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Verfahren und 3iffusionsvorrich-tunffl zur Herstellung von dotierte
Material Die erfindung betrifft ein Verfahren zum homogenen Einleiten von verdampfungsfähigen
Fremdstoffen in einen Grund werkstoff, insbesondere ein Verfahren zum Einführen
von die Beitfähigkeitstype bestimmenden Störstoffen in einen Halbleiterkörper durch
Dampf-Feststoff-Diffusion unter Verwendung eines Dampfdruckmessers.
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Bei der Herstellun von Halbleitereinrichtungen muß man im allgemeinen
in einem Körper aus Halbleitermaterial diffundierte Bereiche herstellen. Zur Ausbildung
von diffundierten, gleichrichtend wirkeiidenÜbergängen geht man von einem Körper
aus einem Halbleitermaterial aus, das zu einer Leitfähigkeitstype gehört, und wird
in den Körper ein ausgewählter Jtörs-toff diffundiert, wodurch eine Schicht des
Körpers in ein Material der entgegen-Uesetz-ten Leitfähigkeitstype umgewandelt wird.
Die die Dicke der umgewandel ten Schicht und die Konzentration des gewählten Stör-Stoffs
in der Schicht betreffenden Anforderungen sind für ver-Schiedene herzustellende
Halbleitereinrichtungen verschieden.
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bei vielen Arten von derartigen Einrichtungen müssen sowohl für die
Dicke als @uch für die Konzentration sehr schmale Toleranzen eiehalten werden.
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In einem üblichen Verfahren zur Ausbildung von Schichten mit verän@erter
Leitfähigkeitstype in einem Halblei terkörper @@beitet man mit Dampf-Fectstoff-Diffusion.
In diesem Verfahren, das zahlreiche Varian-ten hat, wird ein Halbleiterkörper einer
gesteuerten Atmosphäre aus Störstoffdampf ausgesetzt. Das Ver-@ahren wird bei erhöhten
Temperaturen durchgeführt, damit der in dein Dnpf enthaltene Störstoff in den Halbleiterkörper
eindringen
und in diesem einwärts diffundieren kann, so daß ein
gleichrichtend wirkender pn-Übergang gebildet werden kann. Bei der Bildung einer
durch Dampf-Meststoff-Diffusion gebildeten, diffundierten nicht sind die Konzentration
des gewählten btörstoffs und in geringerem Maße auch die Tiefe der diffundierten
Schicht von dem Dampfdruck des gewählten Störstoffs in der den Malbleiterkörper
umgebenden Atmosphäre abhängig. @.h., es besteht ein Gleichgewicht zwischen der
Konzentration des gewählten Jtörstoffs in der .tmosphäre und der Konzentration des
gewählten Jtörstoffs in dem oberflächennahen Teil des Halbleiterkörpers. Die Reproduzierbarkeit
der Ergebnisse dieser bekannten Verfahren ist daher in hohem Maße davon abhängig,
daß der Dampfdruck des gewählten ztörstoffs in der den Halbleiterkörper umgebenden
Atmosphäre konstantgehalten werden kann.
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Angesichts dieses Problems hat man seit langem versucht, Diffusionsverfahren
zu entwickeln, die zu einem Produkt mit vorherbestimmbaren Eigenschaften führen.
Beispiele dieser Maßnahmen sind: 1. Auf der Oberfläche eines @albleiterkörpers wird
ein Glas gebildet, das eine Störstoffquelle mit festgelegten und gesteuerten Eigenschaften
ist. Danach wird der Körper erhitzt, so daß der gewählte Störstoff tiefer in den
Halbleiterkörper eindringt. Das Glas wird im allgemeinen durch Diffusion in einem
offenen Rohr dotiert.
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2. Ein weiteres Verfahren kann am bes-ten anhand der bekann-ten und
technisch verwendeten Kapscldiffusiosls-tcchnik erlautert werden. Darin werden bekannte
Mengen eines Materials, das eine Jtörstofquelle mit festgelegten und gesteuerten
Zigenschften ist, und ein Halbleitermaterial in eine Kapsel eingebracht, die evakuiert
und auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher der Störstoff in den Halbleiterkörper
diffundiert. zum llerstellen des dotierten Halbleitormaterials durch Diffusion in
der geschlossenen Kapsel werden folgende Verfahren in großem Umfang verwendet:
a)
Herstellung eines Pulvers aus einem abgeschreckten, schmelzflüssigen Gemisch des
Halbleitermaterials und des Störstoffs, b) Herstellung eines Pulvers aus den dotierten
Einkristallen; c) Herstellung eines dotierten Pulvers durch diffusion einer Störstoffmente
von bekanntem gewicht in eine Jlalbleitermaterialmenge von bekanntem Gewicht (in
einem Ofen kit zwei nonen), worauf das dotierte Pulver mit dem Halbleitermatorial
verdünnt und thermisch hornogenisiert wird. bei den beiden erstgenannten Verfahren
zur Herstellung eines dotierten llalbleitermaterials erhält man ein mehrphasiges
Produkt mit nicht reproduzierbaren Eigenschaften. Das dritte Verfahren führt zwar
zu einem homogenen Produkt, ist aber kompliziert; ferner sind die während des Verfahrens
selbst auftretenden Unregelmäßigk@iten nicht bekannt, @@wchl sie die Brauchbarkeit
des Produkts stark beeinträchtigen.
