende 18 nach außen offen ist. Das andere Ende 20 des Rohres 16 ist mit einem wärmeisolierenden Stopfen 22 abgedichtet. Durch den Stopfen 22 sind zwei Quarzröhren 24 und 26 hindurchgeführt, um Sauerstoff bzw. ein nichloxidierendes Gas durch das Rohr 16 zu schicken, wie noch erläutert werden wird. Ventile 28 und 30 sowie Strömungsmesser 32 und 34 sind hintereinander in die Röhren 24 bzw. 26 eingeschaltet, um die durch das Rohr 16 zu schickenden Gasströme zu regulieren und zu dosieren. Auf dem Rohr 16 ist eine Heizspule 36 sowie eine Isolierhülle 38 angeordnet, um das Rohr und seinen Inhalt in bekannter Weise auf eiae gewünschte Temperatur erhitzen zu können.Fig. 1 shows an oven 10 for use in the method for producing a region 12 of changed electrical properties in a semiconductor body 14 made of, for. B. monocrystalline silicon or germanium (Fig. 1 a and Ib). The body 14 preferably has the shape of a disc. The furnace 10 consists of a quartz tube 16 which is open to the outside at one end 18. The other The end 20 of the tube 16 is sealed with a heat-insulating plug 22. Through the stopper 22 two quartz tubes 24 and 26 are passed through for oxygen and a non-oxidizing gas, respectively to send through the pipe 16, as will be explained. Valves 28 and 30 and flow meters 32 and 34 are in series in the tubes 24 and 26 switched on in order to regulate the gas flows to be sent through the pipe 16 and to dose. A heating coil 36 and an insulating sleeve 38 are arranged on the pipe 16 around the pipe and to be able to heat its contents to a desired temperature in a known manner.

Als Quelle des in den Halbleiterkörper 14 einzudiffundierenden Verunreinigungs- oder Dotierungsstoffes dient ein Oxid des Bors oder Indiums. Die Oxide dieser Elemente sind bei den in Frage kommenden Diffusionstemperaturen im flüssigen Zustand. Da es im Hinblick auf eine gleichmäßige Dotierung wünschenswert ist, daß sämtliche Punkte der eben Hauptfläche 40 des Halbleiterkörpers 14 gleichen Abstand von der Dotierungsstoffquelle haben, sind Maßnahmen getroffen, um die eine Oberfläche des Dotierstoffoxides im wesentlichen parallel zur Haupt-An oxide of boron or indium serves as the source of the impurity or dopant to be diffused into the semiconductor body 14. the Oxides of these elements are in the liquid state at the diffusion temperatures in question. Since it is desirable in terms of uniform doping that all points of the flat Main surface 40 of the semiconductor body 14 are at the same distance from the dopant source Measures are taken to ensure that one surface of the dopant oxide is essentially parallel to the main

fläche 40 des Halbleiterkörpers 14 anzuordnen. Bei der Fläche 48 des oxidierten Scheibchens 42 typi-surface 40 of the semiconductor body 14 to be arranged. In the case of the surface 48 of the oxidized disc 42 typically

einer Ausführungsform wird Bornitrid in die Form scherweise ungefähr 1,02 mm.In one embodiment, boron nitride is roughly 1.02 mm in the mold.

von Scheiben 42 gebracht, die annähernd gleiche Die Diffusion des Bors durch die Oberfläche 4i[>brought by disks 42, which approximately equal the diffusion of boron through the surface 4i [>

Gestalt, vorzugsweise jedoch etwas größere Abmes- der Halbleiterkörper 14 erfolgt durch Erhitzen derShape, but preferably somewhat larger dimensions, of the semiconductor body 14 is made by heating the

sungen haben als der Halbleiterkörper 14. Mehrere 5 alternierend angeordneten, parallelen Körper 14 undSolutions have as the semiconductor body 14. Several 5 alternately arranged, parallel bodies 14 and

solche Scheibchen 42 aus Bornitrid werden senk- Scheibchen 42 im Ofen 10. Such disks 42 made of boron nitride are countersunk disks 42 in the furnace 10.

recht in alternierenden Schlitzen 42 a einer V-förmigen Statt oberflächenoxidierter Bornitridscheibchen 42 Quarzwanne 44 angeordnet. Die Wanne 44 wird so- kann man als Dotierungsquelle für die Halbleiterkördann durch das offene Ende 18 in das Rohr 16 des per 14 auch oberflächenoxidierte Scheibchen aus InOfens 10 eingebracht. _lo diumnitrid verwenden. Wenn die erwähnten Nitrideright in alternating slots 42 a of a V-shaped instead of surface-oxidized boron nitride disks 42 quartz trough 44 is arranged. The trough 44 is thus introduced as a doping source for the semiconductor cap through the open end 18 into the tube 16 of the in-furnace 10, which is also surface-oxidized. _{use lo} dium nitride. When the mentioned nitrides

