DE1955130B2

DE1955130B2 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit eindiffundierten Störstellenfronten geringer Eindringtiefe und mit hoher Störstellendichte an der Halbleiteroberfläche

Info

Publication number: DE1955130B2
Application number: DE1955130A
Authority: DE
Inventors: Madhukar Laxman Walton Woods Vt. Joshi; Alan Lagrangeville Platt; Edward S. Poughkeepsie Wajda
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-11-04
Filing date: 1969-11-03
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE1955130A1; JPS4822662B1; GB1266380A; FR2022493A1; US3649388A

Description

Die Erfindung betrifft ein Diffusionsverfahren zum Herstellen dotierter Zonen geringer Tiefe und hoher Oberflächenkonzentration des Dotierungsstoffs in Halbleiterkörpern, bei dem der zu dotierende Halbleiterkörper zunächst in einem Trägergas auf eine festgelegte Diffusionstemperatur aufgeheizt wird, bei dem dann dem Trägergas den Dotierungsstoff enthaltendes, gasförmiges Material zugemischt und das Gemisch eine festgelegte Zeit über den Halbleiterkörper geleitet wird und bei dem schließlich nach Unterbrechung der Dotierungsstoffzufuhr der dem Trägergas ausgesetzte Halbleiterkörper von der Diffusionstemperatur auf etwa Raumtemperatur abgekühlt wird. 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 schnell arbeitender Halbleiterbauelemente erfordert eine sehr exakte Steuerung der Eindiffusion von Störstellen. Eine spezielle Art der sich im Zusammenhang mit der Steuerung der Störstellenprofile ergebenden Schwierigkeiten wurden bisher meist dadurch vermieden, daß man Halbleiterbauelemente mit verhältnismäßig tief eindotierten Diffusionsfronten erstellte, wobei die Tiefe so gewählt wurde, daß im Dotierungsprofilverlauf

is auftretende Unregelmäßigkeiten keinerlei Einwirkungen mehr auf die Arbeitsweise des Bauelementes ergaben. Derartige Diffusionstiefen sind beachtlich größer als 750 nm.

Ein Verfahren zum Herstellen von mit Aluminium dotierten Halbleiterbereichen, weiche eine relativ große Eindringtiefe haben, ist in dem US-Patent 3215570 beschrieben. Als Dotierungsmaterial wird dabei eine organische Aluminiumverbindung verwendet, welche mittels eines Trägergases über den auf hohe Temperaturen erhitzten Halbleiterkörper geleitet wird. Als Trägergase werden insbesondere Wasserstoff, Stickstoff, Argon oder Helium verwendet. Die Gase Stickstoff, Argon und Helium werden dabei als gleichwertig angesehen, was nicht überraschend ist, da, wie sich bei den Untersuchungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung ergeben hat, die schichtbildenden Eigenschaften des Stickstoffs sich nur dann negativ auswirken, wenn sehr kleine Eiindringtiefen angestrebt werden. In dem US-Patent

J5 3 314833 ist ein Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkörpern beschrieben, bei welchem der Halbleiterkörper und der in fester Form vorliegende Dotierungsstoff gemeinsam in einer inerten Atmosphäre auf eine festgelegte Temperatur erhitzt werden, wobei der Halbleiterkörper mit dem bei dieser Temperatur verdampfenden Dotierungsstoff dotiert wind. Als inerte Gase zur Bildung der Atmosphäre werden Stickstoff, Helium und Argon genannt. Das inerte Gas hat bei dem genannten Verfahren nicht die Aufgabe eines Trägergases, d. h. eines Gases, welches den Dotierungsstoff zum Halbleitermaterial transportiert. Auch in dem im US-Patient 3314833 beschriebenen Verfahren werden relativ große Eindringtiefen angestrebt, so daß das oben bezüglich der ungünstigen Eigenschaften des Stickstoffs Gesagte in gleicher Weise zutrifft.

