DE1909030B2

DE1909030B2 - Verfahren zum eindiffundieren von stoerstellen in halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE1909030B2
Application number: DE19691909030
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. 7100 Heilbronn Kreuzer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1969-02-22
Filing date: 1969-02-22
Publication date: 1973-03-22
Also published as: GB1300823A; DE1909030A1; FR2033374A7

Description

leiteroberfiäche abgetragen werden. Ferner ist es bei der Scheibendiffusion unmöglich, daß die zu diffundierenden Halbleiterscheiben durch Pulverstaub verunreinigt werden. Die Störstellenquellscheiben können mehrfach verwendet werden, wenn nach jedem Diffusionsprozeß eine bestimmte Schichtdicke auf der Oberfläche der Halbleiterquellscheiben abgetragen wird. Dadurch ist der Materialverbrauch an dotiei ien Halbleiterquellscheiben relativ gering, da außer dem Abätzen einer dünnen Oberflächenschicht nach jeder Diffusion keine weiteren Verluste auftreten.

Vorzugsweise wird bei der Behandlung der Störstellenquellscheiben nach jedem Diffusionsvorgang so vorgegangen, daß von diesen Quellscheiben eine Schicht abgetragen wird, deren Dicke größer ist als die Eindringtiefe der Störstellen in den diffundierten Halbleiterscheiben. Die Quellscheiben können nach jeder Diffusion entweder abgeätzt oder abgeschliffen werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die 1 lache der Quellscheiben größer ist als die Fläche der zu diffundierenden Scheiben. So ergaben sich bei Versuchen, bei denen die Hache der Halbleiterquellscheiben 1,3- bis 5mal so groß wie die Fläche der zu diffundierenden Scheiben war, die gewünschten und reproduzierbaren Ergebnisse.

Die Halbleiterquellscheiben und die zu diffundierenden Scheiben werden vorzugsweise senkrecht nebeneinander in einer Scheibenaufnahme aufgestellt. Die so bestückte Scheibenaufnahme wird, wie dies ajch bei der Pulverdiffusion der Fall ist, in eine Quarzglasampulle eingebracht, die ausgepumpt und abgeschmolzen wird. Der eigentliche Diffusionsvorgang wird dann durch Erhitzen der Quarzglasampulle auf eine vorgegebene Temperatur während einer gleichfalls vorgegebenen Zeitdauer durchgeführt.

Im Verlauf von Versuchen hat sich erwiesen, daß auch durch die räumliche Zuordnung zwischen den Halbleiterquellscheiben und den zu diffundierenden Halbleiterscheiben im Diffusionsraum eine Variation der Störstellenkonzentration an der Oberfläche der zu diffundierenden Halbleiterscheiben erzielt werden kann.

Die Erfindung soll im weiteren noch an Hand von Ausfiihrungsbeispielen näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine für die ScheibendüTusion verwendbare Quarzglasampulle, während die

I- i g. 2 die Anordnung der Halbleiterquelischeiben und der zu diffundierenden Scheiben in einem Scheibenhalter zeigt; in den

F i g. 3 und 4 sind die in Testversuchen erzielten Ergebnisse graphisch dargestellt;

Fig. 5, 6, 7 und 8 zeigen verschiedene räumliche Anordnungen der Quell- und der zu diffundierenden Halbleiterscheiben in einer Scheibenaufnahme.

ϊ η der F i g. 1 ist im Schnitt eine Qiiarzglasampulle 1 dargestellt, die aus einem Rohr besteht. Ein Ende des Rohres bleibt offen, das andere wird mit einer kleinen Öffnung 4 versehen, durch die der Rohrinnenraum vor dem Abpumpen vorzugsweise mit trockenem Stickstoff durchgespült wird. Zum Verschließen der Ampulle dient ein aus Quarz hergestellter Abschmelzstopfen 2, der nach dem Abpumpen der mit Halbleiterscheiben bestückten Qiiarzglasampulle bei einem Innendruck von etwa 10 "Torr mit der Innenwand der Ampulle verschmolzen wird. Die Scheibenaufnahme3 besteht vorzugsweise gleichfalls aus Quarzglas. In der F i g. 2 ist gleichfalls im Schnitt die mil Halbleiterscheiben bestückle Scheibenaufnahme 3 dargestellt. Bei den in der Figur dargestellten räumlichen Anordnungen sind die dotierten Quellscheiben und die zu diffundierenden Scheiben in der Scheibenaufnahme blockweise zusammengefaßt. Mit der Ziffer 6 sind die zu diffundierenden Siliziumhalbleiterscheiben bezeichnet, die etwa in der Mitte der Scheibenaufnahme zu einem Block von beispielsweise 20 Epitaxscheiben zusammengefaßt sind. Links und rechts von diesem aus zu diffundierenden Halbleiterscheiben bestehenden

