DE1958988B2 - Verfahren zur einstellung des schichtwiderstandes von diffusionsdotierten silicium-halbleiterkoerpern - Google Patents
Verfahren zur einstellung des schichtwiderstandes von diffusionsdotierten silicium-halbleiterkoerpernInfo
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Description
Die Erfindung behandelt das Problem der Einstellung der Scbichtwiderstände von in Halbleiterkörpern
diffundierten Halbleiterschichten. Bekanntlich werden derartige Halbiaitersciichten aus vordotierten
Oberflächenschichten in oxydierender Atmosphäre diffundiert. Die vordiffundie» *en Oberflächenschichten
werden meist durch Diffusion von Störstellenmaterial aus dotierten Glasschichten bei einer niedrigeren
Diffusionstemperatur als die Diffusionstemperatur für die Halbleiterschichten hergestellt, wie aus der
deutschen Patentschrift 1086 512 bekannt ist.
Im Interesse einer Massenproduktion ist es wünschenswert, einen bestimmten Vorrat von Halbleiterkörpern
mit vordotierten Oberflächenschichten zur Verfügung zu haben. Werden nun Halbleiterkörper
mit Halbleiterschichten bestimmten Schichtwiderstandes gewünscht, so sollte es Im Interesse einer Massenproduktion
möglich sein, aus diesen Halbleiterkörpern mit Oberflächenschichten gleichen Schichtwiderstandes
je nach Bedarf eine Teilmenge von Halbleiterkörpern mit diffundierten Schichten von
weitgehend beliebigem und genau eingestelltem Schichtwiderstand herzustellen.
Unter Schichtwiderstand soll der sich durch Messung zwischen zwei Metallspitzen auf der Halbleiteroberfläche
ermittelte Widerstand verstanden werden, der sich nach der Diffusion aus der gesamten im Bereich
der Diffusionstiefe vorhandenen Donatoren- und Akzeptorenmenge ergibt. Bei Diffusion eines
pn-Übergangs geht ohnehin nicht mehr der Widerstand des Grundkörpers in die Messung ein, da der
pn-übergang gleichstrommäßig die Oberflächenschicht bzw.· die Halbleiterschicht von dem Halbleiterkörper
trennt.
Eine gewisse Reproduzierbarkeit des Schichtwiderstandes bei der Diffusion aus einer vordotierten
Oberflächenschicht ist naturgemäß dann gewährleistet,
wenn die Dotierungskonzentration der Oberflächenschicht der Festkörperlöslichkeit des Dotierungsmaterials
im Halbleitermaterial entspricht. Dies ist selbst bei unbegrenztem Angebot des Dotierungsmaterials
Bor bei der Diffusion in einen Halbleiterkörper aus Silicium von Natur aus gegeben, da im
Phasendiagramm Bor-Silicium kein Eutektikum auftritt und eine flüssige Phase selbst bei Diffusionstemperaturen
kurz unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium nicht auftritt. Daher entspricht die Dotierungsmenge
an Bor innerhalb der vordotierten Oberflächenschicht immer der relativ schwach temperaturabhängigen
Festkörperlöslichkeit bei der Temperatur der Vordiffusion. Unregelmäßigkeiten, beispielsweise
Ausseigerungen oder Einschlüsse sind ausgeschlossen; die Kristallpitters1:ruktur der Oberflächenschicht
bleibt bis auf den Einbau von Boratomen auf Gitterpiätzen erhalten. Der Schichtwiderstand der vordotierten
Oberflächenschicht ist genau über die Vordiffusionszeit einstellbar. Bei Bor als Dotierungsmaterial
ist es also ohne weiteres möglich, reproduzierbar gleiche Schichtwiderstände der Oberflächenschicht zu
erhalten.
Aus der Zeitschrift »IBM Technical Disclosure Bulletin« Vol. HL Nr. 2 (Juli 1960), Seite 45, ist ein
Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten Silicium-Halbleiterkörpern
durch Ausdiffusion von Dotierstoff in eine angrenzende Schicht von niedrigerer Dotierstoffkonzentration
bekannt. Dieses Verfahren ist aber zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten
Silicium-Halbleiterkörpern im Hinblick auf den Aufwand und die Schwierigkeit der Rückgewinnung des
ursprünglichen Halbleiterkörpers nicht geeignet.
