DE2009359C3

DE2009359C3 - Anordnung zum Eindiffundieren von Dotierstoffen in ein Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2009359C3
Application number: DE2009359A
Authority: DE
Inventors: Helga 8551 Pretzfeld Kursawe; Karl Dipl.-Phys.Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen Platzoeder; Konrad Dipl.-Chem.Dr. Phil.Nat. 8011 Vaterstetten Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-02-27
Filing date: 1970-02-27
Publication date: 1974-05-02
Also published as: SE354015B; CH540717A; NL7012804A; DE2009359A1; JPS4827493B1; CA942640A; GB1258226A; CS148100B2; AT307510B; DE2009359B2; US3698354A; FR2078934A5

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Eindiffundieren von Dotierstoffen in ein Halbleitermaterial im Hochvakuum, mit einer bcheizbaren, in einem abgeschlossenen Behälter untergebrachten Ampulle aus dem gleichen Halbleitermaterial, in der Scheiben des zu dotierenden Halbleitermaterial angeordnet sind.

Eine solche Vorrichtung ist bereits vorgeschlagen worden. Mit ihr lassen sich Halbleiterscheiben diffundieren, die, vorausgesetzt, daß sie vor der Diffusion frei von Störungen des Kristallgefüges waren, weiterhin in hohem Maße frei von Störungen des Kristallgefüges bleiben. Dies hat seine Ursache darin, daß die Halbleiterscheiben von dem Material der Ampulle, das gleich dem Material ist, aus dem die Halbleiterscheiben bestehen, chemisch nicht angegriffen werden. Außerdem hat eine Ampulle aus

ίο Halbleitermaterial, z.B. Silizium, die Eigenschaft bei höheren Temperaturen ein sehr guter Wärmeleiter zu sein. Das führt dazu, daß im Inneren einer auf höhere Temperatur erhitzten Ampulle aus Halbleitermaterial überall praktisch die gleiche Temperatür hei:scht. Damit werden insbesondere beim Abkühlen der Anordnung in den Halbleiterscheiben auftretende Verspannungen vermieden, die Gitterstörungen hervorrufen können. Diese Gitterstörungen können bei großer Dichte in einem Halbleiterkörper

ao wie Rekombinationszentren wirken.

Für die Bildung von Rekombinationszentren sind jedoch vorwiegend andere Ursachen, wie z. B. in das Kristallgitter der Halbleiterkörper eingelagerte Schwcrmetallatome verantwortlich. Diess Schwermetallatome z. B. Gold oder Kupfer, sind immer mindestens in Spuren in den zur Zeit üblichen Dotierstof fen enthalten. Schwermetalle können außerdem auch im Material des Behälters, der z. B. aus Quarzglas be steht, vorhanden sein und besonders bei hoher Tem peratur aus diesem Material in die Halbleiterscheiben hineindiffundieren. Es diffundieren solche Schwermetallatome zusammen mit den gewünschten Dotierstoffen in die Halbleiterkörper ein und werden dort im Kristallgitter eingebaut. Dort wirken sie, vor allem in Verbindung mit den obenerwähnten Kristallstörungen, als Rekombinationszentren für im Halbleiter körper befindliche freie Ladungsträger.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß der Anteil der in die Halbleiterscheiben eindiffundieren den Schwermetallatome vermindert werden kann, so daß versetzungsfreie oder mit Versetzungen versehene Halbleiterscheiben während der Diffusion und

^Z Abkühlungsprozesse keine zusätzlichen Versetzungen erhalten.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ampulle mindestens an der Außenfläche wenigstens teilweise eine polykristalline Oberfläche aufweist, daß die Ampulle Öffnungen aufweist, deren Fläche klein im Vergleich ,zur Querschnittsfläche der Ampulle ist und daß eine Dotierquelle vorgesehen ist, die außerhalb der Ampulle, aber innerhalb des abgeschlossenen Behälters angeordnet ist.

Vorzugsweise weisen die Öffnungen eine Fläche zwischen 0,1 °/o und 20⁰O der Querschnittsfläche der Ampulle auf. Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn die Ampulle einseitig mit einem Stopfen verschlossen ist und die Öffnungen durch Undichtigkeit cn zwischen stopfen und Ampulle gebildet sind. Zweckmäßigerweise wird dabei die Dotierquelle auf der dem Stopfen abgewandte Seite de. Ampulle gelegt.

Die Erfindung wird <~>n Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Figur näher erläutert.

Die in der Figur gezeigte Vorrichtung weist einen abgeschlossenen Behälter 1 auf, in dem Hochvakuum

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von etwa 10-β Torr herrscht. Der Behälter I besteht quelle oft eine andere Temperatur aufweisen soll wie

beispielsweise aus einer mittels eines Quarzstopfens das zu dotierende Halbleitermaterial.

