DE1933128B2 - Rohr zum eindiffundieren von dotierungsstoffen in halbleiterkoerper - Google Patents
Rohr zum eindiffundieren von dotierungsstoffen in halbleiterkoerperInfo
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Description
3. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es durch thermische Zersetzung einer gasförmigen
Verbindung des Halbleitermaterials an einem beheizten Trägerkörper und anschließendes Entfernen
des Trägerkörpers nach dem Niederschlagen des Halbleitermaterials hergestellt worden ist.
Eine bekannte Vorrichtung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial weist ein
verschließbares Graphitrohr auf, in dem Scheiben des zu dotierenden Halbleitermaterials und der Dotierungsstoff untergebracht sind. Zur Durchführung der
Diffusion wird das Graphitrohr an eine Spannung gelegt und auf eine zur Diffusion notwendige Temperatur
aufgeheizt. Das beheizte Graphitro'hr ist von einem Quarzrohr umgeben, durch das ein inertes Gas geleitet
wird. Dieses inerte Gas dient zur Kühlung des Quarzrohres und verhindert damit, daß in der
Atmosphäre enthaltene Verunreinigungen mit dem zu dotierenden Halbleitermaterial in Berührung kommen.
Der Aufbau dieser Vorrichtung ist jedoch relativ aufwendig. 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 dem Graphitrohr
verhindern.
Es ist auch bekannt, zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleiterrmiterial Quarzrohre
oder Quarzampullen zu benutzen, die in einem Diffusionsofen erhitzt werden. Bei der Verwendung von
Quarzrohren oder Ampullen ergibt sich ebenso wie bei Verwendung eines Graphitrohres das Problem, daß die
Halbleiterscheiben nichi mit dem Quarz in Berührung kommen dürfen. Man ordnet daher in einem solchen
Quarzrohr in der Regel zwischen 10 bis 20 Halbleiterscheiben eine Stützscheibe an. Zwischen den Stützscheiben
werden die Halbleiterscheiben so eingepreßt, daß sie das Quarzrohr an keiner Stelle ihres Umfanges
berühren. Die Verwendung einer Vielzahl solcher Stützscheiben bewirkt natürlich, daß während eines
Arbeitsganges entsprechend weniger Halbleiterscheiben dotiert werden können. Die Verwendung von
Quarzrohren hat außerdem den Nachteil, daß die „ich der Diffusion das Quarzrohr entfernt wird. Die
DiffusSsgeschwindigkeit ist bei 120O=C relativ gering.
De Verwendung von Quarzrohren erfordert außerdem besondere Diffusionsofen, da weder eine direkte
, Heizung noch eine Induktionsheizung in Frage kommt.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, statt eines
Oua-z oder Graphitrohres ein heizbares Rohr aus dem deichen Halbleitermaterial vorzusehen, in dem die
Diffusion vorgenommen wird. Em solches Rohr hat die , ρ "„schaft daß es höhere Temperaturen verträgt als
etwa ein Rohr aus Quarz oder Graphit, wodurch sich
der Diffusionsvorgang beschleunigen laßt. Außerdem darf das zu dotierende Material mit der Rohrwandung in
Berührung kommen, ohne daß sich nachteilige Folgen r, ergeben Das aus Halbleitermaterial bestehende Rohr
gemäß dem älteren Vorschlag wird in eine Vakuumkammer
eingesetzt, in der das Rohr zur Durchfuhrung der Diffusion erhitzt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht „ darin, ein Rohr der genannten Art anzugeben, bei dem
eine solche Vakuumkammer überflüssig ist. Die
Frfindung geht dabei aus von einem Rohr zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in Halbleiterkörper
das beheizbar ist und aus dem gleichen Material --, besteht wie die Halbleiterkörper.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus Silicium Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid,
Indiumphosphid, Galliumarsenid, Bornitrid oder Germanium besteht und eine Wandstarke von 0,5 bis 20 mm
,o aufweist. Das Rohr kann vorzugswdse durch Ausbohren eines Stabes aus dem kristallinen Halbleitermaterial
oder auch durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterial an einem
beheizten Trägerkörper und anschließendes Entfernen )■» des Trägerkörpers nach dem Abscheiden des Halbleitermaterials
hergestellt worden sein.