Bei der Erfindung wird dagegen die aus der Zeitschrift »Scientia electrica« Vol. X (1964), Fase. 4,
Seit>> 103 und 109 bekannte Erscheinung der Ausdiffusion
eines Dotierungsmaterials in eine durch thermische Oxydation entstehende Siliciumoxydschicht
ausgenutzt. Diese Oxydation kann bekanntlich mit trockenem oder feuchtem Saugstoff oder mit Wasserdampf
durchgeführt werden. Bei einem Verfahren zur thermischen Oxydation einer Silicium-Halbleiteroberfläche
mittels Wasserdampf ist auch aus der Zeitschrift »Journal of the Electrochemical Society« Vol.
110, Nr. 6 (Juni 1963), Seite 527 bekannt, zur Herstellung der oxydierenden Atmosphäre Sauerstoff mit
einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit von 60 Liter pro Stunde durch Wasser zu perlen, welches bei
einer geregelten Temperatur von 95° ±0,2° C gehalten wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten
Silicium-Halbleiterkörpern durch Ausdiffusion von Dotierstoff in eine angrenzende, durch Oxydation der
Süicium-Halbleiteroberfläche mittete einer Wasser-
5j dampf von bestimmtem Partialdruck enthaltenden
Atmosphäre gebildeten Siliciumoxydschicht. Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, welches erlaubt, den
Schichtwiderstand der Diffusionsschicht bei einer Teilmenge aus einer Menge von diffusionsdotierten
Halbleiterkörpern reproduzierbar einzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindurigsgemäß dadurch ge-.
löst, daß der Wasserdampfpartialdruck der Atmosphäre dadurch eingestellt wird, daß ein Trägergas mit
einer Strömungsgeschwindigkeit von weniger als 20 Liter pro Stunde durch Wasser von einer geregelten
Temperatur mit einer konstant gehaltenen Oberfläche von weniger als 30 cm2 geperlt wird, oder daß der
Wasserdruck an einer Mikropumpe eingestellt wird,
welche mit einer Kanüle verbunden ist, durch welche Wassertropfen austreten und unter Verdampfung auf
einen Ansatz im Reaktionsrohr fallen, der auf einer Temperatur etwas oberhalb der Wasserverdampfungstemperatur
gehalten wird.
Durch das Verfahren der Erfindung wird die Bildung makroskopischer Wasserteilchen so weit unterdrückt,
daß der Wasserdampfpartialdruck und damit die Ausdiffusion des Dotierungsmaterials zur Einstellung
des Schichtwiderstandes sehr genau geregelt werden kann.
Aus der deutschen Patentschrift 54 862 ist zwar bekannt, den Schichtwiderstand von diffusionsdotierten
Silicium-Halbleiterkörpern dadurch einzustellen, daß die Einstellung während des Diffusionsdotierungsprozesses
über eine Steuerung des Wasserdampfpartialdruckes in der den Wasserdampf enthaltenden Atmosphäre
erfolgt, über welchen Wasserdampfpartialdruck eine die Eindiffusion von Bor hemmende
Wirkung einer sich bei dem Diffusionsdotierungsprozeß
bildenden Oxydschicht bestimmt wird. Durch dieses Verfahren soll der Aufwand für eine zusätzliche
Ofenanlage vermindert werden. Es handelt sich also um die Einstellung des Schichtwiderstandes bei einem
Eindiffusionsdotierungsprozeß. Demgegenüber wird bei dem Verfahren nach der Erfindung die Einstellung
des Schichtwiderstandes bereits bei einem diffusionsdotierten Halbleiterkörper durch Ausdiffusion des
Dotierungsmaterials in die sich bildende Oxydschicht durchgeführt.