ίο Block sind jeweils zwei Blöcke 5 aus dotierten Quellscheiben dargestellt, wobei jeder Block etwa 10 bis 15 Halbleiterscheiben umfaßt. Die Halbleiterquellscheiben sind etwa 500 bis 700 μΐη dick.
Es wurden nun Versuche unternommen, bei denen in Epitaxiescheiben stellenweise Störstellen eindiffundiert werden sollen. Durch das Störstellenmaterial soll beispielsweise der im Halbleiterkörper bestehende Leitungstyp im Bereich einer Oberflächenschicht umdotiert werden. Hierzu werden die Siliziumhalbleiterscheiben auf der Oberfläche mit einer Oxydschicht bedeckt, die mit Hilfe des bekannten Photolack- und Ätzprozesses strukturiert wird. Durch die dadurch in der Oxydschicht entstandenen Öffnungen können während der Diffusion die aus den Quellscheiben ausdiffundierten Störstellen in die zu diffundierenden Scheiben eindringen. Bei den Versuchen wurden beispielsweise 20 Epitaxiescheiben verwendet. Für die Diffusion benötigte man 50 Halbleiterquellscheiben aus Silizium, die beispielsweise mit Bor bei einer Konzentration von 5 · 10¹⁸ Atome je cm³ dotiert waren. Die Diffusionszeit betrug 1 Stunde, die Diffusionstemperatur'wurde bei etwa 1200⁰C konstant gehalten.

im folgenden wird die Fläche der bordotierten Siliziumquellscheibe mit Fq, die Fläche der zu diffundierenden Halbleiterscheibe mit F_D bezeichnet. Der Schichtwiderstand f_s bezeichnet den Widerstand einer quadratischen Halbleiterschicht bestimmter Eindringtiefe und wird in Ohm '\\ angegeben. C₀ bezeichnet die Störstellenoberflächenkonzentration der diffundierten Halbleiterscheiben. Bei den gewählten Flächenverhältnissen F_Q zu Fd von 1, 3. 2,0 und 4,0 ergaben sich die untenstehenden Ergebnisse.

FqIFd	*(fs*	5·	C₀
1,3	360 Ω/Π	4·	10¹⁸ A/cm³
2,0	300 Ω/ J	5·	10¹⁸ A/cm³
4,0	250 Ω/G	10¹⁸ A/cm³

Die sich aus obenstehender Tabelle ergebenden Funktionen 71, = / (F /F_n) und C₀ = J[FqIFd) sind in den F i g. 3 und 4 noch graphisch dargestellt, wobei für den Wert C₀ eine zehnerlogarithmische Einteilung gewählt wurde.

Wie sich aus der obenstehenden Tabelle und den graphisch dargestellten Funktionen 8 und 9 in den Fig. 3 und 4 ergibt, sinkt der Schichtwiderstand bei wachsendem Flächenveihältnis FqIFd und bei konstanter Diffusionszeit und Diffusionstemperatur, während die Oberflächenkonzentration an den diffundierten Halbleiterscheiben mit wachsendem Flächenver-

üu hältnis FqIFd zunimmt. Bei der Pulverdiffusion liegt die erreichbare Oberflächenkonzentration durch die Dotierung des Pulvers fest. Für die Scheibendiffusion ergeben sich unveränderliche Verhältnisse erst dann, wenn die Oberflächen der Quellscheiben, wie die

6g F i g. 4 zeigt, sehr groß gegenüber der Oberfläche der zu diffundierenden Scheiben ist. Somit ermöglicht die Scheibendiffusion durch Variieriing des Flächenverhältnisses FqIF₁) die Einstellung der Oberflächenkon-

<Γ

zentration bei konstanter Konzentralion der Stör- bei einer Oberflächenkonzentration von 3 · 10¹⁸ Atome

stellenquellscheiben. je cm³.

