DE1955130A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit eindiffundierten Stoerstellenfronten geringer Eindringtiefe und mit hoher Stoerstellendichte an der Halbleiteroberflaeche - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit eindiffundierten Stoerstellenfronten geringer Eindringtiefe und mit hoher Stoerstellendichte an der Halbleiteroberflaeche

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DE1955130A1 DE19691955130 DE1955130A DE1955130A1 DE 1955130 A1 DE1955130 A1 DE 1955130A1 DE 19691955130 DE19691955130 DE 19691955130 DE 1955130 A DE1955130 A DE 1955130A DE 1955130 A1 DE1955130 A1 DE 1955130A1
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Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matchinen GetelUehaft mbH
Böblingen, den 29. Oktober 1969 Si/du
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.T. 10504
Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PI 967 09I
Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit eindiffundierten Störstellenfronten geringer Eindringtiefe und mit hoher Störstellendichte an der Halbleiteroberfläche.
Diffusionsvorgänge, wie sie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen in großem Umfange gebräuchlich sind, werden bekanntlich entweder in einem offenen oder in einem geschlossenen Reaktionsrohr durchgeführt. Die Herstellung schnellarbeitender Halbleiterbauelemente erfordert eine sehr exakte Steuerung der Eindiffusion von Störstellen. Eine spezielle Art der sich im Zusammenhang mit der Steuerung der Störstellenprofile ergebenden Schwierigkeiten wurde bisher meist dadurch vermieden, daß man Halbleiterbauelemente mit verhältnismäßig tief eindotierten Diffusionsfronten erstellte, wobei die Tiefe so gewählt wurde, daß im Profilverlauf auftretende Unregelmäßigkeiten keinerlei Einwirkungen mehr auf die Arbeitsweise des Bauelementes
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ergaben. Derartige Diffusionstiefen liegen in besonderen Fällen etwa in der Gegend von 7500 8. Gewisse Typen von Halbleiterbauelementen erfordern jedoch aus Gründen der Arbeitsgeschwindigkeit und der Platzersparnis, daß die Tiefe der Störstellenfront auf einen Wert von etwa 5000 S oder darunter beschränkt bleibt, gemessen von der Oberfläche des Halbleitermateriales.
Die beiden sich widersprechenden Forderungen der höheren Störstellenkonzentration an der Oberfläche und der gleichzeitigen geringen Diffusionstiefe sind in der Prozeßführung nur sehr schwierig zu erfüllen. Verfahren mit offenem Reaktionsrohr wurden zur Herstellung von Diffusionsfronten mit geringer Eindringtiefe bisher nicht angewendet. Beispielsweise wird als "inertes" Gas bei der Durchführung von Diffusionen öfters Stickstoff als Trägergas benutzt. Die Steuerung des Prozesses erfolgt in diesem Falle im allgemeinen durch die Parameter der Störstellenkonzentrationen, der mehr oder weniger gleichförmigen Erhitzung und durch eine besondere Ausgestaltung der Erhitzungszyklen.
Die z.Zt. gebräuchlichen Prozesse eignen sich zur Herstellung von verhältnismäßig tief liegenden Diffusionsfronten, sie sind jedoch nicht ausreichend in Fällen, in denen 'eine geringe Eindringtiefe der Diffusionsfront gefordert wird. In diesem Falle ist eine flache Diffusionsfront bei gleichzeitiger hoher Störstellenkonzentration an der Oberfläche erforderlich. Diese beiden Bedingungen sind nicht ohne weiteres miteinander vereinbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine exakte Steuerung des Diffusionsprofils einer Störstellensubstanz innerhalb eines Halbleiterplättchenggestattet. Wie sich weiter unten ergibt, ist zu diesem Zwecke die Wechselwirkung zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem zu behandelnden Halbleitermaterial innerhalb des Reaktionssystems in Betracht zu ziehen.
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Daa Verfahren soll es ermöglichen, in relativ einfacher Weise eine niedrige, flachverlaufende Diffusionsfront als Störstellenverteilung innerhalb eines Halbleiterplättchens zu erzeugen.
Weiter soll das Verfahren die Möglichkeit eröffnen, gleichzeitig mit flachverlaufenden Diffusionsfronten eine hohe Störstellendichte an der Oberfläche zu realisieren, wobei die Tiefe der Diffusionsfront noch unterhalb von 5000 8 liegen soll.
