DE1933128A1

DE1933128A1 - Anordnung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1933128A1
Application number: DE19691933128
Authority: DE
Inventors: Arno Kersting; Reuschel Dipl-Chem Dr Konrad; Emeis Dipl-Phys Dr Reimer; Keller Dr Wolfgang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-06-30
Filing date: 1969-06-30
Publication date: 1971-01-21
Also published as: ATA583270A; JPS4823710B1; CH518622A; DE1933128C3; NL7007490A; GB1282363A; SE358667B; FR2051429A5; NL165795B; DE1933128B2; NL165795C; AT328509B

Description

SIEMENS AKTIENGESELIiSGRAFT Mühchen 2, 3 ft JUNM H 6 9

Berlin und München Wittelsbacherplatz 2■

Anordnung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein'Halbleitermaterial ": ' ■ "'

Eine bekannte Anordnung zum Eindiffundieren von \ Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial weis/t ein verschließbares Graphitrohr auf, in dem Scheiben des zu dotierenden Halblextermaterials und der. Dptierungsstöff untergebracht sind. Zur Durchführung, der Diffusion wird das Graphitrohr an eine Spannung gelegt, und auf eine aur Diffusion notwendige Temperatur aufgeheizt. Das beheizt®· Graphitrohr ist von einem Quarzrohr umgeben, durch ein inertes Gas geleitet wird. Dieses inertes Gas *s zur Kühlung des Quarzrohres und verhindert damit, in der Atmosphäre enthaltene Verunreinigungen mit dem zu dotierenden Halbleitermaterial in Berührung kommen;.

Der Aufbau dieser Anordnung ist jedoch x'elativ auf wendig. Außerdem darf das Halbleitermaterial nicht mit dem Graphitrohr in Berührung kommen, da der Kohlenstoff bei der zur Diffusion.nötigen Temperatur in unerwünschter Weise mit dem Halbleitermaterial" reagieren würde. Es sind daher besondere Halterungen im Graphitrohr vorgesehen,, die eine .Berührung zwischen; den Halbleiterscheiben ■ und de;m Graphitrohr verhindern. \

Es ist auch bekannt, zum Bindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial Quarzrohre oder Quarzampullen zu benutzen, die in eiwep Diffusionsofen erhitzt werden. Bei der Verwendung von Quarzrohren oder Ampullen ergibt sich e.benso wie ΐ>$ί Verwendung eines Graphitrohres das Problem, daß die Halbleiterscheiben nicht.mit dem Quarz in Berührung kommen dürfen. Man ~rdnet daher in einem solchen Quarzrohr in der Regel

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zwischen 10 "bis 2Q Halbleitej$pheiben eine Stützscheibe ■ .an. Zwischen den S tut ζ scheiben "werden die Halbleiteracheiben so eingepreßt, daßsie das Quarzrohr an Keiner Stelle ihres Umfanges berühren, llie·-Verwendung einer Vielzahl solcher StUtzschöiberi bev/irkt natürlich^ daß ."■:.-Vährend eines A^beitögang|5Ä-^;e'ntspt'eehend"-v/eniger Halb- . ' leiterscheiben dotiert werden gönnen«; 1>ίβ'Verv/endung von Quarzrohren hat außerdem den Kachteiiy^aaß die Diffu'sionstemperatur auf etv/a 1 200° beschränkt ist. Bei dieser iemperätur wird; Quarz bereits weich. Die Stützscheiben verhindern, daß das QUärzrbhr die^ zu diffundierenden Scheiben umpreßt und zerstört,; wenn nach : der Diffusion das Quarzrohr entfernt wird.-Die:Diffusionsgeschwindigkeit ist bei 1 200^G relativ gering. Die Verwendung: von Quarzrohren erfordert außerdeni besondere Diffusionsofen, da weder elfte direkte Heizung noch eine Induktionsheizung in Erage kommt. ^ / :

'Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, statt eines QüauM- oder Gräphitrohres ein heizbares Rohr aus dem gleichen Halbleitermaterial vorzusehen,an dem die Diffusion vorgenommen v;ird. iEin solches Rohr hat die Eigenschaft, daß es höhere Temperaturen verträgt als etv/a ein Rohr aus Quarz Oder Graphit wodurch sich der Diffusionsvorgang beschleunigen läßt.$Außerdem darf das zu dotierende Material mit der Rohrwandung in Berührung kommen, ohne daß sich nachteilige Polgen ergeben. Das aus Halbleitermaterial bestehende Rohr gemäß dem älteren Vorschlag · ;. wird in eine Vakuumkammer eingesetzt, in der das Rohr zur Durchführung der Diffusion erhitzt wird.

