DE2100930A1 - Method for producing semiconductor structures with at least two junctions - Google Patents
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Description
Böblingen, den 5. Januar 1971 si-schuBoeblingen, January 5, 1971 si-schu
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International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504
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Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 969 066Applicant's file number: Docket FI 969 066
Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstruktüren mit mindestens zwei Übergängen Method for producing semiconductor structures with at least two transitions
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstrukturen mit mindestens zwei Übergängen durch gleichzeitiges Eindiffundieren mindestens zweier Dotiersubstanzen unterschiedlicher Diffusionsrate in einen Halbleiterkörper unter Verwendung eines geschlossenen Reaktionssystems und einem einzigen thermischen Aufheizzyklus. In der Halbleitertechnik sind zur Durchführung von Diffusionsverfahren zum Zwecke der Realisierung definierter Leitfähigkeitsbereiche in Halbleiterkörpern zwei Grundtypen von Diffusionssystemen bekannt. Die genannten Prozesse werden entweder in einem geschlossenen oder in einem offenen Reaktionssystem durchgeführt.The invention relates to a method for producing semiconductor structures with at least two transitions through simultaneous diffusion of at least two different doping substances Diffusion rate into a semiconductor body using a closed reaction system and a single thermal heating cycle. In semiconductor technology are for Implementation of diffusion processes for the purpose of realizing defined conductivity ranges in semiconductor bodies two basic types of diffusion systems are known. The mentioned processes are either in a closed or in one open reaction system carried out.
Die Erfindung benutzt ein System, welches mit geschlossenem Reaktionsraum arbeitet, in welchen der Halbleiterkörper eingebracht wird. Der geschlossene, kapseiförmige Reaktionsraum besteht aus einem Material,das gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähig ist. Die Dotierungssubstanzen zur Erzeugung des gewünschten Leitfähigkeitstyps wird ebenfalls in das System vor dessen Verschluß eingebracht. In der Regel werden diese Substanzen in Form von granuliertem Halbleitermaterial der gleichen Art benutzt, aus dem der zu behandelnde Halbleiter-The invention uses a system which operates with a closed reaction space into which the semiconductor body is introduced will. The closed, capsular reaction space consists of a material that is resistant to high temperatures is. The dopants to produce the desired conductivity type are also included in the system introduced before its closure. As a rule, these substances are in the form of granulated semiconductor material of the same type from which the semiconductor to be treated
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körper besteht, wobei dieses Material jedoch seinerseits mit der erforderlichen Dotiersubstanz dotiert ist. Nunmehr wird das Reaktionsgefäß bzw. die Kapsel auf eine hinreichend hohe Temperatur erhitzt, wobei eine Verdampfung der Dotiersubstanz, sowie eine Eindiffusion der Dotierungsubstanz in den Halbleiterkörper hinein erfolgt. Einer der Hauptvorteile eines mit geschlossenem Reaktionsrohr arbeitenden Systems besteht darin, daß eine zu Beginn vorgenommene Reinigung der Kapsel bzw. des Systems während des ganzen Diffusionsprozesses erhalten bleibt. Fernerhin ist das geschlossene System gegenüber aus der Umgebung stammender Einwirkung während des Diffusionsprozesses unempfindlich, wodurch auch über lange Prozeßdauern hinweg verhältnismäßig ungestörte Bedingungen gewährleistet sind.body exists, but this material is in turn doped with the required dopant. Now the reaction vessel becomes or the capsule is heated to a sufficiently high temperature, with evaporation of the dopant, as well as the doping substance is diffused into the semiconductor body. One of the main advantages of having a closed Reaction tube working system is that a cleaning made at the beginning of the capsule or the system during of the whole diffusion process is preserved. Furthermore the closed system is insensitive to influences from the environment during the diffusion process, whereby relatively undisturbed conditions are guaranteed even over long process periods.
Als Nachteil des Verfahrens ist anzuführen, daß es schwierig ist, eine hohe Reinheit innerhalb der Kapsel zu erhalten und daß diese nach Gebrauch nicht mehr verwendet werden kann, da sie beim öffnen zerstört wird.The disadvantage of the process is that it is difficult to obtain a high degree of purity within the capsule and that this After use, it can no longer be used because it is opened when it is opened gets destroyed.
