DE1918810C3

DE1918810C3 - Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in die Oberfläche von Halbleiterkörpern

Info

Publication number: DE1918810C3
Application number: DE19691918810
Authority: DE
Inventors: Edouard Dipl.-Ing. Windisch Eugster; Heinrich Dipl.-Phys. Wettingen Kunz
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1969-04-14
Filing date: 1969-04-14
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE1918810B2; DE1918810A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in die Oberfläche von Halbleiterkörpern, bei dem die Halbleiterkörper in einem evakuierten Behälter, dessen Innenwand mit einer Dotierungssubstanz enthaltenden Schicht aus Halbleitermaterial versehen ist, einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Bei solchen Verfahren werden als Behälter zur Aufnahme der Halbleiterkörper bzw. der Dotierungssubstanz meist Quarzampullen verwendet. Es hat sich nun gezeigt, daß unter Verwendung solcher Quärzampullen bei der Eindiffundierung von Aluminium in Siliciumscheiben, in diesen nur geringe Dotierungskonzentrationen von z. B. 4 · 10¹⁶ Aluminiumatomen/cm³ μ erreicht werden können. Während des Diffusionsvorganges bildet sich auf den Siliciumscheiben nämlich eine feine, vom Material der Quarzampulle herrührende Siliciumoxidschicht, so daß die Aluminiumatome, um in die Siliciumscheibe einzudringen, durch diese Siliciumoxidächicht hindurchdiffundieren müssen. Da aber die Löslichkeit des Aluminiums in Siliciumoxid wesentlich geringer ist als in Silicium, wird die erreichbare Konzentration der Aluminiumatome in Silicium durch die Löslichkeit des Aluminiums in der Siliciumoxidschicht begrenzt Um die Bildung einer solchen störenden Siliciumoxidschicht zu vermeiden, werden nach einem bekannten Verfahren für den Diffusionsvorgang die Siliciumscheiben und Aluminium als Dotierungssubstanz in einem Behälter eingeschlossen, der aus Silicium besteht bzw. der wenigstens an seiner Innenwand eine Siliciumschicht aufweist Dieser Behälter ist dabei in einem äußeren Behälter untergebracht, in dem ein Vakuum oder eine neutrale Atmosphäre aufrechterhalten wird und der z. B. aus Quarz bestehen kann. Die Siliciumschicht an der Innenwand des Behälters verhindert das Durchdiffundieren von SiIiciumoxidmolekülen, die sich an der Oberfläche der Siliciumscheiben niederschlagen könnten.

Aus der DE-AS 10 56 747 ist ein Verfahren der vorgenannten Art bekannt Mit diesem Verfahren lassen sich fast problemlos alle erwünschten Dotierungen in Halbleiterkörpern üblicher Reinheit erzielen. Häufig ist es jedoch notwendig, hochreine oberflächendotierte Halbleiterkörper in technisch einwandfreier zugleich aber auch einfacher und wirtschaftlicher Weise herzustellen.

In der US-PS 32 57 246 wird ein Verfahren zur Herstellung von dotiertem Halbleitermaterial durch thermische Zersetzung eines Gasgemisches, welches die chemischen Bestandteile des Halbleiterkörpers und des Dotierstoffs enthält, auf den undotierten Halbleiterkörpern beschrieben. Bei diesem Verfahren können jedoch während des Dotierungsvorganges von der Umgebung herrührende Verunreinigungen mit in den Halbleiterkörper eindiffundieren, so daß es zur Herstellung hochreiner oberflächendotierter Halbleiterkörper nicht geeignet ist

Ferner ist aus der AT-PS 2 39 311 ein Verfahren zur Herstellung von oberflächendotierten Halbleiterkörpern mitteis Diffusion aus einer von einer Schicht des Monoxids des Halbleitermaterials umgebenen Galliumquelle in einem auf verschiedene Temperaturen aufgeheizten Quarzrohr bekannt. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch hochreine oberflächendotierte Halbleiterkörper nicht ohne erheblichen Aufwand erreichen, so ist etwa eine intensive Reinigung des Quarzrohrs notwendig, um die in den Halbleiterkörper beim Diffusionsvorgang eindringenden Verunreinigungen gering zu halten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, in Fortbildung des Standes der Technik ein Verfahren der vorgenannten Gattung anzugeben, bei dem die Innenwand des Behälters mit der die Dotierungssubstanz enthaltenden Schicht aus Halbleitermaterial mit geringem Aufwand versehen wird, so daß das Auftreten von Verunreinigungen an den Halbleiterkörpern in besonders wirtschaftlicher und einfacher Art vermieden wird.