Bei dem Verfahren des älteren Vorschlages der deutschen Offenlegungsschrift 1 544212 zur Einstellung
des Schichtwiderstandes von dotierten Silicium-Halbleiterkörpern durch Ausdiffusion von Dotierstoff
in eine angrenzende Schicht von niedrigerer Dotierstoffkonzentration wird sine Schicht aus Siliciumoxyd
verwendet, in welche der Dotierstoff eindiffundiert wird. Der Halbleiterkörper ist aber bei diesem älteren
Vorschlag nicht diffusionsdotiert, sondern entsprect.jnd
d<*r beabsichtigten Herstellung eines pn-Ubergangs
homogen mit zwei Dotierungsstoffen entgegengesetzten Leitungstyps dotiert. 3ei diesem Verfahren
wird ebenfalls keine kontrollierte Oxydation mittels Wasserdampf von bestimmtem Partialdruck vorgenommen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar zur Einstellung des Schichtwiderstandes
eines Halbleiterkörpers einer Mehrzahl von diffusionsdotierten Silicium-Halbleiterkörpern,
die mit Oberflächenschichten gleichen Schichtwiderstandes entsprechend der Festkörperlöslichkeit des
Dotierungsmaterials versehen worden sind. Selbstverständlich kann das Verfahren der Erfindung auch
bei jede;· Teilmenge der Mehrzahl von Halbleiterkörpern angewendet werden.
Wie bereits ausgeführt, ist es bei der Verwendung von Bor als Dotierungsmaterial zur Diffusion in einen
Halbleiterkörper aus Silicium ohne weiteres möglich, bei einer Mehrzahl von Halbleiterkörpern reproduzierbar
gleiche Schichtwiderstände der Oberflächenschichten zu erhalten. Bei anderen Dotierungsmaterialien
bleibt die nach höheren Werten begrenzende Wirkung der Festkörperlöslichkeit erhalten, wenn das
Angebot von Dotierungsmaterial bei der Vordotierung oberhalb eines der Festkörperlöslichkeit entsprechenden
Wertes so weit begrenzt wird, daß keine flüssige Phase einer Legierung des Halbleitermaterials
mit dem Dotierungsmaterial auftritt. Dem Fachmann sind Mittel geläufig, um diese Bedingung zu erfüllen.
Die Erfindung wird im folgenden an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Diffusion von Bor in
plattenförmige Halbleiterkörper einer Teilmenge aus einer Mehrzahl von Halbleiterkörpern aus Silicium an
Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaubild der Abhängigkeit des Wasserdampfdruckes
von der Wassertemperatur,
ίο Fig. 2 die Ätzzeit für vollständiges Abätzen einer
durch Oxydation gebildeten Oxydschicht durch Flußsäure als relatives Maß der Oxydschichtdicke,
Fig. 3 die Abhängigkeit des Schichtwiderstandes von der Wassertemperatur,
Fig 4 eine Diffusionsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und
F i g. 5 eine Vorrichtung zur Dosierung des Wassergehaltes in der Atmosphäre bei der Diffusion.
Zur Einstellung der Schichtwiderstände von HaIb-
Zur Einstellung der Schichtwiderstände von HaIb-
ao leiterplatten wurden bereits Vordiffusioniverfahren
zur Aufbringung mii Trocken-Feucht-Programmen vorgeschlagen. Diffundieit man nun in extrem trockener
Sauerstoffatmosphäre, so wird nahezu derselbe Schichtwiderstand wie vor der Aufbringung beibehalten.
Bei einer feuchten Oxydation kann man dagegen den Schichtwiderstand der Oberflächenschicht bis auf
den Faktor 4 erhöhen Zwischenwerte werden im Bereich zwischen trockener und feuchter Oxydation erzielt,
welche beispielsweise bei Silicium bei 1200° C über eine Zeit von 5 bis 15 Minuten erfolgt. Die Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit der Zwischenwerte hängt stark vom Wassergehalt des Sauerstoffes in der
trockenen Phase der Oxydation ab, d. h. von der Anfangsoxydation der Süiciumoberflächen. Neben Sauerstoff
ist auch ein anderes unschädliches Trägergas, z.B. Argon, geeignet.
Beim Verfahren der Erfindung wird Bor durch Ausdiffusion in die sich bei der gesteuerten Oxydation
des Silicium bildende Siliciumoxydschicht entfernt.