•Die "der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung der genannten Art anzugeben, bei der eine soüöie Vakuumkammer überflüssige ist. Die Erfindung geht dabei aus von einer Anordnung zum. Eindiffundieren von Dotierungsstoffen; in ein Halbleitermaterial, mit einem beheizbaren, aus dem gleichen; Halbleitermaterial bestehenden

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Die Erfindurtg. ist dadurch gekennzeichnet, daß die" Rohr«-- wandung so-" "beniessen ist, daß sie bei den beim Diffundieren herrrjehonden Bedingungen praktisch gasdicht ist. Das · Hohr kann vorzugseise aus einem ausgebohrten Stab eines 'kr isLallinen Haibleitermaterials.bestehen. Es kann aber auch aus einem durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des llälbl ei termaterials auf einem beheizten Trä^orkorper niedergeschlagenen Halbleitermaterial bestehen, wobei der Trägerkörper nach dem Niederschlagen · des Halbleitermaterials entfernt wird.

Vor:;.i--::v.'eise dient das Rohr selbst als Heizkörper. Dazu ]cami cc an seinen Enden mit Elektroden versehen οάβϊ* • von einer Induktionsspüle umgeben sein. Um bei/ Induktion«!- Leitung ein Anheliien des Rohres zu erleichterri, kann auf ilniü Hohl- ein Ring aus gut leitendem Material aufgebracht ;:eiii. Zur Durchführung des Diffusionsvorganges kann das Rohr beidseitig verschlossen sein, wobei der Dotierungsstoff und das Halbleitermaterial vor dem Verschließen in dan Innere des Rohres gebracht v/ird» DaB Rohr kann ,'Cflof'h auch beidseitig offen sein, wobei der Dotierungsstoi.f ;«iib einem inerten Trägergas durch das Rohr geleitet viru.. - . " . . ' .

Die :^:,ri'indun£· v/ird anhand zweier kusführüngsbeispiele. in Verb Indring mit den Figuren 1 und 2 naher erläutert.

Vi-C,. ¹ ü<*n- Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fi'-. ? ά·?η Längs c-ehriitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

lie Anordnung nach Figur 1 weist im wesentlichen ein

'^: BÄOor 009884/2041 -4-

•Rohr 1 aus einem kristallinen Halbleitermaterial, z.B. Silizium auf, das eine Wandstärke von etwa 0,5 bis 20 mm besiteen kann. Das Rohr 1 ist an seinem linken Ende mit

'. einem Anschliff 2 versehen, in dem ein geschliffener Stopfen 3 z.B. aus Quarz gasdicht eingepaßt ist. Der Stopfen 3 ist mit einer Öffnung 4 versehen, die mit dem

- Innenraum 5 des Rohres 1 in Verbindung steht. Auf der anderen Seite ist das Rohr 1 .mit einem Anschliff 7 versehen, in dem ein Stopfen 6 gasdicht eingepaßt ist. Der Stopfen 6 ist mit einer öffnung 8 versehen, die ebenfalls mit dem Innenraum 5 des Rohres in Verbindung steht. Im Innenraum 5 dee Rohres 1 sind Halbleiterscheiben 1.1 z.B. aus Silizium untergebracht, die durch zwei Stützscheiben 9 und 10 in ihrer Lage gehalten werden. Diese Stützscheiben sind vorzugsweise aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Scheiben 11, es kann jedoch auch ein anderes Material, wie z.B. Keramik vencendet werden. Das Rohr 1 ist in der Nähe seiner Enden mit zwei ringförmigen Elektröden 12 und 13 versehen, die eine Zuleitung 14 bzw. 15 aufweisen, die mit einer hier nicht näher gezeigten Spännungsquelle verbunden sind.

Der Diffusionsprozeß geht so vor sich, daß zunächst die Halbleiterscheiben 11 zwischen den Stützscheiben 9 und -10 im Inneren des Rohres 1 angeordnet werden. Daraufhin werden die Stopfen 3 und 6 auf das Rohr gasdicht aufgesetzt und die Öffnungen 4 und 8 der Stopfen 3 bzw. 6 mit einer den Dotierungsstoff liefernden Einrichtung verbunden. Dabei wird der Dotierungsstoff zweckmäßigerweise mit einem inerten Träg#rgas z.B. Argon durch das Innere des Rohres geleitet. Ali Dotierungsmaterial.kommt ' z.B*ι wenn η-dotiert werden fcoll, Phosphor in der Form von igOg» PCX^ oder (PHCl₂)- in Frage. Als Dotierttngs-Btpff kann jedoch auch PH* verwendet werden« Als Jrägerkann tasai ein Edelgas wie Argon oder anderes inertes benutzen* \ · ■ ■■ ■ ■....·.'