Die Kapseldiffusion als solche ist bekannt, doch war es bisher stets erforderlich, zwei verschiedene Dotierungsquellen zu benutzen und mit diesen die Diffusionen in zwei Schritten durchzuführen und zwar für jeden Leitfähigkeitstyp gesondert eine Diffusion mit dem jeweils geeigneten Material.The capsule diffusion as such is known, but it has always been necessary to use two different doping sources and using these to carry out the diffusions in two steps, namely a separate diffusion for each conductivity type with the appropriate material in each case.
Es wurden zwar in der Halbleitertechnik auch bereits Materialquellen benutzt, bei denen zu verschiedenen Leitfähigkeitstypen führende Dotiermaterialien in einer Quelle zusammengefaßt waren, beispielsweise ist ein derartiges Verfahren im US-Patent 3 178 (Marinace) beschrieben. Hierbei wird jedoch gleichzeitig ein HalbleiterZüchtungsprozeß durchgeführt,wozu ein Transportsystem mit einem Halogen als Träger benutzt und der Materialtransport durch die sich ausbildenden kombinierten Halogendämpfe bewerkstelligt wird. It is true that material sources have already been used in semiconductor technology in which doping materials leading to different conductivity types were combined in one source; for example, such a method is described in US Pat. No. 3,178 (Marinace). In this case, however, a semiconductor growth process is carried out at the same time, for which a transport system with a halogen is used as a carrier and the material transport is effected by the combined halogen vapors that are formed.
Es ist auch bereits ein sogenannter doppelter Diffusionsprozeß be-Docket FI 969 066 10 9 8 31/19 3 3 It is already a so-called double diffusion process be-Docket FI 969 066 10 9 8 31/19 3 3
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kannt. Hierbei wurde jedoch stets eine auf dem Kalbleitersubstrat befindliche Oxydschicht benutzt, welche eine sehr schnell diffundierende Dotiersubstanz erfordert beispielsweise Aluminium, welches durch die dotierte Oxydschicht hindurch in das Innere des Halbleiterkörpers gelangt.knows. However, there was always one on the lead wire substrate located oxide layer is used, which requires a very rapidly diffusing dopant, for example aluminum, which passes through the doped oxide layer into the interior of the semiconductor body.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterstrukturen mit mindestens zwei Übergängen anzugeben, welches mit einem geschlossenen Reaktionsbehälter arbeitet und bei dem zur Dotierung eine Materialquelle erforderlich ist, welche mindestens zwei verschiedene Dotiersubstanzen enthält. Das Verfahren soll beispielsweise die Möglichkeit eröffnen, in Halbleiterkörpern mittels eines einzigen Diffusionsprozesses mindestens zwei Bereiche verschiedenen Leitfähigkeitstyps zu erzeugen, beispielsweise die Emitterzone und Basiszone in einem Transistor. Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren hervor. In diesen bedeuten:The present invention is based on the object of a method specify for the production of semiconductor structures with at least two transitions, which with a closed reaction container works and in which a material source is required for doping, which is at least two different Contains dopants. The method should, for example, open up the possibility of using a single in semiconductor bodies Diffusion process to generate at least two areas of different conductivity type, for example the emitter zone and base zone in one transistor. Details of the invention will be apparent from the following description in connection with the Figures emerge. In these mean:
Fig. 1 eine schematischen Darstellung des Kapseldiffusionsprozesses nach der Lehre der Erfindung;1 shows a schematic representation of the capsule diffusion process according to the teaching of the invention;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer mittels des Kapseldiffusionsprozesses nach der Lehre der Erfindung hergestellten Halbleiterstruktur;2 shows a sectional illustration of a device by means of the capsule diffusion process semiconductor structure produced according to the teaching of the invention;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Homogenisierungsapparatur mit geschlossenem Reaktionsrohr, welche in Verbindung mit der Erfindung zweckmäßig verwendet wird.3 shows a schematic view of a homogenization apparatus with a closed reaction tube, which is useful in connection with the invention is used.