14 an der Stelle 15 ringfömig abgeschmolzenen Beim Dotieren der in der Ampulle 2 unlergebrach-

Ouarzampulle. In dem Behälter 1 liegt eine Ampulle ten Halbleiterscheiben 3 wird das Dotiermaterial,

2. in der Scheiben3 aus Halbleitermaterial angeord- 5 z.B. Aluminium, Gallium auf eine Temperatur auf-

net sind. Die Scheiben 3 aus Halbleitermaterial wer- aeheizt, bei der sich der gewünschte Dampfdruck des

den durch Stützen 4 in der Ampulle 2 se zusammen- Doiierstoffes einstellt. Das Dotiermaterial breitet sich

gehalten, daß ein Verkanten der Scheiben 3 ausge- im Inneren des Behälters 1 aus und dringt durch die

schlossen ist. Dabei bestehen die Ampulle 2 und die öffnungen 6 bzw. 7 in das Innere der Ampulle 2 ein.

Halbleiterscheiben 3 und zweckmäßigerweise auch io Dort diffundiert das Dotierungsmaterial in die Schei-

dic Stützscheiben 4 aus dem gleichen Material. Die ben 3 ein. Auf dem Weg zu den öffnungen 6 bzw. 7

Stützscheiben sind so bemessen, daß zwischen ihrem kommen die Moleküle des gasförmigen Dotiermate-

Lmfang und der Innenwand der Ampulle genügend rials, deren freie Weglänge im Hochvakuum sehr

Platz bleibt, um den Dotieritoffen einen Durchtritt groß ist, mit der mit 10 bezeichneten Außenwand der

zu den Halbleiterscheiben zu ermöglichen. Zu diesem 15 Ampulle 2 mehrfach in Berührung. Diese Außen-

Zweck können die Stützscheiben 4 auch mit Schlitzen wand besteht mindestens teilweise aus polykristalii-

oder öffnungen versehen sein. nem Material, d. h. aus Material, an dem sich infolge

Die Ampulle 2 ist mit einem Stopfen 5 abgeschlos- von außen zutage tretenden Kristallstörungen bevorsen, in der öffnungen 6 vorgesehen sind. Die Ge- zugt Fremdstoffe anlagern können. An der Außensamtfläche dieser Öffnungen ist klein gegenüber der ao fläche 10 der Ampulle 2 lagert sich neben einem Teil Querschnittsfläche der Ampulle. Es empfiehlt sich des Dotierstoffes nun aber auch ein beachtlicher Teil jedoch, die Gesamtfläche der Öffnungen in bezug der im Inneren des Behälters 1 enthaltenen Schwerauf die Querschnittsfläche der Ampulle nicht kleiner metallspuren an und gelangt auf diese Weise nicht als 0,1 °o zu wählen, damit der Zutritt der Dotier- mehr bis zur Oberfläche der Scheiben 3. Diese Wirstoffe nicht gehindert wird. Die Gesamtfläche der as kung kann noch von der polykristallinen Oberfläche öffnungen sollte aber auch nicht mehr als 20 ° 0 der der Stützscheibe 13 unterstützt werden.
Querschnittfläche der Ampulle betragen, da sonst der Dieser Teil des Dotierstoffes wird wie der ge-Temperaturgradient im Inneren der Ampulle zu groß nannte Teil der Schwermetallatome in die Oberfläche wird und es zu temperaturbedingten Verspannungen der Ampulle eingebaut und diffundiert dort ein Stück in den Halbleiterscheiben kommen kann. Die Öff- 30 in die Ampullenwand hinein. Da der Dotierstoff jenungen in der Ampulle 2 brauchen nicht unbedingt doch sehr stark im Überschuß vorhanden ist, so im Stopfen 5 zu sitzen, es kann bereits genügen, reicht die durch die öffnungen 6 bzw. 7 in das Innere wenn nur der Stopfen 5 in das Ende der Ampulle 2 der Ampulle gelangende Menge aus, um die Halbschlecht eingepaßt ist, so daß zwischen Stopfen 5 und leiterscheiben 3 wunschgemäß zu dotieren. Ähnlich Ampulle 2 kein gasdichter Abschluß entsteht. Die 35 werden auch nicht sämtliche Schwermetallatome von auf diese Weise gebildete Verbindung zwischen dem der polykristallinen Oberfläche der Ampulle einge-Innenraum der Ampulle 2 und dem mnenraum des fangen, es gelangt vielmehr ein gewisser Anteil in die Behälters 1 ist in der Figur mit 7 bezeichnet. Ampulle hinein und diffundiert dort in die HaIb-