Die zur Lösung der Aufgabe dienende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der die Dotierungssubstanz enthaltenden Schicht aus Halbleitermaterial in einem Behälterrohr eine an einem Ende abgeschlossene, rohrförmige Manschette derart angeordnet wird, daß zwischen ihr und der Innenwand des Behälterrohrs ein Spalt frei bleibt, und daß an seinem, dem Abschluß der Manschette zugewandten Ende ein,

pyrolytisch zersetzbare Verbindungen des Halbleitermaterials und der Dotierungssubstanz enthaltendes Gasgemisch zugeführt wird und die gasförmigen Reaktionsprodukte der pyrolytischen Zersetzung durch den Spalt abgeführt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt Es zeigt

F i g. 1 einen apparativen Aufbau zur Erzeugung einer Dotierungsatome enthaltenden Siliciumschicht an der Innenwand eines Quarzbehälters; in

F i g. 2 ist ein fertiger mit Siliciumscheiben beladener und abgeschlossener Quarzbehälter schematisch im Schnitt dargestellt

Zur Herstellung des Behälters wird von einem Behälterrohr 1 aus Quarz ausgegangen, das an seinen Enden mit Gaszuführungs- bzw. Gasabführungsrohren 2,3, die ebenfalls aus Quarz bestehen, verbunden ist Im Behälterrohr 1 ist, auf kleine Quarzblöcke 4 gestützt, eine Quarzmanschette 5 derart angeorinet, daß zwischen ihr und der Innenwand des Behälterrohres 1 ein Spalt frei bleibt und das abgeschlossene Ende der Quarzmanschette dem Anschluß des Gaszuführungsrohres 2 zugewandt ist Das Behälterrohr 1 wird in einem Ofen 6 untergebracht aus dem Gaszuführungs- bzw. Gasabführungsrohr 2,3 herausreichen.

Im Falle, daß das Verfahren zur Eindiffundierung von Phosphor in die Oberfläche von Siliciumkörpern dienen soll, wird dem Behälterrohr ein Gasgemisch zugeführt, das Wasserstoff und als pyrolytische Verbindungen ;,·> SiCU und PCI3 enthält Zur Herstellung dieses Gasgemisches wird über eine Leitung 7 ein regelbarer Wasserstoffstrom durch eine in einer Waschflasche 8 befindliche Lösung von SiCU geleitet, wobei der Wasserstoff eine von der Temperatur der Lösung rabhängigen Menge SiCU aufnimmt Auf analoge Weise wird mittels der Waschflasche 9, die eine Lösung von PCI3 enthält ein über die Leitung 10 zugeführter regelbarer Wasserstoffstrom mit PCI3 beladen. Die auf diese Weise erzeugten Teilgemische werden über die 1» Leitungen U, 12 und das Gaszuführungsrohr 2 dem Behäiterrohr 1 zugeführt Das Verhältnis der zugeführten Menge von SiCU zur Menge von PCI3 wird dabei durch das Verhältnis der über Waschflaschen 8, 9 zugeleiteten Wasserstoffmengen wie durch die Lö- r> sungstemperaturen bestimmt,

In dem Behälterrohr 1, das im Ofen 6 auf einer Temperatur zwischen 900 und 1050⁰C gehalten wird, unterliegt das Gasgemisch einer pyrolytischen Zersetzung, wobei Silicium und Phosphor in einem den >o Mengen von SiCU bzw. PCl₃ entsprechenden Verhältnis an der Innenwand des Behälterrohrs 1 und an einem Teil der Oberfläche der Manschette 5 in Form von Kristalliten großer Oberfläche niedergeschlagen wird. Die bei dieser pyrolytischen Zersetzung ah flüchtiges Reaktionsprodukt entstehenden Salzsäuredämpfe werden mit dem überschüssigen Wasserstoff durch den Spalt zwischen Manschette 5 und der Innenwand des Behälterrohrs 1 und über das Gasabführungsrohr 3 abgeleitet

Durch Regelung der über die Leitungen 7, 10 zugeführten Wasserstoffmengen wird die Menge des zur pyrolytischen Zersetzung gelangenden Gasgemisches so gesteuert daß in dem stromaufwärtsliegenden Ende des Spaltes zwischen der Manschette 5 und der Innenwand des Behälterrohrs 1 noch Silicium bzw. Phosphor abgeschieden wird, während an seinem stromabwärtsliegenden Ende das Gasgemisch völlig zersetzt ist und keine solche Abscheidung mehr stattfindet Wenn die sich dabei bildende, mit Phosphor dotierte Siliciumschicht eine mittlere Dicke von ca. 100 μπι erreicht hat, wird die pyrolytische Abscheidung unterbrochen.