Die Bildung dieser Oxydschicht kann über den Sättigungsdampfdruck des Wassers gleichmäßig und sehr
genau über die Temperatur gesteuert werden. Die Fig. 1 zeigt den Sättigungsdampfdruck des Wassers
gegen die Temperatur. Ir der F i g. 2 ist als Maß für
die Dicke der sich bei der Umsetzung des Siliciums zu Siliciumoxyd mit steigender Wasserdampfdruck
bildenden Siliciumoxydschicht die Ätzzeit für vollständige Auf lösung dieser Schicht in einer verdünnten
Flußsäurelösung angegeben. Diese Zeit kann recht genau Jurch Beobachtung der Farbänderung während
der Ätzung bei konstant gehaltenen Bedingungen, wie Temperatur und Zusammensetzung des Ätzbades, ermittelt
werden. Die Ätzzeiten entsprechen somit den Oxydschichtdicken bis auf einen konstanten Faktor.
Die F i g. 3 veranschaulicht die Erhöhung des Schichtwiderstandes
mit steigender Wassertemperatur THiO
bzw. steigendem Sättigungsdampfdruck bei gleichen Ausg .ngs-Schichtwiderständen einer Oberflächenschicht
von 100 Ohm/D
Wichtig für diese Art der Einstellung der Schichtwiderstände
von Halbleitei schichten bei der eigentlichen Diffusion ist eine konstante Wasseroberfläche,
welche 28 cm2 bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gemäß der
Fig. 4 betrug. Das Verdampfergefäß 4 darf nicht die herkömmliche Kolbenform, insbesondere eine Rundkolbenform,
besitzen. Bei Verwendung eines Rundkolbens würde sich nämlich die Wasseroberfläche bei
1 »OO»öö
Abnahme der Wassermenge 9 ändern. In der Fig. 4 ist ein Verdampfergefäß 4 abgebildet, welches bei abnehmender Wassermenfre 9 eine konstante Wasseroberfläche gewährleistet. Die Durchflußgeschwindigkeit von beispielsweise 2 Liter pro Stunde genügt, um
eine gute Durchmischung des Wassers zu erzielen, indem man den Sauerstoff als TrägergaS des Wasserdampfes durch die Kapillare 8 drückt. Eine größere
Trägergasmenge, beispielsweise 100 Liter pro Stunde, ist schädlich, da makroskopische Wasserteilchen in
das Reaktionsrohr 2 mitgerissen werden können. In diesem Fall kann sich kein konstantes Gleichgewicht
zwischen Sauerstoff und Wasserdampf im Reaktionsrohr 2 einstellen, welches im Diffusionsofen 7 angeordnet ist. Als günstig hat sich eine Aufladung des
Rohres 2 mit Wasserdampf vor dem Einbringen der Halbleiterplatten 1 erwiesen. Man schiebt zu diesem
Zweck die auf dem Quarzträger 3 angeordneten SiIiciumplatten 1 erst in die kalte Zone des Rohrendes
und nach etwa 5 Minuten mittels eines durch eine kleine öffnung 5 der Verschlußklappe 6 gesteckten
Quarzstabes in die Mitte des Ofens. Dann bleibt der Ofen bis Ende der eigentlichen Diffusion bis auf die
kleine öffnung 5 verschlossen.
Der Partialdruck des Wasserdampfes im Reaktionsrohr 2 wird über die Temperatur THjO der Wassermenge 9 mittels des Thermostaten 10 geregelt, der
einen Heizer 11 und einen Temperaturfühler 12 aufweist. Ein Schichtwiderstand von 150 Ohm/O wurde
bei Verwendung einer vordiffundierten Oberflächenschicht mit 100 Ohm/D und von etwa 0,3 /im Dicke
mit einer Oxydschichtdicke von 0,4 μπι erzielt. Bei der eigentlichen Diffusion wurde anfänglich die Was
sermenge 9 während eines Zeitraumes von 30 Minuten bei 50° C gehalten. Anschließend wurde 15 Minuten auf 95° C Wassertemperatur umgeschaltet und
so eine Verdickung der Oxydschicht um etwa 0,25 μχη
auf 0,4 /im erzielt.
tion bei 50° C eine wesentliche Änderung des Schichtwiderstandes der zu diffundierenden Halbleiterschicht, deren Dicke bei der angewendeten Diffusionstemperatur 2,5 μπι betrug, nicht mehr erfolgte.