Bei gewissen Typen von Halbleiterbauelementen ist es aus Gründen der Arbeitsgeschwindigkeit und der Platzersparnis erforderlich, daß die Eindringtiefe des Dotierungsstoffs, gemessen von deir Oberfläche des Halbleitermaterials, kleiner als oder gleich etwa 500 nm ist. In dem Artikel »Phosphorous Diffusion in Silicon using POCl₃ in der Zeitschrift »Electrochemical Technology«, Band 5, (1967), Heft: 9/10, Seiten

bo 464 bis 467, wird ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Verwendung eines Trägergases, welches bevorzugt aus einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch besteht, der Halbleiterkörper zunächst im Trägergasstrom auf die festgelegte Diffusionstemperatur aufgeheizt, dann

b5 bei dieser Temperatur eine festgelegte Zeit dem Trägergasstrom, welchem POCl₃ zugesetzt worden ist, ausgesetzt und schließlich die POCl₃-Zuf uhr gestoppt und der Halbleiterkörper abgekühlt wird. In dem Ar-

tikel werden auch Experimente beschrieben, um Diffusionsgebiete zu erzeugen, welche bei geringer Eindringtiefe gleichzeitig eine hohe Oberflächenkonzentration des Dotierungsstoffs aufweisen. Aufgrund der Zusammensetzung des Trägergases bildet sich jedoch auf der Halbleiteroberfläche eine Schicht, welche den Oberflächenwiderstand beeinflußt. Diese Schicht, welche von den Autoren des Artikels als Oxid bezeichnet wird, welche aber nach den im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung durchgeführten Untersuchungen auch Stickstoff enthalten muß, beeinflußt das Dotierungsprofil, wie es die Fig. 1, 2, 4 und 6 in der Anmeldung illustrieren. Diese »Knicke« im DürfusionsprofU bewirken eine Verschlechterung von Bauelementeigenschaften, wie z. B. der erreichbaren Arbeitsgeschwindigkeit und der Kapazität. Die Schicht, deren Aufwachsen ungesteuerl erfolgt, verhindert außerdem, daß bei geringen Eindringtiefen eine ebene Diffusionsfront Im Halbleitermaterial erhalten wird. Allgemein läßt sich sagen, daß, wenn bei Anwendung der bekannten Diffusionsverfahren gleichzeitig eine hohe Störstellen- bzw. Dotierungsstoffkonzentration an der Oberfläche und eine geringe Eindringtiefe des Dotierungsstoffs verlangt wird, es schwierig ist, reproduzierbare und genaue Ergebnisse zu erzielen. Mit den bekannten Verfahren lassen sich befriedigende Ergebnisse vielmehr nur dann erreichen, wenn die Eindringtiefen der Diffusionsfronten relativ groß sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein relativ einfaches Verfahren zum Eindiffundieren eines Doiierungsstoffes in einen Halbleiterkörper anzugeben, mit dem dotierte Bereiche mit einer hohen Oberflächenkonzentration des Dotierungsstoffs, mit einer ebenen Diffusionsfront in geringer Tiefe und einem knickfreien vertikalen Dotierungsprofil genau und reproduzierbar erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit dem Merkmal des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man die erwünschten Ergebnisse, auch wenn die Eindringtiefe der Diffusionsfront noch unterhalb 500 nm liegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindunpsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Untetansprüchen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung \ 'erden in der folgenden Beschreibung anhand von Zeichnungen im Vergleich zum Stand der Technik besprochen. Es zeigt

Fig. 1 in einem Diagramm die Störstellenkonzentration in Abhängigkeit von der Eindringtiefe bei einer Anzahl von Siliciumplättchen, die einem Standard-Diffusionsverfahren unter Benutzung von POCl₃ als Störstellensubstanz und von Stickstoff als Trägergas unterzogen wurden,