Der Hauptunterschied des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung gegenüber bekannten Verfahren liegt darin, daß bei der Durchführung der Kapseldiffusion zum Dotieren eine Materialquelle benutzt wird, welche sowohl eine zur N-Leitfähigkeit als auch eine zur P-Leitfähigkeit führende Dotiersubstanz enthält. Die benutztenThe main difference of the method according to the teaching of the invention compared to known methods is that in the implementation The capsule diffusion a material source is used for doping, which both for N-conductivity and one for Contains dopant carrying P conductivity. The used
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Dotiersub·tanzen können auch beide zur gleichen Leitfähigkeit (N-leitend oder P-leitend) führen.Doping substances can also both have the same conductivity (N-conducting or P-conducting).
Die Konzentration der Dotiersubstanzen innerhalb des pulverförmigen Quellenmaterials wird durch die Erfordernisse der herzustellenden Bauelementstruktür festgelegt, d. h. z. B. durch die zu realisierende Abmessung X. des Überganges und dergleichen.The concentration of the dopants within the powdery source material is determined by the requirements of the component structure to be manufactured, i.e. H. z. B. by the to be realized dimension X. of the transition and the like.
Im folgenden werden als Dotiermaterialien vorzugsweise Bor und Arsen benutzt. Es können aber auch andere P- oder N-L-leitfähigkeiter zeugende Dotiersubstanzeri benutzt werden. Es versteht sich, daß trotz der Angabe von Silicium als Halbleitergrundmaterial in der Beschreibung grundsätzlich auch andere Materialien zur Durchführung des Verfahrens benutzt werden können.In the following, boron and arsenic are preferably used as doping materials. However, other doping substances generating P or N-L conductivity can also be used. It goes without saying that despite the specification of silicon as the basic semiconductor material in the description, other materials can in principle also be used to carry out the process.
Fernerhin dürfte für den Fachmann auch klar sein, daß anstelle von granulierten oder pulverförmigen Dotierungssubstanzen diese auch in anderer Gestalt angewandt werden können, z. B. als Plättchen, Pillen und dergleichen. Granuliertes und pulverförmiges Material wird in der Beschreibung vorzugsweise angeben, weil es sich herausgestellt hat, daß dies dann besonders zweckmäßig 1st, wenn man große Oberflächenbereiche mittels Diffusion ziemlich gleichmäßig durchdringen will.Furthermore, it should also be clear to the person skilled in the art that, instead of granulated or powdered doping substances, these can also be used in other forms, e.g. B. as platelets, pills and the like. Granulated and powdered Material is preferably indicated in the description because it has been found that this is particularly useful, if you want to penetrate large surface areas fairly evenly by means of diffusion.
Für die Durchführung der vorliegenden Erfindung ist in jedem Fall wichtig, daß die benutzen Dotiersubstanzen verschiedene Diffusionsraten, bzw. Diffusionskoeffizienten besitzen. Es hat sich gezeigt, daß sich die genannten Werte mindestens um den Faktor 2 unterscheiden sollten. Der Grund hierfür geht besonders deutlich aus den Beispielen hervor.In any case, it is important for carrying out the present invention that the dopants used are different Have diffusion rates or diffusion coefficients. It has been shown that the values mentioned are at least around the Factor 2 should differ. The reason for this is particularly clear from the examples.
Die genannte Bedingung wird von den Dotiersubstanzen Bor und Gallium gut erfüllt. Fernerhin können als zum N-Leitfähigkeitstyp führende Substanzen Phosphorarsen und Antimon benutzt werden. Bekannte vielbenutzte Substratmaterialien sind Silizium und Germanium. Es bedarf auch keiner besonderen Erwähnung, daß auchThe stated condition is well met by the doping substances boron and gallium. Furthermore, as substances leading to the N conductivity type, phosphorus arsenic and antimony can be used. Well-known widely used substrate materials are silicon and Germanium. Nor does it need special mention that either
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die intermetallischen II-IV sowie III-V Verbindungshalbleiter benutzt werden können. Die jeweilige Halbleiter und/oder Dotiersubstanzkombination ist nicht wichtig, solange nur die oben erwähnte Bedingung für die Difffusionsraten eingehalten wird.the intermetallic II-IV and III-V compound semiconductors can be used. The particular semiconductor and / or dopant combination is not important as long as the above-mentioned condition for the diffusion rates is met.