Das Rohr kann selbst als Heizkörper dienen. Dazu kann es an seinen Enden mit Elektroden versehen oder
von einer Induktionsspule umgeben sein. Um bei κ, Induktionsheizung ein Anheizen des Rohres zu erleichtern
kann auf das Rohr ein Ring aus gut leitendem Material aufgebracht sein. Zur Durchführung des
Diffusionsvorganges kann das Rohr beidseitig verschlossen
sein, wobei der Dotierungsstoff und das ■»■>
Halbleitermaterial vor dem Verschließen in das Innere des Rohres gebracht wird. Das Rohr kann jedoch auch
beidseitig offen sein, wobei der Dotierungsstoff mit einem inerten Trägergas durch das Rohr geleitet wird.
Die Erfindung wird anhand zweier Ausfuhrungsbei-■-,o
spiele in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigt .
F i g. 1 den Längsschnitt durch ein erstes Ausfuhrungsbeispiel
gemäß der Erfindung; ·-» F i g. 2 den Längsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung.
Die Anordnung nach F i g. 1 weist, im wesentlichen ein
Rohr 1 aus z. B. Silicium auf, das eine Wandstärke von etwa 05 bis 20 mm besitzen kann. Das Rohr 1 ist an
w) 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
versehen, die mit dem Innenraum 5 des Rohres 1 in
Verbindung steht. Auf der anderen Sehe ist das Roi.r
Quarzrohren hat außerdem den Nachteil, daß die Verbindung steht. Aut der anderen oenc im uai «.um ·
Diffusionstemperatur auf etwa 1200° beschränkt ist. Bei b5 mit einem Anschliff 7 versehen, in dem ein Stopfen 6
dieser Temperatur wird Quarz bereits weich. Die gasdicht eingepaßt ist. Der Stopfen 6 ist mit einer
Stützscheiben verhindern, daß das Quarzrohr die zu öffnung 8 versehen, die ebenfalls mit dem Innenraum 5
diffundierenden Scheiben umpreßt und zerstört, wenn des Rohres in Verbindung steht. Im Innenraum 5 des
Rohres 1 sind Halbleiterscheiben 11 aus Silicium untergebracht, die durch zwei Stützscheiben 9 und 10 in
ihrer Lage gehalten werden. Diese Süitzscheiben sind
vorzugsweise aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Scheiben 11, es kann jedoch auch ein anderes
Material, wie z. B. Keramik, verwendet werden. Das Rohr 1 ist in der Nähe seiner Enden mit zwei
ringförmigen Elektroden 12 und 13 versehen, die eine Zuleitung 14 bzw. 15 aufweisen, die mit einer hier nicht
näher gezeigten Spannungsquelle 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
Trägergas, z. B. Argon, durch das Innere des Rohres geleitet. Als Dotierungsmaterial kommt z. B., wenn
η-dotiert werden soll, Phosphor in der Form von P2O5, PCI3 oder (PNCb)3 in Frage. Als Dotierungsstoff kann
jedoch auch PH3 verwendet werden. Als Trägergas kann man ein Edelgas wie Argon oder anderes inertes
Gas benutzen.
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. Die Spannung wird dabei so
gewählt, daß ein zum Aufheizen des Rohres 1 notwendiger Strom fließt. Die Spannung ist dabei außer
von den Abmessungen des Rohres von der Leitfähigkeit des Halbleitermaterials abhängig.
Verwendet man für das Rohr z. B. relativ billig herzustellendes, hochdotiertes Halbleitermaterial, so
kann die zum Einleiten des Aufheizvorganges benötigte Spannung relativ gering sein. Bei Erreichen einer
bestimmten Aufheiztemperatur wird die Leitfähigkeit des Rohres dann von der Dotierung des Halbleitermaterials
unabhängig und ist im wesentlichen von den Abmessungen des Rohres bestimmt.
Das Rohr 1 besteht aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Scheiben 11. Bestehen die Scheiben 11 z. B.
aus Silicium, so· wird ein Rohr verwendet, das aus kristallinem Silicium besteht. Ein solches Rohr kann z. B.
durch Ausbohren eines Stabes aus kristallinem Silicium hergestellt werden. Das Rohr kann aber auch aus
Silicium bestehen, das durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Silicium?", auf einem
beheizten Trägerkörper niedergeschlagen wird, wobei der Trägerkörper nach dem Niederschlagen des
Siliciums entfernt wird. Eine solche niedergeschlagene Schicht kristallinen Siliciums ist im Gegensatz z. B. zu
Schichten aus gesintertem Silicium bei entsprechender Wandstärke im hohen Maße gasundurchlässig. So
wurde z. B. bei einem Rohr mit einer Wandstärke von
2 mm, einer Rohrlänge von 150 mm und einem inneren Durchmesser von 20 mm lediglich eine Leckrate von
3 · 10-5Torr Liter/s festgestellt.