Fig. 2 einen Vergleich von Störstellenkonzentrationsprofilen in Halbleiterplättchen, bei denen die Halbleiterplättchen einer ε us einer Erhitzung in einem POClj-System bestehenden Vorbehandlung und dann der eigentlichen, in einer Kapsel durchgeführten Diffusionsbehandlung unterzogen wurden,

Fig. 3-7 verschiedene Störstellenkonzentrationsprofile in Siliciumhalbleiterplättchen, die einem Standard-POClj-Diffusionsverfahren (Fig. 4 und 6) bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 3, 5 und 7) unterzogen wurden,

Fig. 8 bzw. Tafel I zeigt die zu Fig. 2 gehörigen Resultate, wohingegen in

Fig. 9 bzw. Tafel II verschiedene Eigenschaften von Halbleiterplättchen miteinander verglichen werden, von denen die einen mittels eines Standard-POClj-Diffusionsverfahren mit Stickstoff 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 offe-

lü nem Reaktionsrohr am Beispiel einer Phosphordiffusion in einem Halbieiterplättchen aus Silizium erläutert. Die hieran gezeigten Eigenschaften und Ergebnisse sind natürlich nicht nur auf Phosphor-Silizium-Systeme beschränkt.

Das am meisten durchgeführte POCl₃-Diffusionsverfahren besteht aus drei Verfahrensstufen, wobei ein inertes Trägergas und O₂ zum Zersetzen des POCl₃ benutzt werden. Die einzelnen Zyklen bzw. Verfahrensstufen werden im folgenden mit x, y, ζ bezeichnet und im einzelnen beschrieben.

x-Vorerhitzung

Als erster Verfahrensschritt wird eine Vorerhitzung des Siliziumplättchens etwa auf die Diffusionstempe-

2ΐ ratur vorgenommen, wobei während dieser Heizperiode keine Störstellensubstanz anwesend ist. Aus ökonomischen Gründen wird dieser Verfahrensschritt im allgemeinen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Das Ausgangsplättchen wurde im allgemei-

JO nen vorher gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Dies geschieht durch in der Halbleitertechnik bekannte mechanische oder chemische Verfahren, wobei gleichzeitig auch Läpp- oder Schneideverfahren benutzt werden, um die Plättchen

j5 auf eine gewünschte Größe zu bringen.

y-Diffusion

Während das Plättchen auf der Diffusionsteniperatur gehalten, wird, werden POCl₃ und O₂ in das Trägergas eingeführt, um einen Dotierungseffekt mit Phosphor zu erreichen. Dies geschieht dadurch, daß das Stickstoff-Trägergas über eine Quelle geführt wird, in der POCl₃ erzeugt wird und daß nach Zusatz von O₂ diese Mischung über das auf die Diff usions-

temperatur gebrachte und auf dieser gehaltene Plättchen POCl₃ geleitet wird. Das O₂ ist erforderlich, um eine Reaktion mit dem POCl₃ zu bewirken, durch welche ein Phosphorsilikatglas auf der Oberfläche des Plättchens entsteht, welches seinerseits als Quelle für den einzudiffundierenden Phosphor wirksam ist.

z-Abschließende Wärmebehandlung

Dieser Verfahrensschritt erleichtert den Störsitellenatomen, sich in dem Wirtsgjtter festzusetzen, so daß sich ein stationärer Zustand ergibt, bevor das SiIiziumplättchen aus dem POCl₃-GaS herausgenommen wird. Gleichzeitig bietet dieser Verfahrensschritt eine Möglichkeit zur Steuerung unter gleichzeitiger Vermeidung eines Wärmeschocks.

bo Um das Verfahren leichter handhaben zu können, gibt man dem Trägergas im allgemeinen schon während des Erhitzungszyklus einen Anteil von 1 bis 30% Sauerstoff zu, welcher bei allen folgenden Verfahrensschritten anwesend ist.