Liegen N- und P-Dotiersubstanzen vor, dann wird die Dotiersubstanzkonzentration in dem pulverförmigen Quellenmaterial zweck-If there are N- and P-dopants, then the dopant concentration becomes in the powdery source material
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mäßigerweise innerhalb des Bereiches von 2 χ 10 bis 5 χ 10 Atome/cm gehalten. Die Gesamtkonzentration des Quellenmaterials entspricht somit der Summe der genannten Werte und beträgt etwamoderately within the range of 2 10 to 5 χ 10 Atoms / cm held. The total concentration of the source material thus corresponds to the sum of the values mentioned and is approximately
2 bis 2,5 χ 10 Atome/cm . Für N-N oder P-P Kombinationen können ähnliche Werte benutzt werden.2 to 2.5 χ 10 atoms / cm. For N-N or P-P combinations you can similar values can be used.
Das vorliegende Verfahren eignet sich naturgemäß auch, Halbleiterstrukturen oder P-N-P-übergängen zu erzeugen. Beispiel 1, Fig. 1 zeigt schematisch eine Apparatur zur Durchführung der Erfindung. Die Kapsel mit dem Bezugszeichen 1 besteht typischerweise aus Quarz und kann daher ziemlich hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Zur Beheizung des geschlossenen Reaktionssystems sind einige Windungen 2 in Verbindung mit einer geeigneten in der Figur nicht gezeigten Energiequelle vorgesehen.The present method is naturally also suitable for semiconductor structures or to generate P-N-P transitions. Example 1, Fig. 1 schematically shows an apparatus for carrying out the invention. The capsule with the reference number 1 is typically made of quartz and can therefore be exposed to fairly high temperatures will. To heat the closed reaction system, a few turns 2 in connection with a suitable in Energy source not shown in the figure is provided.
Das Quellenmaterial trägt das Bezugszeichen 3. Es besteht aus granuliertem Material mit einer durchschnittlichen Körnung von 100 bis 400. Im vorliegenden Fall besteht das Quellenmaterial aus eigenleitendem Silicium, welches mit Arsen und Bor mit denThe source material is numbered 3. It consists of granulated material with an average grain size of 100 to 400. In the present case, the source material consists made of intrinsic silicon, which is combined with arsenic and boron with the
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Konzentrationen 2 χ 10 Atome/cm für Arsen und 5 χ 10 Atome/cm für Bor dotiert wurde, entsprechend einer Gesamtkon-Concentrations 2 10 atoms / cm for arsenic and 5 χ 10 atoms / cm for boron, corresponding to a total con-
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zentration von 2,5 χ 10 Atome/cm . Ein scheibenförmiger Körper 4 aus N-leitendem Silicium mit einem Durchmesser von etwaconcentration of 2.5 χ 10 atoms / cm. A disc-shaped body 4 made of N-type silicon with a diameter of about
3 cm und einer spezifischen Leitfähigkeit von 5 0hm χ cm wird in die Kapsel eingebracht und diese verschlossen. Diesem Beispiel wurde speziell als Quellenmaterial etwa 5 Gramm des gleichen Grundmaterials mit der oben angegebenen Dotierung zugrunde gelegt. Die Dicke der Siliciumscheibe ist nicht besonders kritisch, die betrug etwa 0,2 mm.3 cm and a specific conductivity of 5 0hm χ cm placed in the capsule and sealed. This example was specifically used as a source material about 5 grams of the same Base material with the doping specified above is based. The thickness of the silicon wafer is not particularly critical, it was about 0.2 mm.