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Durch die Erfindung werden die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten
im wesentlichen beseitigt und werden eine neur-tige Vorri@htung und eine neuartige
Folge von Verfahrensschritten angewendet. Die Erfindung beruht auf in;aben über
die @onzentration von mit Areen und Phosphor dotierten Halbleiterkörpern in Abhängigkeit
von dem Dampfdruck. In dem erfindungsgemäßn Verfahren braucht der fachmann nur die
Eigenschaften des gewünschten Materials, d.h., die Konzentration des gewählten @törstoffs,
zu bestimmen, um dann anhand der Kurven (Fig. 2) den erforderlichen Dampfdruck zu
bestimmen. Danach wird der Halbleiterkörper in einer evakuierten Kammer in Anwesenheit
eines Dampfes, der den gewünschten leitfähigkeitstypenbestimmender Störstoff enthält,
auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher der Störatoff in den Halbleiter diffundiert,
während der Störstoffdruck in dem System überwacht wird. Die Temperatur wird verändert,
bis der gewünschte Druck erreicht ist. Diese Temperatur und mit ihr der Druck werden
auf diesem Niveau gehalten, bis der erforderliche Diffusionsgrad erzielt worden
ist. Daher führt das beschriebene Verfahren einwandfrei zu dem gewünschten Produkt
mit bekannten Eigenschaften, wobei feste Parameter in dem Verfahren weitgehend vermieden
werden und das Verfahren sehr anpassungs fahig ist. Ferner ist es nicht mehr notwendig,
den Stört stoff genau abzuwiegen, was bisher oft zu Fehlern geführt hat.
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Die erfindung schafft ein einstufiges Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von dotierten Körpern. Dabei wird in einem vorevakuierten, geschlossenen
Rohrsystem, das in einem Zweizonen-Diffusionsofen angeordnet ist, mindestens ein
typenbestimmender Störstoff durch Dampf-Peststoff-Diffusion in einen Grundwerkstoff
eingebracht, wobei die Diffusion innerhalb des Rohrs durch eine der beiden Temperaturen
in dem Zweizonenofen gesteuert wird. Der Druck in dem Rohr wird überwacht, so daß
das System gesteuert und sein Verhalten während des Verfahrens bestimmt werden kann.
Auf diese Weise erhält man Materialien mit vorherbestimmbaren Eigenschaften.
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Nachstehend werden das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung
näher erläutert. Ferner werden bestimmte Betriebsgrößen und Bereiche derselben sowie
die Arten der verwendeten Materialien angegeben.
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Als "Störstoffett werden jene Fremdstoffe bezeichnet, welche die
elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials beeinflussen, zum Unterschied
von anderen remdstoffen, die im wesentlichen keinen Einfluß auf diese Eigenschaften
haben. Wenn ein Halbleitermaterial so rein ist, daß die noch in ihm enthaltenen
chemischen Verunreinigungen nicht imstande sind, freie Elektronen zu den Kristallgittern
hinzuzufügen oder aus ihnen zu entfernen, bezeichnet man es als einen Eigenhalbleiter.
lurch den Zusatz von Störstoffen wird ein derartiges Material zum Störstellen-Halbleiter.
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Im Rahmen der Erfindung können als Störstoffe sowohl Donatoren, wie
Arsen, Phosphor, Antimon und Wismut, als auch Akzeptoren, wie Indium, Gallium, Bor
und Aluminium, verwendet werden.
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Als Halbleitermaterialien werden die verschiedenartigsten Naterialien
bezeichnet, z.B. Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumphoßphid, usw., und
zwar sowohl als Eigenhalbleiter als auch als Störstellen-Halbleiter. Die Erfindung
wird
vor allem anhand der Dotierung von Silicium in h'orm eines Eigenhalbleiters mit
S-törstoffen, wie Arsen, erläutert. Für den Pachmann versteht es sich jedoch, daß
diese Erläuterung nur die Erfindung verständlich machen und keine einschränkende
Wirkung haben soll. Die Erfindung kann auch auf die Dotierung von Materialien angewendet
werden, die keine halbleiter sind.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung,
mit der erfindungsgemäß eine Diffusion in einen Halbleiterkörper erfolgen kann.