Das die genannte Aufgabe lösende Verfahren nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gliedert sich in folgende drei an sich bekannte Verfahrensschritte auf; es besitzt
1. einen Vorerhitzungszyklus, in dem das zu dotierende Halbleiterplättchen innerhalb eines Trägergases auf eine für die jeweils gewählte Störstellensubstanz geeignete Temperatur aufgeheizt wird,
2. einen Diffusionszyklus, in dem eine dampfförmige Störstellensubstanz mit dem säuerstoffhaltigen Trägergas gemischt und für eine definierte Zeit über das zu'dotierende, weiterhin auf der Diffusionstemperatur gehaltene Halbleiterplättchen geleitet wird und
3· einen Abkühlungszyklus, in dem nach Unterbrechung der Zufuhr der dampfförmigen Störstellensubstanz das in der genannten Weise behandelte Halbleiterplättchen in der Trägergasatmosphäre auf Zimmertemperatur abgekühlt wird.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist dadurch gekenn-
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zeichnet, daß als Trägergas ein streng inertes Gas, d.h. ein Gas benutzt wird, das auch bei gleichzeitiger Anwesenheit von Sauerstoff die Bildung einer diffusionshemmenden dünnen Schicht auf der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterplättchens verhindert und/oder eine derartige bereits vorhandene Schicht auflöst.
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In diesen bedeuten:
Fig. 1 den Verlauf der StörStellenkonzentration in Abhängigkeit von der Eindringtiefe einer Anzahl von Siliziumplättehen, die einem Standarddiffusionsverfahren unter Benutzung von POCl, als Störstellensubstanz und von Stickstoff als Trägergas unterzogen wurden;
Fig. 2 einen Vergleich von Störstellenkonzentrationsprofilen, bei denen die. zu dotierenden Halbleiterplättchen einer aus einer Erhitzung in einem POCl,-System bestehenden Vorbehandlung und dann der eigentlichen, in einer Kapsel durchgeführten Diffusionsbehandlung unterzogen wurden;
Fign. 3-7 verschiedene Störstellenkonzentrationsprofile von Siliziumhalbleiterplättchen, die einem Standard-POCl,-Diffusionsverfahren unterzogen wurden (Fign.
4 und6), sowie weitere Störstellenkonzentrationsprofile die zu Vergleichszwecken nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden (Fign. 3,
5 und 7).
Fig. 8 bzw. Tafel I zeigt die zu Fig. 2 gehörigen Resultate, wohingegen in Fig. 9 bzw. in Tafel II verschiedene Eigenschaften von Halbleiterplättchen miteinander verglichen werden, von denen die einen mittels eines Standard-POCl,-Diffusionsverfahrens mit Stick-
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stoff als Trägergas und die anderen nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung' hergestellt wurden.
Zunächst sei die z.Zt. meist geübte Praxis unter Benutzung eines Diffusionsverfahrens mittels offenem Reaktionsrohr am Beispiel einer Phosphordiffusion in einem Halbleiterplättchen aus Silizium erläutert. Die hieran gezeigten Eigenschaften und Ergebnisse sind natürlich nicht nur auf Phosphor-Silizium-Systeme beschränkt.
Das am meisten durchgeführte POCl,-Diffusionsverfahren besteht aus drei Verfahrensstufen, wobei ein inertes Trägergas und 0? zum Zersetzen des POCl, benutzt werden. Die einzelnen Zyklen bzw. Verfahrensstufen werden im folgenden mit x, y, ζ bezeichnet und im einzelnen beschrieben. -
x-Vorerhit zung
Als erster Verfahrensschritt wird eine Vorerhitzung des Siliziumplättchens etwa auf die Diffusionstemperatur vorgenommen, wobei während dieser Heizperiode keine Störstellensubstanz anwesend ist. Aus ökonomischen Gründen wird dieser Verfahrensschritt im allgemeinen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Das Aus-, gangsplättchen wurde im allgemeinen vorher gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Dies geschieht durch in der Halbleitertechnik bekannte mechanische oder chemische Verfahren, wobei gleichzeitig auch Lepp- oder Schneideverfahren benutzt werden, um die Plättchen auf eine gewünschte Größe zu bringen.·
y-Diffusion
Während das Plättchen auf der Diffusionstemperatur gehalten wird, werden POCl, und O^ in das Trägergas eingeführt, um einen Dotierungs· effekt mit Phosphor zu erreichen. Dies geschieht dadurch, daß das Stickstoff-Trägergas über eine Quelle geführt wird, in der POCl, erzeugt wird und daß nach Zusatz von O2 diese Mischung über das . auf die Diffusionstemperatur gebrachte und auf dieser gehaltene Plättchen POCl, geleitet wird. Das Op ist erforderlich, um eine
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Reaktion mit dem POCl, zu bewirken, durch welche ein Phosphorsil-ikatglas auf der Oberfläche des Plättchens entsteht, welches seinerseits als Quelle für den einzudiffundierenden Phosphor wirksam ist.