Die Dicke der bei der Diffusion umdotierten Halb- Eine letzte Anordnungsmöglichkeit ist in der F i g. 8

lei ^oberflächenschicht betrug bei den geschilderten dargestellt. In der Scheibenaufnahme wechseln sich zu

Versuchen etwa 3 μιη. Es ist selbstverständlich, daß 5 diffundierende Halbleiterscheiben und Quellscheiben

diese Eindringtiefe mit ansteigender Diffusionsdauer alternierend ab, so daß zwischen jeweils zwei zu diffun-

zunimmt. Nach jeder erfolgten Diffusion wurde von dierenden Scheiben eine Quellscheibe angeordnet ist.

der Oberfläche der Halbleiterquellscheiben eine Schicht Hierbei ist vorgesehen, daß sich die Quellscheiben 5

mit etwa 5 bis 10 μηι abgeätzt. Auf diese Weise lassen und die zu diffundierenden Scheiben 6 berühren. Bei

sich die Quellscheiben etwa 20- bis 30mal verwenden. io einer derartigen Anordnung wurde ein Schichtwider-

Dadurch ist der Materialverbrauch an dotierten Halb- stand von <p_s — 318 Ohm/Π und eine Oberflächen-

leiterscheiben relativ gering. konzentration von 4 ■ 10¹⁸ Atome je cm³ festgestellt.

In weiteren Versuchen wurde die räumliche Anord- Die oben geschilderten Versuche beweisen, daß die

nung von Halbleiterquellscheiben und zu diffundieren- erzielbare Oberflächenkonzentration der diffundierten

den Scheiben in der Scheibenaufnahme geändert. Inder 15 Halbleiterscheiben auch durch die Stellung der Quell-

F i g. 5 ist beispielsweise eine Anordnung dargestellt, und Diffusionsscheiben in der Scheibenaufnahme, die

bei der in der Scheibenaufnahme zwischen jeweils ihrerseits in einer Ouarzglasampulle untergebracht ist.

zwei zu diffundierenden Halbleiterscheiben 6 eine variiert werden kann.

Quellscheibe 5 angeordnet ist. Alle Scheiben sind Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße durch einen Zwischenraum von den benachbarten 20 Diffusionsverfahren nicht auf bestimmte Halbleiter-Scheiben getrennt. Die Störstellenkonzentration der materialien oder Störstellenstoffe beschränkt ist. Das Dotierungsquelle betrug wiederum 5 · 10¹⁸ Atome je angegebene Verfahren ist außerdem unabhängig von cm³, als Diffusionsmaterial wurde Bor verwendet, die Diffusionsparametern und wurde zur Herstellung ver-Diffusionsdauer betrug 1 Stunde und die Diffusions- schiedener Halbleiterbauelemente verwendet. So wurde temperatur 1200⁰C. All diese Diffusionsparameter 25 beispielsweise bei pnp-Transistoren und npn-Transiwurden auch bei den nachfolgenden Versucher: auf- stören die Basiszone im Vakuum dadurch hergestellt, rechterhallen. Das Flächenverhältnis FqJFo war bei daß Quellscheiben der entsprechenden Dotierung und allen Versuchen konstant, z. B. Fq/Fd = 2. Konzentration zusammen mit den zu diffundierenden

Bei einer Anordnung, wie sie in der F i g. 5 darge- Halbleiterscheiben in einer evakuierten Ampulle unterstellt ist, erreicht man bei den oben angeführten Bedin- 30 gebracht wurden. Die Reproduzierbarkeit der Schichtgungen eine Oberflächenkonzentration der diffundier- widerstände und die Gleichmäßigkeit der Diffusionsten Scheiben von 5 ■ 10¹⁸ Atome je cm³ und einen profile waren gut, ebenso die Sperrkennlinien der Schichtwiderstand von q, = 270 Ohm/J. pn-Übergänge.