Fig. 1 zeigt ein langgestrecktes Quarzrohr 11, das mit einem Druckmesser 12 versehen
ist.
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Der Druckmesser 12 kann ein aus quarz bestehendes Pederrohr, ein hitzebeständiger
elektrischer Meßwandler oder ein anderer bekannter Druclrmesser sein. Man kann den
Druckmesser 12 auch auf der anderen Seite des Quarzrohrs 11 anordnen, gegebenenfalls
in der Temperaturzone 1. Aus der Zeichnung erkennt man, daß der gewählte Störstoff
13 in dem Behälter am einen Ende desseloen und das zu behandelnde Halbleitermaterial
13A am anderen bunde des Behälters in dem Rohr 11 angeordnet wird. Die ganze Anordnung
befindet sich in dem Ofen 14, der die zwei Temperaturstufen aufrechterhalten kann,
die zur Durchführung der Erfindung erforderlich sind.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man wie folgt
vorgeheh. In der ersten Ausführungsform wird die Temperatur in der Zone 1 konstant
auf dem Wert gehalten, der für die Diffusion erforderlich ist. Der Druck in dem
Rohr 11 wird mittels des Druckmessers 12 gemessen. In Abhängigkeit von dem in dem
@ohr 11 herrschenden und durch den Druckmesser 12 angezeigten druck kann man die
Temperatur in der Zone 2 verändern und dadurch den Druck in dem Rohr 11 ändern,
so daß entsprechend der in Fig.2 gezeigten Kurve die gewünschten Diffusionsbedingungen
erhalten werden.
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In der zweiten usführungsform wird die Temperatur in der Zone 2 konstant
gehalten und wird durch veränderung der Temperatur in der Zone 1 die Konzentration
eingestellt, die angesichts des gegebenen Druckes erwünscht ist, der durch die Temperatur
in der Zone 2 bestimmt wird.
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Die Beziehungen zwischen dem Druck, der Konzentration und der Temperatur
in der Zone 1 sind in Pig. 2 angegeben.
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Der erste Schritt in dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht in der
Wahl eines geeigneten Halbleitermaterials, dem mindestens ein Störstoff hinzugefügt
werden soll. Es kann zweckmäi,ig sein, von einem handelsüblichen Eigenhalbleiterkörper
aus Silicium auszugehen. Dieses Silicium kann auf jede übliche Weise zu Siliciumpulverteilchen
mit einer Korngröße im Bereich von 100-400 mesh gemahlen werden. Der angegebene
Korngrößenbereich hat sich für die Dotierung von Eigenhalbleitern bewährt. Die so
erhalte1len Teilchen werden dann in einer Vorrichtung der in Fig.1 gezeigten Art
längs einer axialen Hälfte des Rohrs 11 angeordnet.
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Danach wird an dem entgegengesetzten Ende in den kugelförmigen Behälterteil
15, der einen Teil des Quarzrohrs 11 bildet, der in Frage kommende Störstoff, beispielsweise
Arsen, eingebracht, iian erkennt, daß es während der Vorbereitung des in der vorliegenden
Vorrichtung durchzuführenden Verfahrens zum Unterschied vom @tand der Technik nicht
notwendig ist, die für die Durchführung des Diffusionsvorfanges erforderlichen bestandteile
genau abzuwiegen.
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in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die ganze Anordnung
jetzt mit Hilfe eines nicht gezeigten, geeigneten Pumpsystems und geeigneter Ausheizverfahren
auf einen Druck beispielsweise im Bereich von lO 5 bis lO 6 Torr evakuiert.
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Danach überprüft man zunächst die Anforderungen, die n das herzustellende,
arsendotierte Silicium gestellt werden, und bestimmt man die @enge oder Konzentration,
in der das Arsen in den Siliciumkörper diffundicrt werden soll. Anhand der in Fig.
2 gezeigten Kurve kann man dann ohne weiteres den Dampfdruck und die Temperatur
bestimmen, die in der ,one 1 erforderlich sind, damit die gewünschte Konzetration
erhalten wird.
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In Fig. 2 ist in einem Koordinatensystem der Dampfdruck in Torr in
Abhängigkeit von der Konzentration der Fremdatome pro cm3 in arsendotiertcm .Silicium
für gegebenen Temperaturen angegeben. Man kann ohne weiteres feststellen, daß man
eine Arsen konzentration von 5 x 1020 Atomen pro cm3 in Silicium bei einem Danpfdruck
von 84 Torr erzielen kann, wenn das Silicium in der Zone 1 eine Temperatur von 10000
C hat. Die Temperatur in dem Zweizonenofen 14 wird daher 30 eingestellt, daß der
Druckmesser 12 den gewünschten Dampfdruck anzeigt.