z-Abschließende Wärmebehandlung
Dieser Verfahrensschritt erleichtert den Störstellenatomen, sich in dem Wirtsgitter festzusetzen, so daß sich ein stationärer Zustand ergibt, bevor das Siliziumplättchen aus dem P0Cl_-6as herausgenommen wird. Gleichzeitig bietet dieser Verfahrensschritt eine Möglichkeit zur Steuerung unter gleichzeitiger Vermeidung eines Wärmeschocks.
Um das Verfahren leichter handhaben zu können, benutzt man Sauerstoff mit einem Anteil von I-30 %9 welches im allgemeinen schon während des Erhitzungszyklus zugegeben wird und bei allen folgenden Verfahrenssehritten anwesend ist.
Während bisher in der Halbleitertechnik Stickstoff als inertes Trägergas angesehen und benutzt wurde, hat sich herausgestellt, daß die Benutzung von N2 als Trägergas in einem POCl,-System auf der Oberfläche des zu behandelnden Halbleiterplättchens eine Oberflächenschicht entstehen läßt, die eine Dicke von etwa 75-100 Ä-Einheiten besitzt. Diese Oberflächenschicht bildet sich während des oben mit χ bezeichneten Vorheizungszyklus. Diese dünne Oberflächenschicht besitzt die Zusammensetzung Si N 0„wobei höchstwahrscheinlich das Si N im Überschuß vorhanden ist. Ein der-
x y
artiger Film wirkt als Barriere für die Störstellen in dem anschließenden EindiffusionsVorgang, d.h. während des y-Zyklus ist die Eindiffusion der Störstellensubstanz erschwert. Gleichzeitig ist nur eine niedrigere Oberflächenkonzentration für die Störstellen zu erreichen und außerdem ergibt sich eine anomale Störstellenverteilung bei der Diffusion, wodurch die Profile gewisse Knickstellen aufweisen, die noch im folgenden näher besprochen werden.
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Für Halbleiterbauelementstrukturen, bei denen die eindiffundierten Übergänge unter den genannten Bedingungen hergestellt werden und bei denen die übergänge verhältnismäßig tief im Halbleiterkörper liegen (Xj ^" 6250 Ä) werden durch diese Profilanomalien die Eigenschaften der Halbleiterbauelemente nicht besonders stark beeinflußt. Sollen jedoch Halbleiterbauelemente mit weniger tief unterhalb der Oberfläche liegenden Übergangsstrukturen, wie sie beispielsweise für Emitter in Qualitätstransistoren von Wichtigkeit sind, hergestellt werden (X. ^. 6250 5) so ziehen diese Anomalien der Profilstruktur, wie sie sich durch die oben geschilderten Diffusionsprozesse ergeben, ernste Einschränkungen bezüglich der erreichbaren Arbeitsgeschwindigkeit der Kapazitäten und anderer Bauelementeigenschaften nach sich. Diese Profilanomalien werden im folgenden näher erläutert.
Eine Benutzung von wirklich inerten Gasen wie Argon oder Helium anstelle des weniger in-erten Gases Stickstoff innerhalb des Vorerhitzungszyklus zeigte, daß bei Benutzung der genannten Edelgase eine diffusionshemmende Barriere nicht auftrat, so daß die effektive Störstellenkonzentration an der Oberfläche auf einen höheren Wert gebracht werden konnte und daß keinerlei Anomalien bezüglich des eindiffundierten Störstellenprofiles nachgewiesen werden konnten.