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Das Quellenmaterial wurde durch mechanisches Mischen von puderförmigem eigenleltendera Silicium hergestellt, welches zuvor mit Arsen, bzw. mit Bor dotiert wurde. Die genannten Substanzen werden in eine Quarzkapsel eingegeben und zusammen erhitzt. Hierbei diffundiert der Bordampf von den borhaltigen Bereichen und verteilt sich gleichförmige über das gesamte pulverförmige Material. Das gleiche gilt für den Arsendampf, der sich von arsenhaltigem Siliciumpulver auf das ganze überträgt. Nach Erreichen der oben bezeichneten Konzentrationswerte wird die Aufheizung unterbrochen und das Material mit den doppelten Dotierungssubstanzen aus der Quarzkäpsel entfernt. Das Verfahren zur Herstellung der doppelt oder mehefach dotierten Materialquelle benutzt die gleichen Wärmezyklen, wie sie in der Halbleitertechnik zur Herstellung einfach dotierter Quellenmaterialien angewendet werden.The source material was made by mechanical mixing of powdery Eigenleltendera silicon manufactured previously with Arsenic, or was doped with boron. The substances mentioned are placed in a quartz capsule and heated together. Here, the on-board steam diffuses from the boron-containing areas and is distributed become uniform over the entire powdery material. The same applies to the arsenic vapor, which differs from the arsenic Silicon powder transfers to the whole. After reaching the above the specified concentration values, the heating is interrupted and the material with the double doping substances from the Quartz capsules removed. The process of making the double or multiply doped material source uses the same heat cycles as used in semiconductor technology for production simply doped source materials can be used.
Wenn gewünscht, kann anstelle des oben beschriebenen Vorgehens auch elementares Bor und Arsen in eine Quarzkapsel eingebracht werden, wonach diese abgeschlossen evakuiert und erhitzt wird. Das Bor und Arsen verteilen sich beim Verdampfen auf das gleichfalls in der Kapsel enthaltene Silicium.If desired, elemental boron and arsenic can also be introduced into a quartz capsule instead of the procedure described above after which it is evacuated and heated. The boron and arsenic also distribute themselves on evaporation silicon contained in the capsule.
Die Erhitzung der Kapsel erfolgt mittels der Heizwicklungen 2, mittels derer im allgemeinen eine Temperatur von etwa 1000 C hergestellt wird. Es werden somit die ilaterialquelle und das zu behandelnde Plättchen gleichzeitig aufgeheizt, so daß diese die gleiche Temperatur erreichen.The capsule is heated by means of the heating coils 2, by means of which a temperature of about 1000.degree will be produced. It thus becomes the material source and that too treated platelets are heated at the same time so that they reach the same temperature.
Nach Aufrechterhaltung der genannten Temperatur über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten wird in der Kapsel ein Gleichgewichtszustand eintreten. Hiernach wird etwa 55 Minuten lang weiter geheizt und das Reaktionsrohr aus dem System entfernt. Nach Entfernen des Siliciumplättchens aus der Kapsel erhält man einen Übergang zwischen der bor- und der arsendotierten Zone, wobei das Bor bis zu einer Tiefe von 30 m und das Arsen bis zu einer Tiefe von etwa 25 m eindiffundiert ist. Da das eindiffundierte Bor einen höheren Diffusionskoeffizienten aufweist und daher inAfter maintaining the specified temperature for a period of time A state of equilibrium will occur in the capsule within about 30 minutes. The heating is then continued for about 55 minutes and removed the reaction tube from the system. After removing the silicon wafer from the capsule one obtains one Transition between the boron and arsenic-doped zone, the boron up to a depth of 30 m and the arsenic up to a Depth of about 25 m is diffused. Since the diffused boron has a higher diffusion coefficient and is therefore in
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der gleichen Zelt tiefer eindiffundiert als das Arsen, erhält man auf die beschriebene Welse mindestens einen übergang Innerhalb des behandelten Halblelterausgangsplättchens. Hieraus ersieht man die Notwendigkeit eines wesentlichen Unterschieds bezüglich der Diffusionegeechwindigkeiten. Ist diese Voraussetzung nicht erfüllt, würden beide Diffusionsfronten gleich schnell im Siliciumkörper fortschreiten und es wäre nicht möglich, durch Simultandiffusion einen übergang zu erstellen. Ein übergang der genannten Art ist in Flg. 2 dargestellt. Die diffundierte Zone größerer Ausdehnung geht auf die Dotiersubstanz mit dem größeren Diffusionskoeffizienten zurück, im vorliegenden Falle auf das Bor, und die kleinere Zone 9 ist die mit Arsen dotierte Zone.the same tent diffuses deeper than the arsenic, one obtains to the described catfish at least one transition within of the treated half-parent starting platelet. One can see from this the need for a substantial difference in diffusion rates. If this requirement is not met, both diffusion fronts would be equally fast in the silicon body progress and it would not be possible to create a transition through simultaneous diffusion. A transition of the said Art is in Flg. 2 shown. The diffused zone larger Expansion is due to the dopant with the larger diffusion coefficient, in the present case to the Boron, and the smaller zone 9 is the zone doped with arsenic.
f.f.