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Hinsichtlich des Temperaturprofils ist es bekannt, daß in Diffusionsverfahren
die Temperatur des Störstoffes unter der des zu dotierenden Halbleitermaterials
gehalten wird. Beim Dotieren von Silicium mit Arsen hat es sich @eispielsweise gezeigt,
daß das Quellenmaterial auf eine Temperatur im Bereich von 300-625° C (Temperaturbereich
für die Zone 2) erhitzt werden soll.
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Diese grenzen werden durch Überlegungen der Praxis vorgeschrieben.
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Ferner ila' es sich gezeigt, daß der Siliciumkörper auf eine Temperatur
im Bereich zwischen 7000 a und dem Schmelzpunkt des dotierten Materials (Temperaturbereich
für die Zone 1) erhitzt werden soll. Die Abstimmung dieser Parameter ist natürlich
von dem während der Behandlung erwünschten Dampfdruck abhängig. Der in dem Dotierungsverfahren
erforderliche Druck wird durch Regelung der Temperatur des Störstoffs (Zone 2) oder,
bei einem gewählten Dampfdruck des Störstoffs, durch Regelung der Temperatur des
Halbleitermaterials (Zone 1) stabilisiert.
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Danach wird die ßrhitzung des Störstoffes und des Halbleitermaterials
bei einem konstanten Störstoffdampfdruck 2-16 otunden lang fortgesetzt. Auch diese
Grenzen der Erhitzungszeit werden durch die Brfordernisse der Praxis und die Eigenschaften
des Materials bestimmt.
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Das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel betrifft die erfindungsgemäße
Arbeitsweise bei der Herstellung von arsendotiertem Silicium. s versteht sich, daß
man auch zum Diffundieren von Phosphor oder anderen verdampfbaren Störstoffen ähnlich
vorgehen kinn. Daher erkennt man, daß die Vorteile des beschriebenen Verfahrens
in erster Linie darin bestehen, daß die Eigensch@ften des dotierten Halbleiters
durch Überwachung der Behandlung bestimmt werden können und daß ein Material mit
einer ge wünschten Störstoffkonzentration leicht hergestellt werden kann.
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Beispiel 1 Dieses beispiel betrifft die Herstellung von arsendotiertem
Silicum mit 2 x 1020 Arsenatomen pro cm3. Etwa 500 g Eigenhalbleitermaterial bestehend
aus Siliciumpulver in einer Korngröße im Bereich von 100-400 mesh wurden über eine
axiale Strecke eines Quarzrohrs der in Fig. 1 gezeigten Art verteilt.
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Dann wurden etwa 10 g elementares Arsen in den kugelförmigen Teil
15 des Behälters 11 der genannten Vorrichtung eingebracht.
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Diese anordnung wurde dann in einen geeigneten Ofen eingebracht und
das System auf einen Druck von lO 6 Torr evakuiert und auf eine Ausheiztemperatur
von 5000 C an dem mit dem Halbleitermaterial versehenen Ende und von 1000 C an dem
mit dem Arsen versehenen Ende erhitzt. Nach dem Ausheizen wurde das Silicium in
der Zone 1 auf eine Temperatur von 10000 C und wurde das Arsen langsam auf eine
Temperatur erhitzt, bei der ein Arsendruck von 4,G Torr erhalten wird, der gemäß
Fig. 2 der gewünschten Konzentration entspricht. Der von dem Druckmesser 12 angezeigte
Druck in dem Sys@em wurde dann durch Einstellen der Temperatur des Arsene stabilisiert.
Nach dem Stabilisieren des Druckes wurde die Erhitzung noch sechs Stunden lang fortgesetzt.
Das behandelte Siliciummaterial wurde dem Ofen entnommen und besaß eine Arsenkonzentration
von 2 x 1020 Atomen pro cm3 (0,4 Atomprozent).
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Beispiel 2 Die Arbeitsweise des beispiels 1 wurde wiederholt, jedoch
wurde in dem System 12 Stunden lang ein Dampfdruck von etw. 270 Torr aufrechtenialton.
Wahrend dieser ei wurde das Silicium auf eine Temperatur von 1000° C und das Areen
auf eine Temperatur von 464° ) erhitzt. Das behandelte Silicium hatte eine Arsenkonzentration
von 1 x 1021 Atomen pro cm3 (2,0 Atomprozent).
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Vorstehend wurde die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert,
die vom Fachmann im Rahmen des Erfindungegedankens in der Form und in Einzelheiten
abgeändert werden können