Unter Benutzung eines wirklich inerten Gases ergaben sich für eine Anzahl von Arbeitsbedingungen für ein Siliziumplättchen. mit 5 cm Durchmesser folgende Parameter:
Vorerhitzungszyklus
Zeit: 5 Minuten
Umgebungsatmosphäre: Ar oder He Temperatur: eine zwischen Raumtemperatur und
der Diffusionstemperatur der jeweiligen Störstellensubstanz liegenden Temperatur, beispielsweise
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800-1100° C für Silizium, 650- 900° C für Germanium
Diffusionszyklus
Zeit:
Umgebungsatmosphäre; Temperatur:
diese ist in Abhängigkeit von der benutzten Temperatur so zu wählen, daß die Eindringtiefe der Diffusionsfront kleiner als 5000 Ä ist (X.45000 8)
Ar oder He +(POC1_+O2) 850-1000° C für Silizium, 650- 900° C für Germanium
Kühlzyklus
Zeit: 5 Minuten
Umgebungsatmosphäre: Ar oder He Temperatur: obere Grenze Diffusionstemperatur,
untere Grenze Zimmertemperatur
Fig. 1 zeigt unter Benutzung von Stickstoff als Trägergas hergestellte Störstellenverteilungen von Phosphor in verschiedenen Halbleiterplättchen. Die Messung dieser Kurven erfolgte mittels der wohlbekannten differentiellen leitfähigkeitsmethode. Als Diffusionsprozeß wurde ein Standardzyklus mit POCl, benutzt (5 Minuten Vorheizungszeit in O2, N2; 3 Minuten Diffusionszeit in einer O2, N3, POCl,-Atmosphäre; 5 Minuten Spülen in O3, -N2) bei 970° C Diffusionstemperatur mit einer sich zwischen den Konzentrationen von 300 bis 40 000 %o ändernden Konzentration von P POCl,. Die Profile- weisen in einem Tiefbereich zwischen 4000 A bis 450008 bzw. bei einer Störstellenkonzentration von etwa 4«10 " Atomen/cm3 eine durchweg bei allen Proben zu beobachtende Anomalität in Form einer Knickstelle auf. Es wurde angenommen, daß diese Knickstellen verursacht sein könnten durch eine den Diffusionsvorgang retardierende, an der Oberfläche des Plattchens befindliche Schicht, welche während der Vorerhitzungsperiode innerhalb
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einer O^-Np-Atmosphäre entstehen könnte, in der möglicherweise das quasiinerte Stickstoffträgergas und das Sauerstoffgas gemeinsam mit dem Silizium des Halbleiterplättchens reagierten. Diese Annahme wurde bestätigt. Die Tafel I (Fig. 8) gestattet nämlich einen Vergleich zwischen bestimmten Eigenschaften von Halbleiterplättchen A, die ausschließlich während der Vorheizperiode in einem POCl,-System erstellt wurden mit entsprechenden Eigenschaften der Plättchen B, welche ebenfalls nur in der Vorheizperiode in einem PH,-System hergestellt wurden. Der Vergleich erfolgt weiterhin auch mit ,Standardvergleichshalbleiterplättchen, die als Kontrollplättchen C bezeichnet sind und in einer Phosphorkapsel hergestellt wurden. Die Plättchen C wurden keinerlei Vorerhitzungs*
21 behandlung unterzogen. Die Quellenkonzentration betrug etwa 10 Atome/cm und die Temperatur betrug über eine Zeit von 12,5 Stunden etwa 1108° C.
Aus Tafel I sind die Werte ^ s (iQ /Q) für den Flächenwiderstand ersichtlich, welche durch eine Messung des spezifischen Leitfähigkeit in den diffundierten Gebieten gewonnen wurden. Fernerhin sind ersichtlich die Werte X-, d.h. die Tiefen der Diffusionsfronten gemessen in cm, sowie die an der Oberfläche herrschende, Störstellenkonzentration CQ in Atomen/cm , die aus den Werten ?„ und X. unter der Voraussetzung berechnet wurden, daß die Störstellenverteilung einer Fehlerfunktion entspricht. Ferner ist aus der Tafel der während eines jeden durchgeführten Testverfahrens vorhandene Sauerstoffanteil in % zu ersehen. Die Testplättchen bestanden aus Silizium vom P-Leitfähigkeitstyp mit einem spezifischen Widerstand von IlQ ' cm. Es ist zu bemerken, daß die Werte X. und C~ für die Plättchen C, für die keinerlei Vorheizzyklus benutzt wurde, größer ausgefallen sind und daß in diesem Falle keine Möglichkeit für die Ausbildung einer diffusionshemmenden Schicht auf den Plättchen vorhanden war.