Während bisher in der Halbleitertechnik Stickstoff als inertes Trägergas angesehen und benutzt wurde, hat sich herausgestellt, daß die Benutzung von N., als Trägergas in einem POG₃-System auf der Oberfläche

des zu behandelnden Halbleiterplättchens eine Oberflächenschicht entstehen läßt, die eine Dicke von etwa 7,5 bis 10 nm besitzt. Diese Oberflächenschicht bildet sich während des oben mit χ bezeichneten Vorheizungszyklus. Diese dünne Oberflächenschicht besitzt > die Zusammensetzung Si_xN^O₂, wobei höchstwahrscheinlich das Si_xN^ im Überschuß vorhanden ist. Ein derartiger Film wirkt ais Barriere für die Störstellen in dem anschließenden Eindiffusionsvorgang, d. h. während des ^-Zyklus ist die Eindiffusion der Stör- i< > sitellensubstanz 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 ι "> im folgenden näher besprochen werden.

Für Halbleiterbauelementstrukturen, bei denen die cindiffundierten Übergänge unter den genannten Bedingungen hergestellt werden und bei denen die Übergänge verhältnismäßig tief im Halbleiterkörper x liegen (X. > 625 nm) 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 r> beispielsweise für Emitter in Qualitätstransistoren von Wichtigkeit sind, hergestellt werden (X₁< 625 nm) so ziehen diese Anomalien der Profilstruktur, wie sie sich durch die oben geschilderten Diffusionsprozesse ergeben, ernste Einschränkungen bezüglich der erreich- baren Arbeitsgeschwindigkeit der Kapazitäten und anderer Bauelementeigenschaften nach sich. Diese Profilanomalien werden im folgenden näher erläutert.

Eine Benutzung von wirklich inerten Gasen wie s> Argon oder Helium anstelle des weniger inerten Gases Stickstoff innerhalb des Vorerhitzungszyklus zeigte, daß bei Benutzung der genannten Edelgase eine diff usionshemmende 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 Störstellenprofils 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 Störstel- lensubstanz liegenden Temperatur, beispielsweise 800-1100" C für Silizium, 650- 900" C für Germanium

Diffusionszyklus

Zeit: diese ist in Abhängigkeit von der benutzten Temperatur so zu wählen, daß die Eindringtiefe der Diffusionsfront kleiner als 500 nm ist &5 (Xj < 500 nm) Umgebungsatmosphäre: Ar oder He + (POCl₃ 4- O₂)

Temperatur: 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 Tiägergas hergestellte Störstellenverteilungen von 1 hosphor in verschiedenen Halbleiterplättchen. Die Messung dieser Kurven erfolgte mittels der wohlbekannten differentiellen Leitfähigkeitsmethode. Als Diffusionsprozeß wurde ein Standardzyklus mit POCl₃ benutzt (5 Minuten Vorheizungszeit in O₂, N₂; 30 Minuten Diffusionszeit in einer O₂, N₂, POCl₃-Atmosphäre; 5 Minuten Spülen in O₂, N₂) bei 970° C Diffusionstemperatur mit einer sich zwischen den Konzentrationen von 0,300 bis 4,0%o ändernden Konzentration von POCl₃. Die Profile weisen in einem Tiefbereich zwischen 400 nm bis 4500 nm 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 Plättchens befindliche Schicht, welche während der Vorerhitzungsperiode innerhalb einer O₂-N₂-Atmosphäre entstehen könnte, in der möglicherweise das quasiinerte Stickstoffträgergas und das Sauerstoffgas gemeinsam mit dem Silizium des Halbleiterpiättchens reagierten. Diese Annahme wurde bestätigt. Die Tafei I (Fig. 8) gestattet nämlich einen Vergleich zwischen bestimmten Eigenschaften von Halbleiterplättchen A, die ausschließlich während der Vorheizperiode in einem POCl₃-System erstellt wurden mit entsprechenden Eigenschaften der Plättchen B, welche ebenfalls nur in der Vorheizperiode in einem PH₃-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 Vorerhitzungsbehandlung unterzogen. Die Quellenkonzentration betrug etwa 10²¹ Atome/cm³ und die Temperatur betrug über eine Zeit von 12,5 Stunden etwa 1108° C.