In der Fig. 6 ist eine räumliche Anordnung der Die genannten Ergebnisse gelten bei den dichten Halbleiterscheiben dargestellt, bei der die Quell- 35 Packungen auch für die innenliegenden Halbleiterscheiben und die zu diffundierenden Scheiben in der scheiben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine Scheibenaufnahme blockweise zusammengefaßt sind. absolut dichte Packung, die das Eindringen von Zwischen den zu diffundierenden Halbleiterscheiben 6 Atomen überhaupt nicht mehr zulassen würde, prakist ein Abstand vorhanden, während die Quellschei- tisch nicht vorkommt. Durch Unebenheiten oder ben 5 einander berühren. Unter diesen Bedingungen 40 Wölbungen der Scheiben ergeben sich immer Zwiergab sich ein Schichtwiderstand von 320 Ohm/_] und schenräume, die ein Eindringen von Dotierungsatomen eine Störstellenoberflächenkonzentration von C₀ 4· zulassen. Hierbei spielt natürlich auch die freie Weg-10¹" Atome je cm³. länge der Störstellenatome eine bestimmte Rolle. Eine

Auch bei einer Anordnung wie sie in der F i g.7 dar- dichte Packung der Halbleiterscheiben behindert die gestellt ist, sind die Quellscheiben und die zu diffundie- 45 Ausbreitung der Atome gegenüber den Verhältnissen renden Scheiben in der Scheibenaufnahme blockweise bei einer weniger dichten Packung. Dies hat dann, wie zusammengefaßt. Sowohl die Quellscheiben 5 als auch sich aus der Beschreibung der vorliegenden Patentdie zu diffundierenden Halbleiterscheiben 6 berühren anmeldung ergibt, die Folge, daß die Oberflächenkonsich hierbei untereinander. Unter diesen Bedingungen zentiation bei der dichten Packung kleiner ist als bei erreicht man einen Schichtwiderstand cp_s = 360 Ohrn/Q 50 der aufgelockerten Packung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

lieh zusammen mit dem dotierten Halbleiterpulver in Patentansprüche: eine Quarzglasampulle eingebracht, die ausgepumpt und abgeschmolzen wird. Durch Erhitzen der Am-

1. Verfahren zum Eindiffundieren von Stör- pulle in einem Ofen wird der Diffusionsvorgang eingestellen in Halbleiterscheiben, bei dem als Dotie- 5 leitet und durchgeführt. Nach der Diffusion muß die rungsquelle mit dem Störstellenmaterial dotierte Ampulle aufgesägt oder anderweitig zerstört werden. Halbleiterscheiben verwendet werden, dadurch Das Pulverdiffusionsverfahren hat einige Nachteile, gekennzeichnet, daß die Störstellenkon- So ist das Herstellungsverfahren für das Pulver aufzentration an der Oberfläche der zu diffundierenden wendig und teuer. Beim Einfüllen des Pulvers in die Halbleiterscheiben durch Variation des Flächen- io Scheibenaufnahme, beim Transport der Ampulle und Verhältnisses zwischen den Quellscheiben und den während des Abpumpvorganges können die zu diff unzu diffundierenden Scheiben und/oder durch Ver- dierenden Scheiben nicht vom Pulverstaub freigehalten änderung der räumlichen Anordnung der Quell- werden. Außerdem hat es sich erwiesen, daß bei der scheiben und der zu diffundierenden Scheiben ein- Pulverdiffusion die nach jedem Diffusionsvorgang gestellt wird. 15 durch die erforderliche Reinigung bedingten Verluste

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sehr beträchtlich sind.

zeichnet, daß die Fläche der Quellscheiben größer Aus der USA.-Patentschrift 3 374125 ist es bekannt,

ist als die Fläche der zu diffundierenden Scheiben. daß als Störstellenquellen auch dotierte Halbleiter-

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- scheiben verwendet werden können. Außerdem werden zeichnet, daft die Fläche der Halbleiterquell- 20 oxydierte Bornitridscheiben als Störstellenquelle verscheiben 1,3- bis 5mal so groß wie die Fläche der zu wendet, die gleich groß oder geringfügig größer als die diffundierenden Scheiben ist. zu dotierenden Halbleiterscheiben sein sollen. Diese

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Art der Dotierung läßt keine Änderung der Störzeichnet, daß in der Scheibenaufnahme zwischen Stellenkonzentration an der Oberfläche der zu dotierenjeweils zwei zu diffundierenden Scheiben eine 25 den Scheiben zu.