Die Ampulle 2 liegt im Inneren des Behälters 1 leiterscheiben ein.

zwischen einer Stützscheibe 13 und dem Quarzstop- 40 Durch die Erfindung ist ej also möglich, die An-

fcn 14. Der Quarzstopfen 14 ist zweckmäßigerweise zahl der Rekonibinationszentren in einem Halbleiter-

so eingepaßt, daß er auf den Stopfen 5 einen Druck körper zu senken. Ein Halbleiterbauelement, das

ausübt, der etwa zwischen 0,1 und 100g/cm^ä betra- einen in einer Anordnung gemäß der Erfindung dif-

gen kann. Damit wird verhindert, daß sich die Halb- fundierten Halbleiterkörper aufweist, wird also eine

leiterscheiben unter Einwirkung der hohen, bei der 45 höhere Trägerlebensdauer und damit einen geringe-

Diffusion angewandten Temperatur verbiegen und ren Spannungsabfall in Durchlaßrichtung aufweisen

auf diese Weise Verspannungen im Kristallgefüge ak VergleichMiiaterial, das nicht in einer Anordnung

entstehen. Die Ampulle 2 stützt sich gegen die Stütz- gemäß der Erfindung diffundiert wurde. Es ist auf

scheibe 13 ab. Diese weist Öffnungen auf oder ist so diese Weise möglich, eine sehr niedrige Konzentra-

in den Behälter 1 eingepaßt, daß der Durchtritt von 50 tion von Schwermetallen im Halbleiterauch nach der

Dotierstoffen möglich ist. Zweckmäßigerweise be- Diffusion zu erreichen. Durch anschließende gezielte

steht auch diese Stützscheibe aus dem gleichen Halb- Zugabe von Schwermetallen läßt sich vor allem bei

leitermaterial. versetzungsfreien Kristallen eine gewünschte Träger-

Tm Inneren des Behälters 1, jedoch außerhalb der lebensdauer in weiten Grenzen einstellen. Damit erAmpulle 2 befindet sich ein Gefäß8, das Dotier- 55 gibt sich die Möglichkeit z.B. bei Thyristoren eine stoff 9 enthält. Der Behälter ist von Heizwicklungen vorgewählte Freiwerdezeit mit engen Fcrtigungsumgeben, deren erste mit 11 und deren zweite mit 12 toleranzen einzuhalten.

bezeichnet sit. Mit H'!fe dieser Heizwicklungen ist Die Erfindung läßt sich sinngemäß auch anwenden die Temperatur der Ampulle und die Temperatur der bei Halbleitermaterialien wie Germanium, Silizium-Dotierquelle «etrennt einstehbar, da die Doticrungs- 60 karbid, III-V-Verbindungen wie Galliumarsenid usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Eindiffundieren von Dotierstoffen in ein Halbleitermaterial im Hochvakuum, mit einer beheizbaren, in einem abgeschlossenem Behälter untergebrachten Ampulle aus dem gleichen Halbleitermaterial, in der Scheiben des zu dotierenden Halbleitermaterials angeordnet sind, dadurch gekenrzeichnet, daß die Ampulle (2) mindestens an der Außenfläche (10) wenigstens teilweise eine polykristalline Oberfläche aufweist, daß die Ampulle Öffnungen aufweist, deren Gesamtfläche klein im Vergleich zur Querschnittsfläcbe der Ampulle ist und daß eine Dotierquelle (8, 9) vorgesehen ist. die außerhalb der Ampulle (2), aber innerhalb des abgeschlossenen Behälters (1) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen eine Fläche zwischen 0,1⁰Z₀ und 20°/< > der Querschnittsfläche der Ampulle (2) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ampulle (2) mit einem Stopfen (5) verschlossen ist und daß die Öffnungen (6) im Stopfen (S) sitzen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ampulle mit einem Stopfen (5) verschlossen ist und da R die öffnungen (7) durch Undichtigkeiten zwischen Stopfen (5) und Ampulle (2) gebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (5) mit einem Druck zwischen 0,1 g,cm- und 100 g/cm"- gegen die Halbleiterscheiben (3) gedruckt ist,

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dab die Halbleiterscheiben (3) zwischen Stützscheiben (4) aus dem gleichen Material angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichⁿⁱn, daß zwischen Ampulle (2) und Dotierstoffquclle (8, 9) eine weitere Stützscheibe (13) liegt, die aus Halbleitermaterial besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 7, daß der Druck durch einen im Behälter (1) einschmelzbarcn Quarzstcpfen (14) eingestellt ist, wobei die weitere Stützscheibe (13) als Widerlager dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsquelle (8, 9) auf der dem Stopfen (5) abgewandten Seite der Ampulle (2) liegt.