Aus Tafel I sind die Werte g_s (Ω/Π) für den FIachenwiderstand ersichtlich, welche durch eine Messung der spezifischen Leitfähigkeit in den diffundierten Gebieten gewonnen wurden. Fernerhin sind ersichtlich die Werte X₃, d. h. die Tiefen der Diffusionsfronten gemessen in cm, sowie die an der Oberfläche herrschende Störstellenkonzentration C₀ in Atomen/cm³, die aus den Weiten _t 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 1 Q - cm. Es ist zu bemerken, daß die Werte Xj und C₀ 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 einer diffusionshindernden Schicht, die sowohl in dem POCl₃- als auch in dem PHj-System während der Vorerhitzungsperiode entsteht. Die Bildung einer diffusionshemmenden Schicht in dem PH₃-System mit Vorerhitzung, bei welcher ebenfalls N₂ als Trägergas benutzt wurde, ist ebenfalls bei den mit B bezeichneten Plättchen grundsätzlich vorhanden, jedoch nicht so ausgeprägt, wie das unter Benutzung eines POCl₃-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 PH₃- und POClj-Systemen sind auf den unterschiedlichen Sauerstoffgehalt innerhalb des fließenden Gasstromes zurückzuführen.

Der Hauptunterschied zwischen den PH₃- und POClj-Systemen ist zurückzuführen auf die Eigenschaften der aus Nitriden bestehenden diffusionshemmenden Schichten, welche verschiedene Sauerstoffanteile enthalten. Während des Einlasses von POCl₃ in das System beginnt diese diffusionshemmende Schicht zu zerbröckeln, d.h. sie wird umgesetzt in Phosphatglas. Die Schnelligkeit mit der diese Umsetzung vonstatten 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 Si₃N₄ 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 Vorerhitzungsperiode und unter Benutzung des gleichen 5/30/5 POCl₃-Zyklus mit dem gleichen Anteil aus O₂ während der eigentlichen Diffusions- und Spülperiode wurden die Effekte der diffusionshemmenden Schicht auf ein Minimum heruntergedrückt. Wie sich aus den Resultaten der Tafel II in Fig. 9 ergibt, lassen sich durch Vermeidung von Sauerstoffanteilen in der während der Vorerhitzungsperiode benutzten Atmosphäre die durch diffusionshemmende Schichten hervorgerufenen Anomalitäten fast völlig beseitigen. So erhält man für eine POCl₃-Konzentration von 0,8%o eine Oberflächenstörstellenkonzentration C₀ von etwa 10²¹ Atomen/cm³. Ferner kann beobachten, daß mit einer zunehmenden POCl₃-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 bei Diffusionsversuchen mit; POCl₃ erhaltenen und veröffentlichten Weiten.

Die in Tafel Π aufgeführten Resultate wurden erhalten unter Benutzung von Argon als Trägergas. Die beim Gebrauch eines gewöhnlichen N₂/O₂-Systems erhaltenen Werte sind gleichfalls aufgeführt Die Werte Q₁, X₁ und C₀ sind mit den entsprechenden Werten der Tafel I konsistent. Im Argonsystem liegen - wie die Tafel II zeigt - die X-Werte im Bereich zwischen 108 ■ ΙΟ"⁶ und 91,6· 10"⁶Cm. Dies zeigt, daß keine diffusionshemmende Schicht an der Oberfläche vorhanden ist, weshalb die Diffusionstiefe schnell erreicht werden kann. Dies gilt so lange, bis der Punkt der maximalen Festkörperlöslichkeit von Phosphor in Silicium erreicht ist, was mit einer Ausfällung verbunden ist und sich in einer abnehmenden Eindringtiefe X₁ mit zunehmender POClj-Konzentration wiederspiegelt. Wird jedoch Stickstoff als Trägergas benutzt, so verhindert die gleich zu Beginn entstehende diffusionshemmende Schicht derartige anfängliche Diffusionstiefen und eine Anreicherung von Phosphor. Dies kann an der zunehmenden Eindringif X i hd POClKi b

