DE1958988C3

DE1958988C3 - Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten SiIi cium-Halbleiterkörpern

Info

Publication number: DE1958988C3
Application number: DE19691958988
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7800 Freiburg Kraft
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1969-11-25
Filing date: 1969-11-25
Publication date: 1974-03-07
Also published as: DE1958988A1; DE1958988B2

Description

Die Erfindung behandelt das Problem der Einstellung der Schichtwiderstände von in Halbleiterkörpern diffundierten Halbleiterschichten. Bekanntlich werden derartige Halbleiterschichten aus vordotierten Oberflächenschichten in oxydierender Atmosphäre diffundiert. Die vordiffundierten 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 10&6 512 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 Schicht-Widerstandes 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 Diffusionstemperat jren kurz unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium nicht auftritt. Daher entspricht die Dotierungsmenge an Bor innerhalb der vordotierten Ober-

flächenschicht immer der relativ schwach temperaturabhängigen Festkörperlöslichkeit bei der Temperatur der Vordiffusion. Unregelmäßigkeiten, beispielsweise Ausseigerungen oder Einschlüsse sind ausgeschlossen; die Kristallgittersiruktur der Oberflächenschicht

bleibt bis auf den Einbau von Boratomen auf Gitterplätzen 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. Ill, Nr. 2 (Juli 1960), Seite 45, ist ein Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes

as von diffusionsdotierten Süicium-Halbleiterkörpem 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, Seite 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 Sauerstoff 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 Silicium-Halbleiteroberfläche mittels einer Wasserdampf 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

•6o Halbleiterkörpern reproduzierbar einzustellen.

Diese Aufga.be wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 unte:: Verdampfung auf einen Ansatz im Reaktionsrolu fallen, der auf einer Temperatur etwas oberhalb der 'Wasserverdampfungstemperatur gehalten wird.

Durch das Verfahren der Erfindung wii J 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 Wasserdatnpfpartialdruckes 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 1 544 212 zur Einstellung des Schichtwiderstandes von dotierten Silicium-Halbleiterkörpern durch Ausdiffusion von Dotierstoff in eine angrenzende Schicht von niedrigerer Dotierstoffkonzentration wird eine Schicht aus Siliciumoxyd verwendet, in welche der Dotierstoff eindiffundiert wird. Der Halbleiterkörper ist aber bei diesem älteren Vorschlag nicht diffusionsdotiert, sondern entsprechend der beabsichtigten Herstellung eines pn-Ubergangs homogen mit zwei Dotierungsstoffen entgegengesetzten Leitungstyps dotiert. Bei 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 jeder 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 reprodu zierbar gleiche Schichtwiderstände der Oberfiächenschichten 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 Wasserda^ipfdruckes von der Wassertemperatur, ίο F i g. 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 HaIbao leiterplatten wurden bereits Vordiffusionsverfahren zur Aufbringung mit Trocken-Feucht-Programmen vorgeschlagen. Diffundiert man nun in extrem trockener Sauerstoffatmosphäre, so wird nahezu derselbe Schichtwiderstand wie vor der Aufbringung beibehal as ten. 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 Siliciiimoberflächen. 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. In der Fig. 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 Auflösung dieser Schicht in einer verdünnten Flußsäurelösung angegeben. Diese Zeit kann recht genau durch 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 einer konstanten Faktor. Die Fi g. 3 veranschaulicht die Erhöhung des Schichtwiderstandes mit steigender Wassertemperatur T_HjO bzw. steigendem Sättigungsdampfdruck bei gleichet Ausgangs-Schichtwicierständen einer Oberflächenschicht von 100 Ohm/D

Wichtig für diese Art der Einstellung der Schicht-

widerstände von Halbleiterschichten bei der eigentlichen Diffusion ist eine konstante Wasseroberfläche, welche 28 cm² bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gemäß der F i g. 4 betrug. Das Verdampfergefäß 4 darf nicht die herkömmliche Kolbenform, insbesondere eine Rundkolbenform, besitzen. Bei Verwendung eines Rundkolbens würde sich nämlich die Wasseroberfläche bei

Abnahme der Wassermenge 9 ändern. In der F i g. 4 ist ein Verdampfergefäß 4 abgebildet, welches bei abnehmender Wassermenge 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 erwiese:i. 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 Wasseidampfes im Reaktionsrohr 2 wird über die Temperatur T_HiO der Wassermenge 9 mittels des Thermostaten 10 geregelt, der einen Heizer 11 und einen Temperaturfühler 12 aufweist. Ein Schichtwiderstand von 150 Ohm/D wurde bei Verwendung einer vordiffundierten Oberflächenschicht mit 100 Ohm/D und von etwa 0,3 μΐη Dicke mit einer Oxydschichtdicke von 0,4 μπι erzielt. Bei der eigentlichen Diffusion wurde anfänglich die Wassermenge 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 μΐη auf 0,4 μπι erzielt.

Es wurde festgestellt, daß nach der ersten Oxydation 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 μΐη Dicke und in den Halbleiterkörper bereits erheblich abgeflacht sind. Bei der zweiten Oxydation während 15

ίο Minuten bei 95° C Wassertemperatur wird also hauptsächlich die Oxydschicht um 0,15 μΐη 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 Siliciumoxydschicht fördernde Wirkung aus der relativ guten Löslichkeit des Bors im Siliciumoxyd. Geringere Löslichkeiten des Dotierungsmaterials im Siliciumoxyd können nämlich den Einstellbereich und damit die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens nach der Erfindung erheblich einengen.

Die Fi g. 5 zeigt alternativ zur Fig. 4 eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des Wasserdampfpartialdruckes im Reaktionsrohr 2 durch eine Vorrichtung innerhalb de.s ausschnittsweise dargestellten Reaktionsrohrs 2 im Ofen 7. Der Sauerstoff wird durch ein Einlaßrohr 13 über einen schaufeiförmigen Ansatz 14 des Einlaßrohres geleitet. Die aus einer Kanüle IS 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 der Wasserdruck an der Mikropumpe 12 einstellbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Einstellung des Schichtwiderstandes von diffusionsdotierten Silicium-Halbleiterkörpern durch Ausdiffusion von Dotierstoff in eine angrenzende, durch Oxydation der Silirium-Haltleiteroberfläche 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 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.