Quellscheibe angeordnet ist und daß alle Scheiben Bei der Beurteilung der USA.-Patentschrift 3 374 125

durch einen Zwischenraum von den benachbarten muß ferner noch berücksichtigt werden, daß durch den Scheiben getrennt sind. ständig fließenden Schutzgasstrom die Störstellen zu

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- den Scheiben transportiert werden, wobei allerdings zeichnet, daß die Quellscheiben und die zu diffun- 30 die sich nicht einbauenden Störstellen sehr rasch dierenden Scheiben in der in einer Quarzglas- weiterbefördert werden, so daß den Störstellen im ampulle untergebrachten Scheibenaufnahme block- Grunde genommen »keine Zeit bleibt«, in den schmalen weise zusammengefaßt sind und daß zwischen den Zwischenraum zwischen den Scheiben derart einzuzu diffundierenden Scheiben ein Abstand vornan- dringen, daß sich nach dem Abschluß des Diffusionsden ist, während die Quellscheiben einander be- 35 prozesses eine gleichmäßige Störstellenverteilung errühren. gibt. Außerdem liegt bei einer Quellscheibe aus Bor-

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- nitrid ein anderer Dotierungsmechanismus vor, da zeichnet, daß die Quellscheiben und die zu diffun- hier das Störstellenmaterial aufoxydiert und dann als dierenden Scheiben in der Scheibenaufnahme Niederschlag zu den zu dotierenden Scheiben befördert blockweise zusammengefaßt sind und daß sich 40 wird.

sowohl die Quellscheiben als auch die zu diffundie- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ver-

renden Scheiben untereinander berühren. fahren anzugeben, mit dem die Störstellenkonzen-

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- tration an der Halbleiteroberfläche in einem weiten zeichnet, daß in der Scheibenaufnahme zwischen Bereich geändert werden kann.

jeweils zwei zu diffundierenden Scheiben eine Quell- 45 Bei einem Verfahren zum Eindiffundieren von Störscheibe angeordnet ist, wobei sich die benachbarten stellen in Halbleiterscheiben, bei dem als Dotierungs-Scheiben bei uhren. quelle mit dem Störstellenmaterial dotierte Halbleiterscheiben verwendet werden, wird diese Aufgabe erfin-

dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Störstellenkon-

50 zentration an der Oberfläche der zu diffundierenden Halbleiterscheiben durch Variation des Flächenver-

Zum Eindiffundieren von Störstellen in Halbleiter- hältnisses zwischen den Quellscheiben und den zu körper hat in jüngster Zeit die sogenannte Vakuum- diffundierenden Scheiben und/oder durch die Verändediffusion wachsende Bedeutung erlangt. Das genannte rung der räumlichen Anordnung der Quellscheiben Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von 55 und der zu diffundierenden Scheiben eingestellt wird, Planareinzelbauelemenlen oder integrierten Schaltun- Diese Art der Scheibendiffusion ermöglicht durcl·

gen, die in großer Anzahl aus viele, gleichartige Struk- die Wahl des Flächenverhältnisses der Quellscheiber türen enthallenden Halbleiterscheiben gewonnen wer- zu den zu diffundierenden Scheiben die Einstellung de; den. Schichtwiderstandes in einem Bereich von j_:20 bi:

Bei der Vakuumdiffusion dient vielfach als Quell- 60 ±30%. Bei der Scheibendiffusion werden ganz< material für die in die Halbleiterscheiben einzudiffun- Scheiben eines zonengezogenen Halbleiterkristalls, bei dierenden Störstellen ein das Störstellenmaterial ent- spielsweise aus Silizium mit einer Scheibendicke vor haltendes Pulver. Für die Gewinnung dieses Stör- 500 bis 700 μηι, als Quelle verwendet. Bei der Scheiben Stellenpulvers werden dotierte Halbleiterkörper in diffusion ist die Herstellung des Störstellenquellmate Scheiben gesägt. Die Scheiben werden geätzt und zer- 65 rials viel einfacher als bei der Pulverdiffusion. Die al: mahlen. Danach wird das Pulver gesiebt, erneut geätzt Störstellenquelle dienenden Halbleiterscheiben werdei und getrocknet. Die in einer Scheibenhalterung senk- nach dem Sägen lediglich noch einem Ätzprozeß unter recht aufgestellten Halbleiterscheiben werden schließ- worfen. bei dem beispielsweise 20 μ in von der Halb