Fig. 2 zeigt weitere auf der Herstellung der Plättchen benutzte Parameter. Die dort ersichtlichen Resultate zeigen die Existenz
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einer diffusionshindernden Schicht, die sowohl in dem POCl,- als auch in dem PH -System während der Vorerhitzungsperiode entsteht. Die Bildung einer diffusionshemmenden Schicht in dem PH,-System mit Vorerhitzung, bei welcher ebenfalls N? als Trägergas benutzt wurde, ist ebenfalls bei den mit B bezeichneten Plättchen grundsätzlich vorhanden, jedoch nicht so ausgeprägt, wie das unter Benutzung eines POCl,-Systems mit Vorerhitzung bei den Plättchen A der Fall ist. Die diffusionshemmende Schicht für das Plättchen A fällt so stark ins Gewicht, daß unter den gegebenen Diffusionsbedingungen nur ein sehr geringfügiges Eindringen der Störstellen in das Plättchen beobachtet werden kann. Die Unterschiede zwischen den PH-,- und POCl,-Systemen sind auf den unterschiedlichen Sauerstoffgehalt innerhalb des fließenden Gasstromes zurückzuführen.
Der Hauptunterschied zwischen den PH,- und POCl,-Systemen ist zurückzuführen auf die Eigenschaften der aus Nitriden bestehenden diffusionshemmenden Schichten, welche verschiedene Sauerstoffanteile enthalten. Während des Einlasses von POCl, in das System beginnt diese diffusionshemmende Schicht zu zerbröckeln, d.h. sie wird umgesetzt in Phosphatglas. Die Schnelligkeit mit der diese Umsetzung von statten geht, hängt ab von dem Sauerstoffgehalt innerhalb des Trägergases. In Transmission und auch in Reflexion durchgeführte elektronenmikroskopische Untersuchungen haben die Existenz' derartiger diffusionshemmender Schichten erhärtet. Es wurden nämlich auf den einer Vorheizperiode unterzogenen Proben A und B Beugungsringe festgestellt, die den auf Proben aus reinem Si,Nj. anzutreffenden weitgehend ähnlich sind. Diffusionshemmende Schichten konnten dahingegen auf den Plättchen C nur in verschwindendem Ausmaße festgestellt werden.
Durch Austausch des Trägergases Stickstoff durch Argon, unter Vermeidung irgendeines Sauerstoffgehaltes während der Vorerhitzurfgsperiode und unter Benutzung des gleichen 5/30/5 POCl,-Zyklus mit dem gleichen Anteil aus Op während der eigentlichen Diffusions-und Spülperiode, wurden die Effekte der diffusionshemmenden Schicht auf
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ein Minimum herunter gedrückt. Wie sich aus den Resultaten der Tafel II in Fig. 9 ergibt, lassen sich durch Vermeidung von Sauerstoffanteilen in der während der Vorerhitzungperiode benutzten Atmosphäre die durch diffusionshemmende Schichten hervorgerufenen Anomalitäten fast völlig beseitigen. So erhält man für eine POCl,-Konzentration von 800 %o eine Oberflächenstörstellenkonzentration Cq von etwa 10 Atomen/cm . Ferner kann man beobachten, daß mit einer zunehmenden POCl,-Konzentration sich eine abnehmende Eindringtiefe der Diffusionsfront ergibt. Diese Resultate unterscheiden sich in signifikanter Weise von den im vorgehenden abgehandelten Resultaten sowie von den von verschiedenen Forschern für die bei Diffusionsversuchen mit POCl, -erhaltenen und veröffentlichten Werte. Die in Tafel II aufgeführten Resultate wurden erhalten unter der Benutzung von Argon als Trägergas. Die beimGebrauch eines
gewöhnlichen Np/O2~Systemes erhaltenen Werte sind gleichfalls aufgeführt. Die Werte ^s» Xi und CQ sind mit den entsprechenden Werten der Tafel I konsistent.
