DE1933128C3

DE1933128C3 - Rohr zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in Halbleiterkörper

Info

Publication number: DE1933128C3
Application number: DE19691933128
Authority: DE
Inventors: Reimer Dipl.- Phys. Dr. 8553 Ebermannstadt Emeis; Wolfgang Dr. 8551 Pretzfeld Keller; Arno 8520 Erlangen Kersting; Konrad Dipl.-Chem. Dr. 8011 Vaterstetten Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-06-30
Filing date: 1969-06-30
Publication date: 1978-08-10
Also published as: DE1933128A1; NL7007490A; JPS4823710B1; SE358667B; CH518622A; NL165795B; AT328509B; NL165795C; FR2051429A5; ATA583270A; DE1933128B2; GB1282363A

Description

Eine bekannte Vorrichtung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial weist ein verschließbares Graphitrohr auf, in dgm 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 Graphitrohr ist von einem Quarzrohr umgeben, durch dasein ins-tes 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 Halbleitermaterial 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 nicht mit dem Quarz in Berührung kommen dürfen. Man ordnet daher in einem solchen Quarzrohr in der Regel zwischen IO 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 Diffusionstemperatur auf etwa 1200° beschränkt ist. Bei dieser Temperatur wird Quarz bereits weich. Die StlJtzscheiben verhindern, daß das Quarzrohr die zu diffundierenden Scheiben umpreßt und zerstört, wenn nach der Diffusion das Quarzxohr entfernt wird. Die Diffusipnsgeschwindigkeit ist bei 1200° C relativ gering. Die Verwendung von Quarzrobren erfordert außerdem besondere Diffusjonsöfen, da weder eine direkte

■> Heizung noch eine Induktionsheizung in Frage kommt

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, statt eines Quarz- oder Graphitrohres ein heizbares Rohr aus dem gleichen Halbleitermaterial vorzusehen, in dem die Diffusion vorgenommen wird. Ein solches Rohr hat die

ίο Eigenschaft, daß es höhere Temperaturen verträgt als etwa 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 Folgen 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, ein Rohr der genannten Art anzugeben, bei dem eine solche Vakuumkammer Oberflüssig ist Die Erfindung geht dabei aus von einem Rohr zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in Halbleiterkörper, das beheizbar ist und aus dem gleichen Material besteht wie die Halbleiterkörper.

EMe Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus Silicium, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Bornitrid oder Germanium besteht und eine Wandstärke von 03 bis 20 mm aufweist Das Rohr kann vorzugsweise durch Ausbohren eines Stabes aus dem kristallinen Halbleitermaterial oder auch durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials 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 Induktionsheizung ein Anheizen des Rohres zu erleichtern, kann auf das Rohr ein Ring aub ,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 Ausführungsbei-

spiele in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 näher erläutert
Es zeigt

F i g. 1 den Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel 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 04 bis 20 mm besitzen kann. Das Rohr 1 ist an

μ 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

h¹) 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 des

Rohres I sind Halbleiterscheiben 11 aus Silicium untergebracht, die durch zwei Stötzseheiben 9 und JO in ihrer Lage gehalten werden. Diese Stötzschejben sind vorzugsweise aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Scheiben U, es kann jedoch auch ein anderes Material, wie ζ,Β, 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 SpannungsqueHe 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 (PNC1₂)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 Siliciums auf einem beheizten Trägerkörper niedergeschlagen wird, wobei der Trägerkörper nach dem Niederschlagen des Siliciums entfernt wird. Einie 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 Siliewmseheiben, 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 Ausführungsbeispiel 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

is 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 18 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

so 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 bestir: Alt

¥ür das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 gilt hinsicht-Hch der Vorteile das gleiche wie für das Ausfüh/ungsbeispiel 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 F i g. 2 anzuwenden. Andererseits kann auch ein offenes, von einer Verbindung des Diuerungsmaterials und einem Trägergas durchströmtes Rohr nach F i g. 1 von einer Induktionsheizung nach F i g. 2 beheizt werden.

Statt aus Silicium kann das Rohr aus Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Bornitrit oder Germanium bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Rohr zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen 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 Germanium besteht und eine Wandstärke von 0,5 bis 20 mm aufweist
2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Ausbohren eines Stabes aus dem kristallinen Halbleitermaterial hergestellt worden ist
3. Rohr nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß es durch thermische Zersetzung einer gasföirmigen Verbindung des Halbleitermaterials an einem beheizten Trägerkörper und anschließendes Entfernen des Trägerkörpers nach dem Niederschlagen des Halbleitermaterials hergestellt worden ist