Nach einer Abkühlung wird das Behälterrohr 1 zwischen der Manschette S und dem Gasabführungsrohr 3 aufgetrennt die Manschette 5 entfernt und das Gaszuführungsrohr 2 abgeschmolzen.

Der mit der abgeschmolzenen Gaszuführung versehene Teil des Behälterrohrs 1 bildet einen Behälter 13 (F i g. 2), der nun mit mehreren, auf übliche Weise in einem Support 14 gehaltenen Siliciumscheiben 15 beladen wird. Danach wird die Manschette 5 an ihrem uisprünglichen Platz im Behälter 13 eingesetzt der Behälter 13 mit einem Pumpstutzen verbunden, evakuiert und durch Verschmelzen des Behälterrohrs 1 mit der Manschette 5 an einer von der Siliciumschicht 16 freien Stelle 17 gasdicht verbunden.

Der Behälter 13 wird nun wie üblich in einem Diffusionsofen bei genau definierter Temperatur einer Wärmebehandlung unterworfen. Dabei diffundiert Phosphor aus der Siliciumschicht an der Innenwand des Behälters 13 in die Siliciumscheiben 15 ein.

Das Verfahren ist nicht auf die Diffusion von Phosphor in Silicium beschränkt. Seine Vorteile bestehen auch für andere Dotierungsmaterialien wie Gallium und Bor. Ebenso ist eine Verwendung auch im Zusammenhang mit anderen Halbleitermaterialien, wie z. B. Germanium, vorteilhaft.

Die günstige Wirkung des Verfahrens besteht darin, daß unvermeidbare Verunreinigungen an der Innenwand des Quarzbehälters von der Halbleiterschicht abgehalten werden, mit dem Dotierungsmaterial in die Halbleiterscheiben zu diffundieren. Dies hat zur Folge, daß unter Verwendung dieses Verfahrens wesentlich höhere Sperrspannungen erreicht werden können, als mit den üblichen Verfahren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierungssubstanz in die Oberfläche von Halbleiterkörpern, bei dem die Halbleiterkörper in einem evakuierten Behälter, dessen Innenwand mit einer Dotierungssubstanz enthaltenden Schicht aus Halbleitermaterial versehen ist, einer Wärmebehandlung unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der die Dotierungssubstanz enthaltenden Schicht (16) aus Halbleitermaterial in einem Behälterrohr (1) eine an einem Ende abgeschlossene, rohrförmige Manschette (5) derart angeordnet wird, daß zwischen ihr und der Innenwand des Behälterrohrs (1) ein Spalt frei bleibt, und daß an seinem, dem Abschluß der Manschette (5) zugewandten Ende ein, pyrolytisch zersetzbare Verbindungen des HaIbleitermaterials und der Dotieruugssubstanz enthaltendes Gasgemisch zugeführt wird und die gasförmigen Reaktionsprodukte der pyrolytischen Zersetzung durch den Spalt abgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugeführten Gasgemisches so geregelt wird, daß in dem stromaufwärtsliegenden Ende des genannten Spaltes noch Halbleitermaterial und Dotierungssubstanz abgeschieden wird, während an seinem stromabwärtsliegenden Ende das Gasgemisch zersetzt ist und keine solche Abscheidung mehr stattfindet. so

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter pyrolytischer Abscheidung das Behälterrohr (1) zwischen der Manschette (5) und dem Gasabführungsrohr (3) aufgetrennt, die Manschette (5) entfernt und das Ji Gaszuführungsrohr (2) abgeschmolzen wird, und daß nach Beladung mit den Halbleiterkörpern (15) die Manschette (5) wieder in das Behälterrohr (1) eingebracht, das Behälterrohr evakuiert und durch Verschmelzen des Behälterrohres (1) mit der Manschette (5) gasdicht abgeschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zum Eindiffundieren von Phosphor in Siliciumkörper, dadurch gekennzeichnet, daß in das Behälterrohr (1) ein Gemisch aus H2, SiCU und PCI3 eingeführt und eine « Temperatur zwischen 900-1050° C aufrechterhalten wird.