Die Messungen für X· beginnen bei einem Wert 43,1J für das Argon-System und setzen sich bis zu einer unteren Grenze von 36,7 fort. Dies ist ein Zeichen für die Abwesenheit irgendeiner diffusionshemmenden Schicht auf der Oberfläche, wodurch die endgültigen Diffusionstiefe schnell erreicht werden kann. Dies trifft so lange zu, bis ein Punkt erreicht wird, an dem die feste Löslichkeit von Phosphor in Silizium vorliegt.'. An dieser Stelle erfolgt eine Ausfällung , wodurch die Werte für die Tiefen X. mit wachsender POCl,-Konzentration wieder kleiner werden. Wird jedoch Stickstoff als Trägergas benutzt, so verhindert die gleich zu Beginn entstehende diffusionshemmende Schicht derartig hohe Anfangswerte für die Eindringtiefe der Diffusionsfront und eine entsprechende Anreicherung an Phosphorstörstellen, worauf auch das monotone Aufwachsen der X-VWerte mit zunehmender POCl,-Konzentration zurückzuführen ist.
«J j
Außerdem bewirkt die Abwesenheit einer diffusionshemmenden Schicht.
in dem Argon-System höhere Werte für die Oberflächenstörstellenkonzentration CQ im Vergleich mit dem Stickstoffsystem. Die ge-
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ringeren Werte für den spezifischen Widerstand f_ sind gleichfalls auf diesen Sachverhalt zurückzuführen. ! ■-■■
Die Pign. 3-7 zeigen die Wirkung verschiedener Op-Anteile. auf die Gestalt des Störstellenprofils. Wo immer sich die oben besprochene diffusionshemmende Oberflächenschicht bildet, tritt das anomale Verhalten auf, das sich in einer Knickstelle der Störstellenprofile kund tut. So kann man derartige Knicke in den Pign. 4 und 6 bemerken, während sie in den Pign. 3» 5 und 7 fehlen. Aus dem vorstehenden kann man schließen, daß bestimmte Trägergase, die früher als inerte Gase betrachtet wurden, in Wirklichkeit diffusionshemmende Schichten auf der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterplättehen entstehen lassen. Während dieser Sachverhalt lediglich eine geringe Wirkung auf tiefliegende Diffusionsfronten ausübt, ergeben sich jedoch unannehmbare Nachteile, sobald die Forderung nach einem flach verlaufenden Profil für die Diffusionsfronten besteht, d.h. in den Fällen in denen diese sich nur über geringe Tiefenbereiche unterhalb der Halbleiteroberfläche erstrecken sollen, d.h. über Tiefenwerte zwischen 1500 und 5000 Ä. In den zuletzt genannten Fällen ist die Benutzung derartiger quasiinerter Gase nicht ratsam. Es ist somit wesentlich, daß das benutzte Trägergas ein nicht schichtbildendes Gas ist, als welches ein Gas zu definieren ist, das die Bildung einer diffusionshemmenden Schicht auf der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterkörpers während der Vorheizperiode nicht gestattet und/oder während der eigentlichen Diffusionsperiode eine derartige bereits vorliegende Schicht aufzulösen in der Lage ist. Als Gase der ersten Art sind vorzugsweise Argon oder Helium anzusehen, ist jedoch bereits eine diffusionshemmende Schicht anwesend, so sind als schichtaoflösende Gase Chlorwasserstoff, Chlor oder auch Wasserstoff vorzuziehen.
Gleichzeitig mit der Herstellung eines flachen Diffusionsprofils wird bei Einhaltung der gleichen Diffusxonsbedingungen eine hohe Störstellendichte an der Oberfläche erreicht.
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Eine Nutzung dieser Resultate ist auch in Verbindung mit anderen dotierenden bzw. zu dotierenden Substanzen möglich. So ist eine Phosphor- oder Arsendiffusion möglich in Silizium oder in Germanium oder in einem anderen Halbleitermaterial, wobei naturgemäß eine den jeweiligen Substanzen angepaßte Diffusionstemperatur zu wählen ist. Dabei ist natürlich wesentlich, daß der Schmelzpunkt der Materialien nicht überschritten wird und daß die gewählten Störsubstanzen mit dem Material der zu dotierenden HaIbleiterplättchen verträglich sind. Andere inerte oder nicht diffusionshemmende Schichten bildende Trägergase können ebenfalls benutzt werden .