Das verwendete Siliciumrohr hat außerdem den Vorteil, daß es auf wesentlich höhere Temperaturen als
Quarz erhitzt werden kann, ohne wie dieses seine mechanische Festigkeit und seine Gasundurchlässigkeit
zu verlieren. Das heißt, daß der Diffusionsprozeß gegenüber der Diffusion in einem Quarzrohr oder einer
Quarzampulle wesentlich beschleunigt werden kann. Da die Halbleiterscheiben 11, in diesem Fall Siliciumscheiben,
mit dem Silicium des Rohres 1 keine chemische Reaktion eingehen, können diese direkt auf der
Wandung für die Scheiben nur zwei Stützscheiben vorzusehen.
In Fig.2 ist ein anderes Ausführungsbeispie! gemäß
der Erfindung dargestellt. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Rohr 18, daß z. B. aus
homogenem, kristallinem Silicium besteht. Das Rohr 18 ist mit zwei Deckeln 19 und 20, die ebenfalls aus Silicium
bestehen, gasdicht abgeschlossen. Das Rohr 18 ist von einer Induktionsspule 21 umgeben. Auf dem Rohr 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 vorgesehen, zwischen denen Halbleiterscheiben 25 aus Silicium angeordnet sind. Im
Rohrinneren befindet sich ein Schiffchen 26 mit dem Dotierungsstoff. Dieses Schiffchen besteht zweckmäßigerweise
auch aus Silicium.
Zunächst wird der Deckel 20 auf das Rohr gesetzt und im Vakuum oder im Schutzgas z. B. mittels Hochfrequenzenergie
mit dem Rohr 13 gasdicht verschweißt.
Dann bringt man das Schiffchen 26, die Stützscheiben 23 und 24 und die Halbleiterscheiben 25 in das
Rohrinnere. Schließlich wird auch der Deckel 19 auf das Rohr aufgesetzt und im Vakuum oder im Schutzgas
mittels Hochfrequenzenergie mit dem Rohr 18 gasdicht verschweißt. Dann wird an die Induktionsspule 21 eine
hochfrequente Spannung angelegt. Diese Hochfrequenzspannung hat in dem Graphitring 22 einen Strom
zur Folge, der den Graphitring 22 und damit den linken Teil des Rohres 18 erwärmt. Mit zunehmender
Erwärmung sinkt der spezifische Widerstand in diesem Teil des Rohres 18 so, daß nunmehr in diesem ein zum
Aufheizen des Rohres notwendiger Strom fließen kann. Die Erwärmungszone breitet sich dann, ausgehend von
der dem Graphitring benachbarten Zone des Rohres, über die ganze Länge des Rohres aus. Die Temperatur
des Rohres wird dabei durch den Hochfrequenzstrom bestimmt.
Für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 gilt hinsichtlich der Vorteile das gleiche wie für das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1. Auch hierbei läßt sich eine wesentlich höhere Diffusionstemperatur, und damit eine höhere
Diffusionsgeschwindigkeit, erzielen als z. B. bei einer Quarzampulle. Die Halbleiterscheiben 25 aus Silicium
können ohne weiteres auf der Wandung des Rohres 18 aufsitzen, weil diese aus Silicium besteht. Es kommt
dann zwischen den Siliciumscheiben und der Rohrwandung zu keiner chemischen Reaktion.
Es ist auch möglich, die in F i g. 1 gezeigte Widerstandsheizung bei einem vollkommen geschlossenen
Rohr nach Fig. 2 anzuwenden. Andererseits kann auch ein offenes, von einer Verbindung des Dotierungsmaterials und einem Trägergas durchströmtes Rohr
nach Fig. 1 von einer Induktionsheizung nach Fig. 2 beheizt werden.
Statt aus Silicium kann das Rohr aus Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Indiumphosphid, Galliumarsenid,
Bornitrit oder Germanium bestehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Rohr zum Eindiffundieren von Dotien istoffen
in Halbleiterkörper, das beheizbar ist und aus dem gleichen Material wie die Halbleiterkörper
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Silicium, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid,
Indiumphosphid, Galliumarsenid, Bornitrid oder Geimanium besteht und eine Wandstärke von
0,5 bis 20 mm aufweist.
2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daö es durch Ausbohren eines Stabes aus dem
kristallinen Halbleitermaterial hergestellt worden
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