g mit zunehmender POClj-Konzentration abi

₁ j

gelesen werden. Außerdem bewirkt die Abwesenheit einer diffusionshemmenden Schicht in dem Argonsystem, daß die Oberflächenstörstellenkonzentrations-Werte C₀ im Vergleich mit dem Stickstoff system höher liegen. Die geringeren Werte für den spezifischen Widerstand g_s sind gleichfalls auf diesen Sachverhalt zurückzuführen.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen die Wirkung verschiedener O₂-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 kundtut. So kann man derartige Knicke in den Fig. 4 und 6 bemerken, während sie in den Fig. 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 Halbleiterplättchens 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 150 und 500 nm. 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 HaIbleiterkörpers während der Vorheizperiode nicht gestattet und/oder während der eigentlichen Diffusionsperiode eine derartige bereits vorliegende Schicht aufzulösen in der Lage ist. Ab Gase der ersten Art sind vorzugsweise Argon oder Helium anzusehen, ist jedoch bereits eine diffusionshemmende Schicht anwesend, so sind als schichtauflösende Gase Chlorwasserstoff, Chlor oder auch Wasserstoff vorzuziehen.

Gleichzeitig mit der Herstellung eines flachen Diffusionsprofils wird bei Einhaltung der gleichen Diffusionsbedingungen eine hohe Störstellendichte an der Oberfläche erreicht

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 Halbleiterplättchen 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 auch für den eigentlichen Diffusionszyklus. Am auffallendsten 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 Halbleiterplättchens und der benutzten Heizvorrichtung. Ähnliches gilt für

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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 keine wesentliche Diffusion mehr stattfindet. Die maximalen Aufheiz- und Abkühlzeiten können leicht aus den bekannten Diffusionskonstanten für die Störstellensubstanzen in Silizium und Germanium als Funktion 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 Größe, von der Geometrie, von der Zeit und von der Erhitzungstemperatur in der Halbleitertechnik bekannt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Diffusionsverfahren zum Herstellen dotierter Zonen geringer Tiefe und hoher Oberflächenkonzentration des Dotierungsstoffs in Halbleiterkörpern, bei dem der zu dotierende Halbleiterkörper zunächst in einem Trägergas auf eine festgelegte Diffusionstemperatur aufgeheizt wird, bei dem dann dem Trägergas den Dotierungsstoff enthaltendes, gasförmiges Material zugemischt und das Gemisch eine festgelegte Zeit über den Halbleiterkörper geleitet wird und bei dem schließlich nach Unterbrechung der Dotierungsstoffzufuhr der dem Trägergas ausgesetzte Halbleiterkörper von der Diffusionstemperatur puf etwa Raumtemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas ein solches ausgewählt wird, welches dafür sorgt, daß das Eindringen des Dotierungsstoffs in den Halbleiterkörper nicht durch eine diffusionshemmende Schicht behindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberflächenkonzentration der Dotierungsatome von größer als etwa 10²⁰ Atomen/cm³ erzeugt und weniger als etwa 0,5 μηι tief eindiffundiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung einer diffusionshemmenden Schicht dadurch verhindert wird, daß als Trägergas ein Edelgas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entfernung einer schon vorhandenen diffusionshemmenden Schicht als Trägergas HCl, Cl₂ oder H₂ verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Siliciumkörper bei Temperaturen zwischen etwa 800 und etwa 1100° C eindiffundiert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Germaniumkörper bei Temperaturen zwischen etwa 650 und etwa 900⁰C eindiffundiert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff P oder As verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eindiffundieren von P dem Trägergas POCl₃ und O₂ zugemischt werden.