Die vorliegenden Tafeln und Figuren zeigen die Wirkung verschiedener Sauerstoffanteile innerhalb der Atmosphäre, in der die Vorerhitzung durchgeführt wird, sowie die Wirkung des in dieser Atmosphäre enthaltenen Stickstoffes. Diese Wirkung ist den genannten Unterlagen sowohl für den Vorheizzyklus zu entnehmen, als aucn/Sen eigentlichen Diffusionszyklus . Am auffallensten ist die Abwesenheit von Knickstellen in den Störstellenprofilen, sofern ein Trägergas benutzt wird, welches keine diffusionshemmende Schichten entstehen läßt. .
Die zur Aufheizung von Raumtemperatur auf Diffusionstemperatur erforderliche Zeit hängt offensichtlich ab von der Dicke des HaIbleiterplättchens und der benutzten Heizvorrichtung. Ähnliches gilt für die Abkühlzeiten. Es ist wichtig, für diese Verfahrensschritte zu fordern, daß die entsprechenden Werte so gewählt werden, daß die Bildung innerer Spannungen im Halbleitermaterial vermieden werden, da andernfalls eine Beschädigung des Plättchens (Aufplatzen, Rissebildung) befürchtet werden muß. Nach Vollendung des Diffusionszyklus ist es natürlich wünschenswert,■innerhalb einer möglichst kurzen Zeit die Temperatur von der Diffusionstemperatur auf eine Temperatur abzusenken, bei der kein? wesentliche Diffusion mehr stattfindet. Die maximalen Aufheiz- und Abkühlzeiten können leicht aus den bekannten Diffusionskonstanten für
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die Störstellensubstanzen in Silizium und Germanium als Punktion der Temperaturen errechnet werden,· da die entsprechenden Ausgangswerte und Rechenverfahren in der Halbleitertechnik bekannt sind. Gleichfalls sind die Bedingungen für die Bildung von inneren Beanspruchungen in Halbleitermaterialien in Abhängigkeit von deren Größe9 von der Geometrie, von der Zeit und von der Erhitzungstemperatur in der Halbleitertechnik bekannt.
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Claims (1)

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    Patentansprüche
    Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit eindiffundierten Störstellenfronten geringer Eindringtiefe und mit hoher Störstellendichte an der Halbleiteroberfläche mit einem Vorerhitzungszyklus 3 in dem das zu dotierende Halb·: leiterplättchen innerhalb eines Trägergases auf eine für die jeweils gewählte Störstellensubstanz geeignete Temperatur aufgeheizt wird,
    mit einem Diffusionszyklus, in dem eine dampfförmige Störstellensubstanz mit dem sauerstoffhaltigen Trägergas gemischt und für eine definierte Zeit über das zu dotierende, weiterhin auf der Diffusionstemperatur gehaltene Halbleiterplättchen geleitet wird und
    mit einem Abkühlzyklus a in dem nach Unterbrechung der Zufuhr der dampfförmigen Störstellensubstanz das in der genannten Weise behandelte Halbleiterplättchen in der Trägergasatmosphäre auf Zimmertemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerga« ein streng inertes Gas, d.h. ein Gas benutzt wird, das auch bei gleichzeitiger Anwesenheit von Sauerstoff die Bildung einer diffusionsheramenden dünnen Schicht auf der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterplättchens verhindert und/oder eine derartige bereits vorhandene Schicht auflöst.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als streng inertes Gas ein Edelgas (Ar, He usw.) benutzt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas HCl, Cl oder Hp benutzt wird.
    l\. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial für das zu dotierende Plättchen Silizium und als Diffusionstem-peratur 800° C- 1100° C gewählt wird.
    Docket FI 967 091 009i2-2/H*2
    5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet,. · daß als Halbleitermaterial für das zu dotierende Plättchen Germanium und als Diffusionstemperatur 65O C - 900° C gewählt wird.
    6. Verfahren nach den Ansprüchen H und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Störstellensubstanz P oder As verwendet wird.
    7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionszyklus unterbrochen wird, solange die Tiefe der Diffusionsfront einen Wert besitzt, der noch unterhalb von 5OOO 2 liegt.
    8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Vorerhitzungszyklus in einer keine Sauerstoffan~ teile enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird.
    0ÜS22/U42
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8235 Patent refused