Die Oberflächen des Bornitridscheibchens 42 wer- nur in Pulverform zur Verfugung stehen, kann manThe surfaces of the boron nitride disk 42 will only be available in powder form, it is possible

den oxidiert, indem man sie ungefähr eine Stunde die Pulver nach bekannten Methoden durch Anwen-oxidized by applying the powder to known methods for about an hour.

lang in einem durch die Röhre 24, das Ventil 28 und dung von Hitze und hohem Druck in die Form derlong in one through the tube 24, the valve 28 and manure of heat and high pressure in the form of the

den Strömungsmesser 32 eingespeisten Sauerstoff- Scheibchen 42 verpressen. Das so erhaltene Scheih-The oxygen discs 42 fed into the flow meter 32 are compressed. The certificate obtained in this way

strom auf ungefähr 955° C erhitzt. Am Ende dieses i₅ chen 42 braucht für die Verwendung im erfindungs-current heated to about 955 ° C. At the end of this i ₅ chen 42 needs for use in the invention

Erhitzungsvorganges ist jedes der Bornitridscheib- gemäßen Verfahren nicht den theoretischen Dichtc-Heating process, each of the boron nitride disc processes does not correspond to the theoretical sealing

chen 42 mit einem dünnen Belag 46 aus Boroxid wert aufzuweisen. GaUiumnitrid- und Indiumnitrid- Chen 42 worth having with a thin coating 46 made of boron oxide. GaUium nitride and indium nitride

überzogen. Die im Ofen 10 stattfindende Reaktion scheibchen 42 können r scks Bildung eines Belagesoverdrawn. Which takes place in the furnace 10 reaction discs 42 SCKs r can form a coating

verläuft nach folgender Gleichung: 48 aus Galliumoxid bzw. Indiumoxid in der Weiseruns according to the following equation: 48 from gallium oxide or indium oxide in the way

2 BN 4- 3/2 O B O 4- N ²⁰ oxidiert werden, daß man die Scheibchen 15 Minuten2 BN 4- 3/2 OBO 4- N ^{20 are} oxidized so that the slices can be removed for 15 minutes

*-*■ ä^wi -r 2 _{lang im} ofen 10 in einem Sauerstoff strom bei unge-* - * ■ ä ^w i -r 2 _{long in the} oven 10 in a stream of oxygen at low

Nunmehr wird das Ventil 28 angeschlossen, da eine fähr 700° C erhitzt. Now the valve 28 is connected, since one heats up to 700 ° C.

weitere Oxidation der Scheibchen 42 nicht erforder- Statt die Oberflächen der Nitridscheibchen 42 inno further oxidation of the disks 42 is required. Instead of the surfaces of the nitride disks 42 in

lieh ist. Die Oxidierung der Scheibchen 42 erfolgt einem Sauerstoffstrom im Ofen 10 zu oxidieren, kannis borrowed. The oxidation of the wafers 42 takes place to oxidize a stream of oxygen in the furnace 10

in Abwesenheit der Halbleiterkörper 14. 25 das Oxidieren auch auf andere Weise erfolgen, wobeiin the absence of the semiconductor body 14. 25, the oxidation can also take place in other ways, with

Um in den Halbleiterkörper 14 ein p-leitendes dann die Scheibchen 42 für den Diffusionsvorgang in Gebiet 12 einzudiffundieren, werden zunächst in den der in Fig. 1 gezeigten Weise alternierend und pareinzelnen mit den Schlitzen 42a alternierenden Schiit- allel mit den Halbleiterkörpern 14 angeordnet weizen 14a der Wanne 44 je zwei Halbleiterkörper 14 den. Beispielsweise kann die Oberflächenoxidation Rücken an Rücken angeordnet. Dadurch wird die 30 eines Scheibchens aus Bornitrid 42 durch halbstün-Hauptfläche 40 der einzelnen Körper 14 jeweils in diges Kochen des Scheibchens in einer verdünnten parallelem Abstand neben der Hauptfläche 48 eines basischen Lösung erfolgen. Als verdünnte basische oberflächenoxidierten Nitridscheibchens 42 angeord- Lösung kann man Natriumhydroxid verwenden. Dcis net. Die Flächen 40 der Halbleiterkörper 14 sollten Oxidieren der Oberfläche eines Bornitridscheibchens die Flächen 48 der Scheibchen 52 nicht berühren, da 35 42 kann auch durch Waschen de« Scheibchens in andernfalls narbenartige Bildungen mit unerwünsch- heißem Wasser oder durch Erhitzen des Scheibchens ten Dotierungen auf dem Halbleiterkörper 14 ent- in Wasserdampf bis zum Sichtbarwerden des Borstehen würden. Andererseits sollte die Fläche 40 der oxidbelages 46 erfolgen. In order to then diffuse a p-conductive wafers 42 for the diffusion process in region 12 into the semiconductor body 14, wheat allels with the semiconductor bodies 14 are first arranged in the manner shown in FIG of the well 44 two semiconductor bodies 14 each. For example, the surface oxidation can be arranged back to back. As a result, the 30 of a disk made of boron nitride 42 through the half-inch main surface 40 of the individual bodies 14 will be done in each case in diges cooking of the small disk in a diluted parallel distance next to the main surface 48 of a basic solution. Sodium hydroxide can be used as the dilute, basic, surface-oxidized nitride disk 42 arranged solution. Dcis net. The surfaces 40 of the semiconductor body 14 should oxidize the surface of a boron nitride wafer and not touch the surfaces 48 of the wafer 52, since it is possible to create otherwise scar-like formations by washing the wafer with undesirable hot water or by heating the wafer with doping on the semiconductor body 14 would stand in water vapor until the boron became visible. On the other hand, the surface 40 of the oxide coating 46 should take place.