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. Zur Erreichung der für die Diffusion notwendigen Temperatur wird das Rohr 1 über die beiden Elektroden 12 und 13 und die beiden Zuleitungen 14 und 15 an eine Spannungsquelle angelegt, Sie Spannung wird dabei so gewählt, daß ein ^urn Aufheizen des Rohres I notweridlger Strom fließt,- Die Spannung ist. dabei außer.von den Abmes·- mangen des Rohres von der leitfähigkeitdes Halbleiter- ' materials abhangig.

Verwendet man JrUr das Rohr z.B. relativ billig herzustellendes, hochdotiertes Halbleitermaterial, so kann die sum Einleiten des Aufheiavorganges benötigte Spannung relativ gering sein· Bei Erreichen einer bestimmten Aufheiz tempera tür wird die Leitfähigkeit des Rohres dann- von der !Dotierung des Halbleitermaterials unabhängig und ist im wesentlichen von den Abmessungen des Rohres bestimmt. "■"-■'

Pas Rohr 1 besteht aweckmäßigerweiseaus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Scheiben 11. Bestehen die Scheiben 11 e,B, aus Silizium, so wird ein Rohr verwendet, -das aus kristallinem Silizium bestehtV Ein solches Rohr kann z.B% durch.Ausbohren eines Stabes aus kristallinem Silizium hergestellt vmrden. Das Rohr kann aber auch aus Silizium bestehen, das durch thermische "."'". Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Siliziums -auf! einem; beheizten Xrägericörper niedergesehlagen wird _t wobei· der Trägerkorper nach dem iii ede röchlagen des Siliziums . ■: entfernt viird₄ Eine solche; niedetgeschlagen⁰^ SohiGht, ".. kristallinen Siliziums ist im Gegensatz z.B. "au, SchieJiten^ aus gesintertem; SiiiziuBi bei entspr.eciiend@r Vfehdatärka | ► im hoheiL riaße, gasux^treiilassiij» "Sa wtird^ κ;3^ bei einem ': . ■ Hohr νύ.% einer '^s,fenäbV*.jltQ ?on. ?--jjüta,. αίκαι?' 'tahrlänge 150 ium νρ$Λ oineni inasreii Burciinlee,S;er von ^Q. rani "ledi eine LeelEra te.--va.it ?. 10"'-* iLOr-r.· Xiter/s: festgeateiZt. _;

hat attßerdeift.clen. iorteil _)r da/ä_ ■". siixi wesentlich^ irähere ieiiigerstliupeB als -,tiars* erhitzt. "."■"

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v/erden kann ^ ohne vue dieses seine mechanische 'Jeütiß- .

. keit.und seine uasundurühl^:is3igkelt zu Verlierern. Das heißt, daß der Dt.ffusLonsprozeß gegenüber der Diffusion in einem Quarzrohr oder einer Quarzampulle wesentlich beschleunigt v/erden kann. Da die Halbleiterscheiben II, in diesem Fall SiliKiumscheiben, mit dem Silizium des Rohres 1 keine chemische Reaktion eingehen, können diese·direkt auf der ■ Wandung, "des- Rohres 1 aufsitzen. Ea genügt daher, als * Halterung für die Scheiben nur zwei Stützscheiben vorzusehen,.

In Figur 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt." Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Rohr 18, das aus, einem homogenem kristallinem .Halbleitermaterial z.B, Silizium besteht. Das Rohr 18 ist mit zwei Deckeln 19 Wd 20, die aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen, gasdicht abgeschlossen. Das Rohr 18 ist von einer Indiiktionsspule 21 umgeben* Auf dem Röhr 18 sitzt ein Ring 22 aus gut leitendem Material, z.B. aus Graphit, Im Inneren des Rohres 18 sind wieder zwei Stützscheiben. 23 und 24 vorgesehenj zväschen denen Halbleitersoheiben. 25 s,B-. aus Silizium angeordnet sind. ΪΊΛ Rohrinneren befindet sich ein Schiffchen 26 mit dem Dotlerungsstofi'. Dieses Schiffchen besteht zweckmäßlgerv/eise auch aus dem gleichen Material; wie das Rohr 18. '

Zunächst v^ird der Decicel 20 auf das Rohr gesetzt und im Vakuum oder im Schutzgas s.B. mittels Hoehfrequeniienergie alt dem Rohr 13 gasdicht vers.shwei3.ti-w '-;■"."■