Es ist.offensichtlich, daß bei der Herstellung des Halbleiterbauelements entsprechend der Fig. 2 noch eine maskenartige, gegenüber dem Dotierstoff unempfindliche Abdeckung 6 benutzt werden muß, die in diesem Falle aus Sillciumdioxyd bestehen kann und die eine selektive Eindiffusion durch die Maskenöffnung 7 in den Siliclumkörper ermöglicht. Duch Kombination der genannten Maßnahmen läßt sich die Halbleiterstruktür mit den jeweils erforderlichen übergängen verhältnismäßig einfach herstellen. Beispielsweise kann in Fig. 2 die eindiffundierte Borzone die Basis und die kleinere Innere mit Arsen dotierte Zone eines Transistors bilden, während die Kollektorzone innerhalb des undotierten Bereiches des Halbleiterausgangskörpers liegt.It is obvious that during the manufacture of the semiconductor component According to FIG. 2, a mask-like cover 6 that is insensitive to the dopant can also be used must, which in this case can consist of silicon dioxide and which enables selective diffusion through the mask opening 7 into the silicon body. By combining the above measures can be the semiconductor structure with the required Make transitions relatively easy. For example, in FIG. 2, the diffused boron zone can be the base and the smaller inner arsenic-doped zone of a transistor form, while the collector zone lies within the undoped area of the semiconductor output body.
In Beispiel 1 wurde eine doppelt mit Dotiermaterial versehene llaterialquelle benutzt, die in ähnlicher Welse wie Quellen zur Dotierung mit einem einzigen Dotierungsmittel hergestellt wird. Das nun folgende Beispiel betrifft den Gebrauch einer sog. homogenisierten doppeltdotierten Quelle.In example 1, a material source provided with double doping material was used, which in a similar way to sources for Doping is made with a single dopant. The following example concerns the use of a so-called homogenized one double doped source.
In der Technik sind bisher drei Hauptverfahren zur Herstellung von Quellenmaterial mit einem Dotierungsmittel bekannt. Ist z. B. Arsen die einzige Dotiersubstanz, so wird eine Mischung aus ArsenThree main methods of making source material with a dopant are heretofore known in the art. Is z. B. Arsenic is the only dopant, so it becomes a mixture of arsenic
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und Silicium eindiffundiert. Bei einem anderen Verfahren wird ein definierter Anteil von Arsen in geschmolzenem Silicium aufgelöst und hiernach die so erzeugte Mischung abgekühlt. Diese Anordnung kann auch als eine Ausfrierungsquelle bezeichnet werden. Im letzten Verfahren wird ein Einkristall als Materialquelle benutzt, der aus einer geschmolzenen Mischung aus Silicium und Arsen gezüchtet wird. Jede der obengenannten Verfahren ergibt eine Materialquelle, die ein Mehrphasenstoffsystern darstellt, wobei jedoch für jede Quelle verschiedene spezielle Diffusionsbedingungen erforderlich sind.and silicon diffused. Another method involves dissolving a defined proportion of arsenic in molten silicon and then the mixture thus produced is cooled. This arrangement can also be referred to as a source of freezing out. In the last The method uses a single crystal as a material source grown from a molten mixture of silicon and arsenic will. Each of the above processes results in a source of material which is a multiphase substance system, but for each Source various special diffusion conditions are required.