einzelnen Halbleiterkörper 14 von der benachbarten Sobald der Boroxidbelag 46 auf dem Nitridscheib-individual semiconductor body 14 from the adjacent As soon as the boron oxide coating 46 on the nitride disk

Fläche 48 des entsprechenden oxidierten Scheibchens 40 chen 42 gebildet ist, sind keine weiteren aktiven Ver-Surface 48 of the corresponding oxidized disc 40 is formed, there are no further active components

42 einen Abstand von nicht mehr als 6,35 mm haben. fahrensschritte zum Oxidieren der Oberfläche des42 have a distance of no more than 6.35 mm. procedural steps for oxidizing the surface of the

Wenn der Durchmesse;· des Ofenrohres 16 z. B. Scheibchens 42 mehr erforderlich, da die Spuren von ungefähr 5,08 cm beträgt, können die einzelnen Halb- Sauerstoff, die in dem beim Diffusionsvorgang verleiterkörper 14 einen Durchmesser von je ungefähr wendeten Inertgas vorhanden sind, ausreichen, um 2,54 bis 3,81 cm haben. Die oxidierten Bornitrid- 45 das während des Diffusionsvorganges verdampfte scheibchen 42 können einen Durchmesser von je un- Oxid auf dem Belag 46 zu ersetzen. Auch findet eine gefähr 2,54 bis 4,45 cm haben. Die Dicke der Halb- ausreichende Oxydation des Scheibchens 42 statt, leiterkörper 14 kann 0,1 bis 0,51 mm betragen. Die wenn die Wanne aus dem Ofen 10 herausgenommen Dicke der oberflächenoxidierten Bornitridscheibchen wird, um die dotierten Halbleiterkörper 14 zu entfer-42 kann 0,51 bis 2,54 mm betragen. Typische Dicke- 50 nen. Das Nitridscheibchen 42 bildet daher gewisserabmessungen des Halbleiterkörpers 14 und des oxi- maßen eine sich selbst ergänzende Dotierungsstoffdierten Bornitridscheibchens 42 sind 0,254 mm bzw. quelle. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Do-1,524 mm. Bei einem Körper 14 und einem Scheib- tierstoiTquellen wird beim Diffusionsverfahren weit chen 42 der genannten Art beträgt der Abstand zwi- weniger Dotierungsstoff verbraucht als mit den besehen der Fläche 40 des Halbleiterkörpers 14 und 55 kannten.If the diameter of the stove pipe 16 is e.g. B. disk 42 more required, as the traces of is approximately 5.08 cm, the individual semi-oxygen, which are present in the conductor body 14 during the diffusion process, a diameter of approximately each turned inert gas, can be sufficient to 2.54 to 3.81 cm. The oxidized boron nitride that evaporated during the diffusion process Discs 42 can each have a diameter of un- oxide to replace the coating 46. Also finds one about 2.54 to 4.45 cm. The thickness of the semi-sufficient oxidation of the disk 42 takes place, conductor body 14 can be 0.1 to 0.51 mm. The when the tub is removed from the oven 10 The thickness of the surface-oxidized boron nitride wafers, in order to remove the doped semiconductor bodies 14, can be 0.51 to 2.54 mm. Typical thicknesses - 50 den. The nitride disk 42 therefore forms certain dimensions of the semiconductor body 14 and the oximetrically a self-complementing dopant-doped boron nitride disk 42 is 0.254 mm or source. When using the Do-1.524 mm according to the invention. In the case of a body 14 and a disc animal source, the diffusion process becomes wide Chen 42 of the type mentioned, the distance between less dopant consumed than was known with the viewing of the surface 40 of the semiconductor body 14 and 55.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Disc-shaped boron or indium dopant source for the doping of semiconductor wafers, characterized in that that the disc consists of a nitride of boron or indium and a thin coating comprises a boron or indium oxide.

2. Process for producing the disk-shaped boron or indium dopant source according to Claim 1, characterized in that the disk made of boron or indium nitride has the surface is oxidized.

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