Dann bringt man das Schiffchen 26,; die Stützscheiben 25 und 24 /Und die Halbleitersoheiben 2$ In das Rohrxnnere. Schlie01ieh ydjrd auch ä.er Deckel I^ auf das Rohr aufgesetzt und. im Vakuum oder i«ia Schutagas mitteis Hochfrequenzenergie mit dem Rohr ?8 gasdicht verschweißt. Dann v/ird aft- die Induktioßsspule 21,, eine., hpig^feQuente Spannung angelegt. "Diese itöchfreciuensspanrLung hat in den Sraphitring 22 einen ,vom 'ίΐΛϊν io~L^e, ίΐ-ir ien irt^pliitrl/tg ?Z und da mi t den lJ_r-?.ce

j.oil des Rohres 18 eruärmt. Mit zunehmender Erwärmung pinkt der spezifische Widerstand in diesem Teil des Rohren 18 so, daß nunmehr in diesem ein zum Aufheizen · irr Hohres notwendiger Strom fließen kenn. Die Er-•..Urnu:i^s:ione breitet sieh dann ausgehend von der dem Graphitising benachbarten Sone des Rohres über die ganze Lange ieti Rohres aus. Die Temperatur des Rohres wird dabei durch den Hochfrequenzstrom bestimmt. .^ "r

Für das AusführungsbeiBpiel nach Figur 2 gilt hinsichtlich der Vorteil daß gleiche wie für das AusfUhrungsbeispiel na :h Fig-uii, Auch hierbei läßt sich eine wesentliche :;_:

h.ihere Di ffufiionstemperatur und damit eine höhere Diffusion·· ,n-ir-^hvLntt.i^kelt ernielen els a.B. bei einer Quarzampüli«· üio Halbleiterscheiben 25 "*B. aus Silizium können ohne weiteröG auf der VJandung des Rohres 18 aufsitzen, wenn ^ : ΐ 'Uo:; _·.;:-. sun Silisium besteht. Es kommt dann BWisehen den iSili-ziuns'eheiben und der Rohrwandung zu keiner

Reaktion. .,

Ιϊε sind auch andere AusfUhrungsformen als die in Figur 1 und 2 .gezeigten denkbar. So ist es z.B. möglich, die in Figur l gezeigteWiderstandsheizung bei einem vollkommen geschlossenen Rohr nach Figur 2 anzuwenden. Andererseits kann auch ein offenes, von einer Verbindung des Dotierungsmaterisls und einem Trägergas durehstrb'mtes Rohr nach Figur * von einer-."Induktionsheizung nach Figur 2 beheizt werden. Τκ.β Ei-fiiidung ist nicht auf eine Anordnung zur Diffusion von Scheiben aus Sllisiura mit Rohren aus Silizium beschränkt* Als Rohre können auch solche z.B. aus Siliziuisc&rbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Bornitrid der Gemaniues verwendet werden.

10 Patentansprüche .

2 Figuren

Claims

Patentansprüche

- η Anordnung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial, rait einem beheizbaren aus dem gleichen Halbleitermaterial "bestehenden Rohr, d a d u r c h g e Ic e η η • zeichnet, daß die Rohrv.'andung so bemessen ist, daß sie bei den beim Diffundieren herrschenden Bedingungen praktisch gasdicht ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1,18) aus einem ausgebohrten Stab eines kristallinen. Halbleitermaterials besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u rc h g ek e ηη ζ ei c h η e t, daß das Rohr (1,18) aus einem durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbreiterraaterials auf einem beheizten Trägerkörper niedergeschlagenen Halbleitermaterial besteht, wobei der Trägerkörper nach dem Niederschlagen des HalbieitermaterialB entfernt wird.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a du rc h g e k e η η ze 1 c h η e t, daß das Rohr (1,18) selbst als Heizkörper dient.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad ure h ge k e η η ζ e i c h net, daß das Rohr (1) an seinen Endenmit Elek- - ti:od^n_r 02,^1^) versehen ist. ■

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6. Anordnung nach einem der Ansprüche ί "bis 4» el. a d υ. roh g e k e η η ζ ei ohne t, .laß das Rohr (18) von ,einer Induktionsspule (2:1) umgeben ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e Ic e η η 25 ei ohne t, daß auf dem Rohr (13) ein Ring (22) aus gut leitend-em Material sitzt,
8. Anordnung nach einem der Ansprüche·! bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (18) beidseitig verschlossen ist und daß der Dotierungsstofi" und das Halbleitermaterial (25) vor dem Verschließen in das Innere des Rohres, .gebracht wird.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) beidseitig offen ist und daß der Dotierungsstoff mit einem inerten Trägergas durch das Rohr geleitet wird.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus Silizium besteht und die Dicke der Wandung-etwa 0,5 bis 20 mm beträgt»

SAO ORIGINAL

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009884/2041

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