Bei der Homogenisierung wird eine doppelt dotierte Quelle vorgegesehen, welche reproduzierbare Resultate ermöglicht. Diese stellt im wesentlichen eine Quelle dar, welche es gestattet, Gleichgewichtsbedingungen während der Fabrikation einzuhalten. Bei derartigen homogenisierten Quellen ist sichergestellt, daß der Dampfdruck, bzw. die Dampfkonzentration der dotierenden Substanz über einen Zeitraum konstant bleibt, der größer ist als die normal erforderliche Diffusionszeit. Diese Eigenschaft der Quelle läßt sich grundsätzlch durch Aufheizen eines Grundmaterials, z. B. von Silicium realisieren, dem der Dampf einer gewünschten Dotiersubstanz über eine Zeitperiode zugeführt wird, welche groß ist im Vergleich mit den später benutzten Diffusionszeiten. Diese Zeit bewegt sich etwa in der Größenordnung von 50 Stunden.A doubly doped source is provided for homogenization, which enables reproducible results. This essentially represents a source which allows equilibrium conditions to be met to be observed during manufacture. With such homogenized sources it is ensured that the vapor pressure, or the vapor concentration of the doping substance remains constant for a period of time which is greater than the normally required diffusion time. This property of the source leaves in principle by heating up a base material, e.g. B. realize of silicon, which is the vapor of a desired dopant is supplied over a period of time which is large compared to the diffusion times used later. This time is in the order of 50 hours.
Das vorliegende Beispiel beschreibt die Herstellung einer homogenisierten Materialquelle, bei der Arsendampf von einer arsendotierten Hauptquelle in bereits mit Bor dotiertes Material eindiffundiert wird, wodurch sich insgesamt eine doppelt dotierte homogenisierte Materialquelle ergibt, in der die Dotiersubstanzen gleichförmig über die Partikel des Siliciums verteilt sind. Mit derartigen Quellen gelingt es, in reproduzierbarer Weise einen fast konstanten Dampfdruck der Dotiersubstanzen während des eigentlichen Halbleiterbauelementherstellungsprozesses zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.The present example describes the production of a homogenized Material source in which arsenic vapor diffuses from an arsenic-doped main source into material that has already been doped with boron is, whereby overall a doubly doped homogenized material source results in which the dopants are uniformly distributed over the particles of silicon. With Such sources succeed in reproducible an almost constant vapor pressure of the dopants during the actual To produce semiconductor device manufacturing process and maintain.
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Bei der Herstellung von doppelt homogenisierten bor- und arsenhaltigen Materialquellen besteht der erste Schritt darin, eine homogene Materialquelle herzustellen, die etwa 0,3 Atom-% enthält. Man erhält eine solche durch Kombination von O,33gg Bor mit 280 g fein granulierten Siliciums. Dieses Gemenge wurde sorgfältig gemischt, in eine Kapsel eingefüllt und 50 Stunden lang auf 1050 erhitzt. Da der Dampfdruck des Bors verhältnismäßig niedrig liegt, wurde hierzu ein Ofen mit einer einzigen Erwärmungszone benutzt. Auf die genannte Weise erhält man zunächst eine homogenisierte Materialquelle für eine Dotierungssubstanz.In the production of double-homogenized boron and arsenic Sources of Material, the first step is to create a homogeneous source of material that contains about 0.3 atomic percent. This is obtained by combining 0.33 g of boron with 280 g of finely granulated silicon. This mixture was mixed carefully, placed in a capsule and held for 50 hours heated to 1050. Since the vapor pressure of the boron is relatively low, a furnace with a single heating zone was used for this purpose used. In the manner mentioned, a homogenized material source for a doping substance is first obtained.
Zur Herstellung einer homogenisierten Materialquelle für zwei Dotiersubstanzen, z. B. Bor und Arsen, wie sie zur Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung erforderlich ist, wird als nächstes eine sogenannte Arsenhauptquelle hergestellt. Diese enthält 10 Atom-% Arsen. Eigenleitendes Silicium wird zu einer Korngröße von 149 m gemahlen. 252 g dieses Sillciumpulvers wird in den Bereich 11 einer Quarzkapsel der in Fig. 3 gezeigten Art eingefüllt. 75 g elementaren Arsens werden in den Bereich 12 der Kapsel eingegeben. Der Bereich 12 wird 8 Stunden lang auf 600 0C aufgeheizt. Dann wird die Temperatur auf 625° herabgesetzt und 16 Stunden lang aufrechterhalten. Der Bereich 11 wird anschließend 24 Stunden lang auf eine Temperatur von 1000 C gebracht. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Apparatur, welche sich zur Herstellung von homogenisierten Dotierungsquellen nach der Lehre der Erfindung eignet. Der mittlere enge, stark ausgezogene Teil der Kapsel trägt das Bezugszeichen 10. Die Kapsel ist vorzugsweise aus Quarz hergestellt und besitzt die beiden Kammern 11 und 12, die den engen, rohrartigen Teil 10 fest miteinander verbinden. Die Kapsel 10 wird vorzugsweise auf einen Druck unter 5 χ 10*" Torr evakuiert. Der zwei Heizzonen aufweisende Ofen trägt das Bezugszeichen 15. Der Temperaturgradient über dem Ofen ist unter der Figur schematisch angedeutet.To produce a homogenized material source for two dopants, e.g. B. boron and arsenic, as required to carry out the method according to the teaching of the invention, a so-called arsenic main source is next prepared. This contains 10 atomic% arsenic. Intrinsically conductive silicon is ground to a grain size of 149 μm. 252 g of this silicon powder is poured into area 11 of a quartz capsule of the type shown in FIG. 3. 75 grams of elemental arsenic are placed in area 12 of the capsule. The area 12 is heated to 600 ° C. for 8 hours. Then the temperature is reduced to 625 ° and maintained for 16 hours. The area 11 is then brought to a temperature of 1000 ° C. for 24 hours. 3 shows a schematic representation of an apparatus which is suitable for the production of homogenized doping sources according to the teaching of the invention. The middle, narrow, strongly drawn-out part of the capsule bears the reference number 10. The capsule is preferably made of quartz and has the two chambers 11 and 12 which firmly connect the narrow, tubular part 10 to one another. The capsule 10 is preferably evacuated to a pressure below 5 10 * "Torr. The oven having two heating zones bears the reference number 15. The temperature gradient over the oven is indicated schematically below the figure.
32,7 g der wie oben hergestellten Hauptquelle werden entnommen und mit 280,33 g fein gekörnten Siliciumpuder gemischt, welches in32.7 g of the main source prepared as above are removed and mixed with 280.33 g of finely grained silicon powder, which is in
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der oben beschriebenen Weise erzeugt wurde. Das Gemenge wird sorgfältig gemischt und in eine einfache Kapsel eingebracht, in der es 50 Stunden lang auf 1050 0C erhitzt wird. Die resultierende homogenisierte Materialquelle enthält etwa 1 Atom-% Arsen und 0,3 Atom-% Bor. Diese Quelle kann in Verbindung mit dem Beispiel 1 benutzt werden.in the manner described above. The mixture is carefully mixed and placed in a simple capsule in which it is heated to 1050 ° C. for 50 hours. The resulting homogenized source of material contains approximately 1 atomic percent arsenic and 0.3 atomic percent boron. This source can be used in conjunction with Example 1.
Die homogene Materialquelle enthalt somit eine ternäre Legierung (Si-As-B), welche mindestens eine Halbleiter- (Si) und mindestens zwei in Dampfform überführbare Dotiereubstanzen (As und B) enthält. Die genannten Substanzen liegen in einer einzigen festen Phase vor, in der das Silicium sozusagen als Lösungsmittel und die Dotiersubstanzen (As,B) als gelöste Stoffe betrachtet werden können.The homogeneous material source thus contains a ternary alloy (Si-As-B), which at least one semiconductor (Si) and at least contains two dopants (As and B) which can be converted into vapor form. The substances mentioned are present in a single solid phase in which the silicon acts as a solvent and the dopants (As, B) are regarded as dissolved substances can.
Aus der obigen Darstellung geht hervor, daß nicht nur N- und P-Leitfähigkeit vermittelnde Dotiersubstanzen kombiniert werden können, sondern daß die gewählten Dotierungssubstanzen beide auch zum P- oder zum N-Leitfähigkeitstyp führen können. Fernerhin besteht die Möglichkeit, mehr als 2 Dotiermaterialien gleichzeitig zu benutzen, wenn es auch für allgemeine Zwecke meist ausreicht, lediglich zwei verschiedene Dotiermaterialien simultan anzuwenden. It can be seen from the above illustration that not only dopants that impart N and P conductivity are combined can, but that the selected doping substances can both also lead to the P or N conductivity type. Furthermore there is the possibility of using more than 2 doping materials at the same time, even if it is usually sufficient for general purposes, only to use two different doping materials simultaneously.
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