Dies ist verständlich, da vor der Verdickung der Oxydschicht die Konzentrationsgradienten der Dotierung in die Oxydschicht von etwa 0,15 μπι Dicke
und in den Halbleiterköper bereits erheblich abgeflacht sind. Bei der zweiten Oxydation während 15
ίο Minuten bei 95° C Wassertemperatur wird also
hauptsächlich die Oxydschicht um 0,15 μπι verdickt, was aber eine merkliche Verbesserung ihrer maskierenden Eigenschaften bei einer anschließenden Verwendung als Diffusionsmaske, wie es beispielsweise
bei der Emitterdiffusion von Planartransistoren erforderlich ist, erbringt.
Abgesehen von den sich aus dem Phasendiagramm Bor-Silicium ergebenden Vorteilen bei einer Diffusion von Bor in Silicium ergibt sich eine die Ausdiffu-
ao sion des Bors in die Siiiciumoxydschicht fördernde Wirkung aus der relativ guten Löslichkeit des Bors
im Siliciumoxyd. Geringere Löslichkeiten des Dotierungsmaterials im Siliciumoxyd können nämlich den
Einstellbereich und damit die Anwendungsmöglich-
keiten des Verfahrens nach der Erfindung erheblich einengen.
Die Fig. 5 zeigt alternativ zur Fig. 4 eine weitere
Möglichkeit zur Einstellung des Wasserdampfpartialdruckes i»j Reaktionsrohr 2 durch eine Vorrichtung
innerhalb des ausschnittsweise dargestellten Reaktionsrohrs 2 im Ofen 7. Der Sauerstoff wird durch ein
Einlaßrohr 13 über einen schaufeiförmigen Ansatz 14
des Finlaßrohres geleitet Die ans einer Kanüle 15
austretenden Wassertropfen fallen verdampfend auf den Ansatz 14, der am Ende des Ofens bei einer Temperatur etwas oberhalb der Wasserverdampfungstemperatur angeordnet wird. Der Wasserdampfpartialdruck innerhalb des Reaktionsrohres 2 ist über den
Wasserdruck an der Mikropumpe 12 einstellbar.
3332
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahrer, zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten Silicium-Halbleiterkörpern durch Ausdiffusion von Dotierstoff in eine angrenzende, durch Oxydation der Silicium-Haltleitercberflache mittels einer Wasserdampf von bestimmtem Partialdruck enthaltenden Atmosphäre gebildeten Siliciumoxydschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfpartialdruck der Atmosphäre dadurch eingestellt wird, daß ein Trägergas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von weniger als 20 Liter pro Stunde durch Wasser von einer geregelten Temperatur mit einer konstant gehaltenen Ober fläci:e von weniger als 30 cm2 geperlt wird, oder daß der Wasserdruck an einer Mikropumpe eingestellt wird, welche mit einer Kanüle verbunden ist, durch welche Wassertropfen austreten und unter Verdan pfung auf einen Ansatz im Reaktionsrohr fallen, der auf einer Temperatur etwas oberhalb der Wasserverdampfungstemperatur gehalten wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19691958988 DE1958988C3 (de) | 1969-11-25 | 1969-11-25 | Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten SiIi cium-Halbleiterkörpern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19691958988 DE1958988C3 (de) | 1969-11-25 | 1969-11-25 | Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten SiIi cium-Halbleiterkörpern |
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DE1958988C3 DE1958988C3 (de) | 1974-03-07 |
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ID=5751932
Family Applications (1)
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DE19691958988 Expired DE1958988C3 (de) | 1969-11-25 | 1969-11-25 | Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten SiIi cium-Halbleiterkörpern |
Country Status (1)
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Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19635593C1 (de) * | 1996-09-02 | 1998-04-23 | Siemens Ag | Ultraschallwandler für den diagnostischen und therapeutischen Einsatz |
CN114182354B (zh) * | 2021-11-08 | 2023-04-07 | 深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司 | 反应室气体增湿装置及扩散设备 |
-
1969
- 1969-11-25 DE DE19691958988 patent/DE1958988C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE1958988C3 (de) | 1974-03-07 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |