DE2145956A1

DE2145956A1 - Verfahren zum gleichzeitigen Eindiffundieren mehrerer Verunreinigungen in ein Halbleiter-Grundmaterial

Info

Publication number: DE2145956A1
Application number: DE19712145956
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Current assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Priority date: 1970-12-07
Filing date: 1971-09-14
Publication date: 1972-06-15
Also published as: FR2126904B1; FR2126904A1; US3814639A

Description

2H5956-

12.237 30/bü

PATENTANWÄLTE Dr. rtr n.st. PiCTFR LOUIS

pipL-n.·- - cn/.Ui PCFii/AU

D,pl .ι- ■/.; !Z LCiIRcNTZ
8 5.)-.' ι '.ORN BERQ

SILEC-SEMI-CONDUCTEURS, 75 Paris (Frankreich)

Verfahren zum gleichzeitigen Eindiffundieren mehrerer Verunreinigungen in ein Halbleiter-Grundmaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Eindiffundieren mehrerer Verunreinigungen in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere Silizium, zur Erzeugung von Gebilden mit drei oder vier diffundierten, n- und p-leitenden Schichten. Insbesondere befaßt sie sich mit einem Verfahren zur gleichzeitigen Eindiffusion wenigstens zweier Verunreinigungen in Siliziumscheiben, durch das man in einem einzigen Diffusionsvorgang Gebilde erhält, welche bis zu vier durch Diffusion erzeugte Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweist, was es gestattet, Halbleiterlemente mit drei oder vier diffundierten Zonen, beispielsweise Thyristoren oder Triacs, herzustellen. Selbstverständlich bezieht sich die Erfindung auch auf die durch Schneiden von mit dem Verfahren nach der Erfindung behandelten Halbleiterscheiben hergestellt _t ten Halbleiterelemente.

Gemäß dem augenblicklichen Stand der Technik bei der Her-

209825/0981

stellung von Halbleiterelementen verwendet man üblicherweise zur Erzeugung von Gebilden mit vier diffundierten,Schichten, beispielsweise in der Folge npnp, ausgehend von Scheiben aus η-leitendem Silizium, ein Verfahren, welches aus den nachfolgend aufgeführten Schritten besteht:

1. Nachdem die Siliziumscheiben in einer üblichen Weise gereinigt worden sind, werden sie einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine oberflächliche Oxidation des Siliziums in einer Dicke der Größenordnung von 1 /U zu erhalten. Die entstehende Oxidschicht (SiO„) oder Kieselerdeschicht ist notwendig, um die sogen. "Löcherbildung" durch den Phosphor während dessen Vorablagerung, die einen späteren Arbeitsgang des bekannten Verfahrens bildet, zu vermeiden.

2. Die oxidierten Scheiben werden dann in einem geschlossenen Rohr einer Gallium-Diffusion (p-leitende Verunreinigung) bei einer Temperatur zwischen etwa 1200 und 1250 C unterzogen, wobei die-Oxid- bzw. Kieselerdeschicht die Galliumatome ohne jede Schwächung oder Verzögerung durchläßt und die Siliziumoberfläche gegen lokale Angriffe durch das Gallium schützt.

3. Die Scheiben, die in diesem Zustand zwei durch die Eindiffusion von Gallium erzeugte Schichten aufweisen, werden dann einer Fotogravur unterzogen, wobei Masken verwendet werden, welche die Lage der "Fenster" in

209825/0961

-> ?U5956

der Oxidschicht bestimmen, in deren Bereich später die Phosphor-Diffusion (η-leitende Verunreinigung) stattfinden soll.

k. Nach einer gebräuchlichen Reinigung der fotogravierten Scheiben, insbesondere zur Entfernung des Harzes, wird die η -Vorablagerung an den Fenstern durchgeführt, wobei die Kennwerte der p-Diffusion, die im Arbeitsgang 2) bereits ausgeführt wurde, berücksichtigt werden und beispielsweise eine flüssige Quelle aus POC1_ verwendet wird. Diese Vorablagerung findet bei einer Temperatur zwischen 1160 und 1200 C statt und dauert normalerweise 30 bis 60 Minuten.

5. Nach Durchführung der Vorablagerung wird das Phosphorglas, das dann die Oxidschicht bedeckt, in einem bestimmten Reinigungsvorgang angegriffen, um es zu entfernen und eine Durchlöcherung der Oxidmaske während des folgenden Phosphor-Diffusionsvorganges zu vermeiden. ,

6. Nun wird die Phosphor-Diffusion zur Erzeugung einer diffundierten n⁺-Schicht durchgeführt. Die Diffusion findet bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1250⁰C und während eines Zeitraumes von etwa 2 bis 5 Stunden - abhängig von der Art des herzustellenden Elementes - statt.

20^f)825/Ü9G1

7« Die Siliziumscheiben, die dann drei oder vier diffundierte Schichten aufweisen, werden in bekannter Weise gereinigt, um sie von der Oxidschicht zu befreien.

8. Schließlich wird, falls bei den Scheiben die vorhergehenden Arbeitsgänge zu einer oberflächlichen Verringerung der Gallium-Konzentration geführt haben, eine leichte Anreicherung mit p-leitenden Verunreinigungen hervorgerufen. Diese Anreicherung hinsichtlich der Gallium-Konzentration wird entweder mittels einer erneuten Gallium-Diffusion mit einer Tiefe von einigen 10 Mikron oder mittels einer Bor-Diffusion nach "Beschichtung" der Scheiben mit Boroxid (B,,0_) erzeugt. Diese ρ -Konzentration wird jedoch während einer verhältnismäßig kurzen Zeit und unterhalb einer in Abhängigkeit von den herzustellenden Elementen bestimmten Temperatur so geführt, daß keine Umkehr der Leitfähigkeit der n-diffundierten Zonen erfolgt.

In dem beschriebenen Zustand weist das erzeugte Gebilde drei oder vier durch Diffusion gebildete Zonen auf und die Scheiben können den abschließenden, zur endgültigen Bildung des Halbleiterelementes erforderlichen Arbeitsgängen unterzogen werden, beispielsweise zur Bildung der Kontakte vernickelt, geschnitten usw. werden.

Es ist leicht einzusehen, daß im Hinblick auf die beachtliche Zahl von Bearbeitungsgängen, denen die Siliziumscheiben

2 0 9825/0961 :

unterzogen werden müssen, bevor sie verwendet werden können - u.a. sind fünf Diffusionsvorgänge erforderlich,.die sehr genau überwacht werden müssen -, das gegenwärtig angewendete Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen mehrere Nachteile aufweist, wobei insbesondere die lange Herstellungsdauer der Elemente, die Vielzahl der Handgriffe, die erforderlich ist und infolgedessen die verhältnismäßig hohen Gestehungskosten zu erwähnen sind. Diese Mangel behindern in einem gewissen Maß den Einsatz dieser Halbleiterelemente, insbesondere in der Industrie.

Infolgedessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Diffusionsverfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Mängel der bekannten Diffusionsverfahren auszuschalten,und das u.a. die Zahl der Arbeitsgänge, die zur Herstellung von Halbleiterelementen mit vier diffundierten Zonen erforderlich sind, beachtlich vermindert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, welches grundsätzlich'darin besteht, während eines einzigen Diffusionsvorganges Dopen-Quellen zu verwenden, die wenigstens aus zwei Verunreinigungen bestehen, was es gestattet, n- und p-leitende Schichten von bestimmter Konzentration und Tiefe zu erhalten. Im einzelnen besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß zuerst Halbleiterscheiben einer thermischen Oxidation zur Bildung einer beidseitigen, oberflächlichen Oxidschicht unterworfen werden, daß dann die oxidierten Halbleiterscheiben einer

209825/0961

Fotogravur zur Öffnung von "Fenstern", welche für'die Diffusion einer η-leitenden Schicht nötig sind, unterzogen werden und ein Reinigungsbad passieren, dass hierauf die so behandelten Scheiben zusammen mit wenigstens einer Quelle von mindestens zwei Verunreinigungen (Dotieriingsmitfceln) , welche in Abhängigkeit von den Eigenschaften des die Schichten aufweisenden Gebildes bestimmt ist, in eine Quarzröhre eingebracht werden, und daß schließlich die gefüllte Quarzröhre in eine Umhüllung eingeführt wird, die auf einerdie gleichzeitige Diffusion der n- und p-Schichten ermöglichenden Temperatur gehalten ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Diffusionsverfahren im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren nur zwei Wärmebehandlungen des Siliziums erfordert und daß nur der Diffusionsvorgang sorgfältig überwacht werden muß. Im Hinblick darauf ist es einem Fachmann auf dem Gebiet der Diffusion sofort klar, daß die Hauptschwierigkeit der gleichzeitigen Diffusion wenigstens zweier unterschiedlicher Verunreinigungen, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist, in der Unmöglichkeit der unabhängigen Einstellung der Eindringtiefe und Konzentration der beiden Verunreinigungen besteht. Es war daher erforderlich, auch eine Art der Zusammensetzung der Quellen

um/
für die Diffusion zu finden,'die diffundierten Zonen so zu erhalten, wie es im Hinblick auf den Aufbau der herzustellenden Ilalbleiterelemente erforderlich iafc. Die Erfindung befaßt sich daher auch mit der Herstellung der zur

209825/0961

-7- 2H595G

Diffusion bei dem Verfahren nach der Erfindung brauchbaren Quellen.

Nach der Erfindung zeichnet sich ein derartiges Verfahren zur Herstellung der Quellen dadurch aus, daß zuerst das Dopen-Paar (η-leitend und p-leitend) bestimmt wird, welches zur Erzeugung des gewünschten Gebildes geeignet ist, daß dann festgelegt wird, in welcher Form die Verunreinigungen (Dopen) eingeführt werden sollen und daß schließlich der mögliche Temperaturbereich bzw. Temperaturverlauf der Diffusion festgelegt wird.

Es werden zwei Typen von Quellen verwendet, nämlich

1. ein Gemisch der einfachen Massen oder eine Verbindung der beiden Elemente und

2. Siliziumpulver, welches mit den beiden Verunreinigungen in einer gewissen Konzentration dotiert ist.

Zum besseren Verständnis des Verfahrens zur Herstellung der Verunreinigungs-Quellen und im Hinblick auf eine entsprechende Durchführung des Verfahrens zur gleichzeitigen Diffusion von Verunreinigungen während der Herstellung von npnp-leitenden Halbleitern mit vier diffundierten Schichten aus einem SiIizium-Monokristall seien nachstehend die Versuche und dortm Ergebnisse angeführt, die zu dem anmeldungsgemäßen Verfahren gefühlt haben.

20982E/0961

Angenommen, das Ziel vorliegender Erfindung sei tatsächlich die Zahl dor Diffusionsgänge für Verunreinigungen möglichst stark 7Λΐ vermindern, die bei den Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Halbleitern mit vier diffundierten Schichten erforderlich sind, wurde seitens der .Anmelderin als Basis für die Versuche Scheiben aus η-Silizium in dem Zustand verwendet, wo sie nach dem Fotogravur-Arbeitsgang geöffnete Fenster in der Oxidschicht aufweisen.

Zuerst wurden getrennte Versuche zur Diffusion einer einzigen Verunreinigung an den Scheiben durchgeführt, um eine Erforschung der verschiedenen, erreichbaren Konzentrationen zu ermöglichen. Als Verunreinigungen wurden einerseits solche gewählt, welche eine p-Leitfähigkeit ergeben (Gallium, Aluminium, Bor) und andererseits solche, welche n-Leitfähigkeit erzeugen (Phosphor, Arsen, Antimon).

Diese Versuche haben gezeigt, daß lediglich Gallium die Oxid- bzw. Kieselerdeschicht leicht durchdringt, während Aluminium und Bor sowie Arsen und Phosphor durch diese Schicht aufgehalten wurden, wobei die Verzögerungswirkung insbesondere für Phosphor besonders hoch war. Im übrigen

ein
ergab sich für Antimon/zu geringer Diffusionskoeffizient, um es zu verwenden. Ausgehend von diesen Ergebnissen konnte gefolgert werden, daß die einzige Dope, die zur Erzeugung diffundierter, p-leitender Zonen verwendet werden konnte, Gallium war, während zur Herstellung η-leitender Zonen

20982 5/0961

als Verunreinigung Arsen oder Phosphor eingesetzt werden konnten, Dies führt zu dem Schluß, daß die einzigen Dotierungsmittelpaare, die augenblicklich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Quellen verwendet werden konnten, Arsen-Gallium und Phosphor-Gallium waren.

Hieran anschließend wurden Versuche zur gleichzeitigen Diffusion der beiden Verunreinigungen durchgeführt, wobei folgende Techniken verwendet wurden:

1. Die Quelle wurde von den Elementen selbst oder einer Verbindung aus ihnen gebildet und

2. die Quelle bestand aus entsprechend diffundiertem Silizium-Pulver.

Bei dem ersten Typ der Dopen-Quelle genügt es, einen Kompromiß zwischen Aufbau und gewünschter Diffusionstemperatur zu finden. In diesem Falle sind die Konzentrationen an der Oberfläche die Maximalkonzentrationen, die der Diffusionstemperatur entsprechen, wobei letztere jedoch durch den Partialdruck der Quellen begrenzt ist. Beispielsweise liegt bei einer Diffusion mit Gallium-Arsenid als Quelle die Maximaltemperatur bei etwa 124O°C, da oberhalb dieser Temperatur der Arsen-Druck' sehr schnell wächst. Dieser Partialdruck, der bei 1200°C nur etwa 0,1 at beträgt, erreicht gegen 1280°C Atmosphärendruck.

20982 5/0961

--•Ο-

Bei der Herstellung des zweiten Typs von Dopon-Quellen ist eine besser durchgearbeitete Technologie erforderlich, da in einem ersten Arbeitsgang das Siliziumpulver mit den gewünschten Konzentrationen an Verunreinigungen erzeugt werden muß. Die Konzentrationen können auf verschiedene Weisen erhalten werden:

a) Durch Mischung zweier Pulver, wobei jedes Pulver eine Verunreinigung enthält,

b) durch Mischung zweier Pulver, von denen eines zwei Verunreinigungen und das andere keine oder eine Verunreinigung enthält und

c) aus einem einzigen Pulver, welches direkt die gewünschten Konzentrationen aufweist.

Die Verunreinigungen werden in das Silizium durch Diffusion, sei es gleichzeitig, sei es nacheinander, eingebracht. Ein mit Gallium und Phosphor dotiertes Pulver wird auf folgende Weise erhalten:

Ein Barren aus polykristallinem Silizium hoher Reinheit wird zerkleinert und dann derart gesiebt, daß der Teil, dessen Korngröße nahe bei hO ax liegt, isoliert wird. Dieses Pulver wird in ein Quarzschiffchen eingebracht, welches an einem Ende auch ein Stück von an eine Siliziumscheibe unlegiertem Gallium und am anderen Ende ein Stückchen roten Phosphors

20982 5/0981

enthält. Diese Anordnung wird in eine Quarzröhre eingeführt, die unter 'Vrgon verschlossen ist und sehr langsam auf Temperatur gebracht wird (1300 C während etwa 72 Stunden), Bei diesem

1 9 Vorgehen Kann man ein Pulver erhalten, das mit 1 bis 3*10 Atom/cm" Gallium und bis zu 10 Atom/cm Phosphor dotiert ist. Um eine Quelle mit 2.10 Atom/cm Gallium und 5·10 Atom/cm Phosphor ?.n erhalten, wird das vorerwähnte Pulver mit einer gleichen Menge eines Siliziumpulvers gemischt, welches nur

19 /3 mit Gallium mit einer Konzentration 2.10 ^y Atom/cm dotiert ist. Die Verwendung einer derart hergestellten Quelle gestattet es, an der Oberfläche der Siliziumscheiben Cg-Werte zu erhalten, die leicht unterhalb der der Quelle liegen.

Es ist also angebracht, dies bei der Herstellung der Quelle zu berücksichtigen.

Im übrigen haben die vorerwähnten Versuche während der gleichzeitigen Diffusion in einer verschlossenen Quarzröhre mittels solcher Pulver gezeigt, daß

1. es möglich ist, die Konzentrationen der Verunreinigungen tmabhängig von der Diffusionstemperatur zu wählen,

2. die erhaltenen Konzentrationen unabhängig von der Diffusionsternperatur werden, wenn sie unterhalb der Grenzkonzentrationen bei dieser Temperatur liegen und daß es infolgedessen möglich ist, mit niedriger Konzentration bei hohen Temperaturen zu diffundieren,

2U982B/09G1

3· das Diffusionsverfahren mittels dotierten Siliziumpulvers gleichzeitig die Möglichkeit gibt, nicht in der Diffusionstemperatur begrenzt zu sein, wie es bei Verwendung einer Verbindung aus oder der Elemente Arsen-Gallium oder Phosphor-Gallium als Dopen-Quelle der Fall ist.

k. Das mit Arsen und Gallium dotierte Siliziumpulver kann bis gegen 1300 C in einer verschlossenen Röhre verwendet werden, während Gallium-Arsenid nur unterhalb einer Temperatur von 1240 C aufgrund des Partialdruckes des Arsens Verwendung finden kann. Mit Rücksicht hierauf kann es vorteilhaft sein, in zwei Stufen zu arbeiten, nämlich das Siliziumpulver mit Gallium-Arsenid bei einer Temperatur unterhalb 1 2^0 C zu dotieren und anschließend das dotierte Pulver bei einer Temperatur oberhalb 12^-0°C zu verwenden, wobei die Oberflächenkonzentrationen unverändert bleiben, jedoch das Diffusionsprofil durch Verwendung einer erhöhten Diffusionstemperatur modifiziert werden kann.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die durchgeführten Versuche gleichzeitiger Diffusion gezeigt haben, daß es für eine wirkungsvolle Durchführung der Erfindung, d.h. für eine gute Reproduzierbarkeit des DiffusionsVorganges, notwendig war, eine gewisse Zahl von Vorsichtsmaßnahmen zu beachten, von denen folgende erwähnt seien:

209825/0961

a) Eine vollständige Desoxidation der in der Oxidschicht angebrachten "Fenster" muß durchgeführt werden, bevor die Scheiben aus oxidiertem Silizium in der Quarzröhre untergebracht werden. Um dies zu erreichen, wird augenblicklich vorgezogen, die Scheiben in einem Bad aus verdünnter Flußsäure zu behandeln.

b) Die Quellen der Verunreinigungen müssen in gleicher Weise vollständig frei von Oxidation sein.

c) Vor dem endgültigen Verschließen der Quarzröhre muß diese und ihr Inhalt im Vakuum ausgeheizt werden und es ist erforderlich, während des Verschließens das Eintreten von Wasserdampf unbedingt zu vermeiden.

d) Die Diffusion sollte vorzugsweise unter Argon stattfinden, dessen Druck derart 'berechnet werden muß, daß man bei der Diffusionstemperatur einen Gesamtdruck enthält, der in etwa gleich oder nahe dem Atmosphärendruck ist. Dies ist deshalb erforderlich, um ein Aufplatzen oder Einfallen der Röhre während der Diffusion zu vermeiden.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Verfahren der gleichzeitigen Diffusion auch durchgeführt werden kann, indem offene Quarzröhren verwendet werden. Um dies zu tun, ist es jedoch nötig, eine sehr intensive Spülung zu gewährleisten und es hat den Anschein, als ob die Mittel, die angewendet werden

20982 5/0961

-u- 21^956

müssen, um dies zu erreichen, trotz der möglichen Wiederverwendung der Quarzröhren kostspieliger sind, als die beim Verschließen der Quarzröhren erforderlichen Arbeitsgänge.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der anliegenden Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1e die verschiedenen Schritte eines üblichen Diffusionsverfahrens mit zwei Verunreinigungen bei η-leitenden Siliziumscheiben, die erforderlich sind, um Halbleiterelemente mit vier diffundierten Schichten zu erzeugen;

Fig. 2a bis 2c die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens der gleichzeitigen Diffusion wenigstens zweier Verunreinigungen bei Siliziumscheiben gleichen Typs zur Erzeugung von ähnlichen Halbleiterelementen mit vier diffundierten Zonen, beispielsweise Thyristoren oder Triacs und

Fig, 3 ^e^ⁿ weiteres Halbleiterelement, welches nach einem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist.

Es ist deshalb nicht mehr erforderlich in allen Einzelheiten die Aufeinanderfolge der dargestellten Diffusionsvorgänge zu beschreiben, da jeder der Arbeitsgänge ausreichend in dem vorstehenden Teil der Beschreibung erläutert wurde. Trotzdem ist die Verringerung der Zahl der erfordorlichen Arbeitsgänge b&i Anwendung des erfindungsgemäßen. Verfahrens

209825/0961

ersichtlich. Es sei nur kurz darauf hingewiesen, was di|p einzelnen Figjuren zeigen:

Fig. 1a zeigt eine Scheibe aus η-Silizium, welche-thermisch oxidiert und infolgedessen an ihren beiden Oberflächen mit Oxid (SiO ) bedeckt ist.

In Fig. 1b ist die Scheibe gemäß Fig. 1a nach einer Gallium-Diffusion in einem verschlossenen Rohr dargestellt. Sie weist unter den Oxidschichten zwei diffundierte p-leitende Zonen auf, welche beidseits einer η-leitenden Zone liegen (die η-leitende Zone ist ein Überrest der ursprünglichen Siliziumscheibe) .

In Fig. 1c ist die Scheibe gemäß Fig. 1b dargestellt, nachdem Fenster F₁, F„ durch Fotogravur in den Oxidschichten erzeugt wurden, um Öffnungen zu bilden, die eine η -Vorablagerung, beispielsweise durch eine flüssige POCl_-Quelle, gestatten.

In Fig. 1d ist die Scheibe gemäß Fig. 1c gezeigt, nachdem das Phosphorglas, welches die Silizium-Dioxidschicht bedeckte, angegriffen wurde, um eine Durchlöcherung der Oxidmaske während der Diffusion der η -Schichten zu verhindern.

Fig. 1e zeigt nun die Scheibe entsprechend Fig. 1d nach Durchführung des Diffusionsvorganges für die n⁺-Schichten.

209825/0961

Es sei darauf hingewiesen, daß es anschließend an den Diffusionsvorgang für die η -Schichten häufig erforderlich ist, erneut eine Gallium (p )-Diffusion über einige 10 /u Tiefe durchzuführen, da die vorhergehenden Arbeitsgänge, zu einer Verminderung der Oberflächenkonzentration an Gallium geführt haben.

In den Fig. 2a bis 2c sind nun die einzelnen Schritte gezeigt»

die bei der gleichzeitigen Diffusion gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren notwendig sind.

Fig. 2a zeigt die Siliziumscheibe, welche an ihren beiden Oberflächen mit einer Oxidschicht bedeckt ist, wie dies auch in Fig. 1a der Fall ist.

Fig. 2b zeigt - entsprechend Fig. 1c - die Scheibe nach Fig. 2a nach Anbringung der "Fenster" F.. und F. durch Fotogravur in den Oxidschichten.

Fig. 2c zeigt schließlich das Gebilde mit vier npnp-diffundierten Zonen, welches man nach Durchführung der gleichzeitigen Diffusion zweier Verunreinigungen entsprechender Arten enthält.

Es sei erwähnt, daß Fig. 3 das Gebilde zeigt, welches entsteht nach Durchführung des Verfahrens der gleichzeitigen Diffusion, sofern das Phänomen der Verzögerung einer Verunreinigung durch die andere auftritt. Die Verzögerung ist

209825/0961

-¹^ 2H5958

dabei tatsächlich eine Funktion dör Öiffüsionstemperätui⁴. Uhd dej^ Köhzöntfatiörten der beiden

Es äöi iirt Übrigen rtoch darauf hingewiesen, daß die. Hdrätöliüflg des dotierten ^iiiziUfiiptiiVerä, Weiöheö Vöi-Üiireinigüngeii iil einer gewünäöhten Kohzeiitration aufweist _t getu&ß der Srfiiidtlng äui¹ VerSeHiederiö Weisen ei*foigön kanrii

&) Atiögehend von einem Barren b^w* Stab aus Siliziurti» welcher Vörürlreinigungert aufweist, iiöbei diese Art auf ilöröteilung in gewiäsen Fällen durch dert Vert

s—liöeffizientert begrenzt seih kann. Bei kann man beispieiäweisö einen Wert von 3*10 ' ÄtöHi/eifl-^J ilichi überäbn^eiten und atiderer§eitS variieren die Konzentrationen entlang deö Stabes, was zu Schwiörigkeitert bei der töeSSurtg dir* Kottiienti'ättioileh führt.

b) DUreh iiiffüiidti von VerUnreiiiigtuiiert iffl SiliziuW- #öb#i die Öiffüsieh ,gÜiiBhäeitig odör ÖUk

kähtl Uiid die äüfti'etdiidi Köftzeriträtiöri diö die tHsn art der Obisrflache erhält. Ih diesem Falle diö Könäenträtiöh isiöht aüigehehd voft Ip. de» Vorhandenen Probestücken überwacht.

e) Durch Miaehüng Vöh fuivefh_f Wobei jedes Pulver öiftö oder mehrere Verunreinigungen enthalten kann

20982 5/0001 BAD ORIÖINAL

-ie-

d) Durch Kombination der Vorerwähnten Verfahren, d.h. beispielsweise durch Diffusion anderer Verunreinigungen in ein Pulver* welches ausgehend von eineitt dotierten Siliaiümstab hergestellt ist. . '

Schließlich sei noch erwähnt, daß bei einem Vorgehen nach der Erfindung beispielsweise die zur Dotierung einer Siliisiumscheibe mit elrtem Durchmesser von 32 mm erforderliche Puiverffienge in der Größenordnung von 1 Gramm liegt, wobei die Menge teilweise von der mittleren Korngröße abhängt, welche Vorzugsweise nahe 50 Mikron gewählt wird.

£uffl besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend Öeiäpiele für die Durchführung des Verfahrens der gleichzeitige« Diffusion wenigstens Zweier Verunreinigungen bei Siiiziumscheiben beichrieben, welche bei der Herstellung von liaiblöiterele^menten mit vier npnp«-diffundier ten Zonen zur Anwendung kommen.

Beispiel 1 »

Die Herstellung eines TriaöS durch gleichzeitige Diffusion ausgehend Vört Gallium-Ärsenid. Die Diffusion findet während 36 ätuiiden bei 11ÖÖ°C itatt. Der anfängliche Ärgon-Druck ist 0,2 äti Bie Qtieiie setzt sich zusammen aus 1 Gramm Gäilium-Arsettid für 100 Scheiben mit einem Durchmesser von 33 mm« Sie ist in einem Silizium-Schiffchen untergebracht* Die Siiiziumaehöiben werden in einem Qüarz-Schlffchen ange-

4L

209825 /0 0.61 BAD ORIGINAL

-^- 2H5956

ordnet, die Quarzröhre - ebenso wie die Quelle und die Scheiben vor dem Verschließen unter Vakuum ausgeheizt.

Bei diesem Verfahren erhält man folgende Konzentrationen und Diffusionstiefen:

X = 13/U X= 33 /U

^JN / ^JP '

C_e α 5.1O²⁰ at/cm³ G_c a 1 - 2.10¹⁹ at/cm³

^SN ^SP

Beispiel 2

Herstellung eines Thyratrons durch gleichzeitige Diffusion ausgehend von einem mit Arsen und Gallium diffundierten Siliziumpulver.

Herstellung des Pulvers: 65 Gramm Pulver aus reinem Silizium, 3,7 Gramm Gallium-Arsenid auf einem Silizium-Schiffchen. Diffusion während 62 Stunden bei 1200°C in einer verschlossenen Röhre.

Eigenschaften des Pulvers:

C_c ^L 8-10¹⁸ at/cm³
^SP .

C_c d 5.1O²⁰ at/cm³

^SN

Dotierung der Siliziumscheiben mit einem Gramm des vorgenannten

209825/0961

-«>- 2U5956

Pulvers je Scheibe von 33 mm Durchmesser. Diffusion in verschlossener Röhre bei 1250 C während 7 Stunden 30^Minuten, was zu folgenden Kennwerten führt:

X_T * 8 /U X= 33 /i

J_n / Jp /

C_c a 2·10²⁰ at/cm³ C_c s 5·1Ο¹⁸ at/cm³.

209825/0961

Claims

2U5956

Patentansprüche

1.J Verfahren zum gleichzeitigen Eindiffundieren mehrerer Verunreinigungen in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere Silizium, zur Erzeugung von Gebilden mit drei oder vier diffundierten, n- und p-leitenden Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst Halbleiterscheiben einer thermischen Oxidation zur Bildung einer beidseitigen, oberflächlichen Oxidschicht unterworfen werden, daß dann die oxidierten Halbleiterscheiben einer Fotogravur zur Öffnung von "Fenstern", welche für die Diffusion einer n-leitenden Schicht, nötig sind, unterzogen werden und ein Reinigungsbad passieren, daß hierauf die so behandelten Scheiben zusammen mit wenigstens einer Quelle von mindestens zwei Verunreinigungen (Dotierungsmitteln), welche in Abhängigkeit von den Eigenschaften des die Schichten aufweisenden Gebildes bestimmt ist, in eine Quarzröhre eingebracht werden und daß schließlich die gefüllte Quarzröhre in eine Umhüllung eingeführt wird, die auf einer die gleichzeitige Diffusion der n- und p-Schichten ermöglichenden Temperatur gehalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Oxidation der Scheiben soweit geführt wird, bis die äußeren Oxidschichten eine Dicke von einigen 1000 Angström aufweisen, wobei die Dicke nicht kritisch ist, da sie während des Verfahrens keiner Glasbildung unter-

20982 57 0961

worfen ist.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den äußeren Oxidschichten geöffnete« "Fenster¹¹ in einem Bad aus verdünnter Flußsäure unmittelbar vor der Durchführung der gleichzeitigen Diffusion vollständig desoxidiert werden.

k» Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben in der Quarzröhre derart angeordnet werden, daß jeweils zwischen benachbarten Scheiben und entlang der Innenfläche der
Röhre ein freier Raum bleibt, um die Zirkulation dc;V
Dotierungsmittel-Dämpfe während der simultanen Diffusion weitgehend zu erleichtern.

5· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle(n) der
Verunreinigungen vor dem Diffusionsvorgang derart behandelt wird (werden), daß jede eventuelle vorhergehende Oxidation beseitigt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzröhre und
deren Inhalt vor dem endgültigen Verschließen der Röhr©
im Vakuum ausgeheizt wird«

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An-

209 8 25/0 981

'*** 2U5956

Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschließen der Quarzröhre so erfolgt, daß ein Eintreten von Wasserdampf in die Röhre sicher vermieden wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion unter Argon stattfindet, wobei der ursprüngliche Argon-Druck derart berechnet wird, daß bei der Diffusionstemperatur ein Gesamtdruck entsteht, der dem Atmosphärendruck gleich oder annähernd gleich ist.

9· Verfahren zur Herstellung einer Dopen-Quelle zur Verwendung bei dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, welche wenigstens zwei Verunreinigungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus den Elementen, welche die erforderlichen Verunreinigungen liefern, gebildet wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Dopen-Quelle zur Verwendung bei dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9_f welche wenigstens zwei Verunreinigungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung aus den Verunreinigungen hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die dotierende Quelle von einem Gemisch aus Arsen und Gallium gebildet ist.

209825/0961

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als dotierende Quelle Gallium-Arsenid verwendet, wird.

13· Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als dotierende Quelle Gallium-Phosphid verwendet wird.

^h, Verfahren zur Herstellung dotierender Quellen, welche wenigstens einen Anteil zwe ierVerunre inigungen aufweisen, und die zur Durchführung des Verfahrens der gleichzeitigen Diffusion gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis dienen, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der Wert der oberflächlichen Konzentration an n- und p-Verunreinigungen bestimmt wird, welcher das gewünschte Gebilde liefert, dass dann einerseits die p-leitende Verunreinigung gewählt wird, die während der Diffusion die auf den Siliziumscheiben während der thermischen Oxidation gebildete Oxidschicht leicht durchquert und andererseits die η-leitende Verunreinigung β die im Gegensatz dazu während der Diffusion durch die Oxidschicht auf den Scheiben stark gebremst wird« und daß schließlich Siliziumpulver durch Diffusion mit jeder der beiden ausgewählten Verunreinigungen dotiert

q wird, bis man Konzentrationen je cm des Pulvers mit einem Wert etwas oberhalb der Werte der gewünschten Struktur erhält.

15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet., daß als Verunreinigungen, welche zur Erzeugung der gewünschten Konzentrationen im Siliziumpulver dienen, Gallium und

?09 8 25/Q9B1

Arsen gewählt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1*1·, dadurch gekennzeichnet, daß als Verunreinigungen, welche zur Erzeugung der gewünschten Konzentrationen im Siliziumpulver dienen, Gallium und Phosphor gewählt werden.

17· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche lh bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumpulver ausgehend von einem Stab bzw. Barren, welcher die Verunreinigungen enthält, hergestellt wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1k bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion der Verunreinigungen in das Siliziumpulver gleichzeitig oder aufeinanderfolgend erfolgt, wobei die Überwachung der Oberflächenkonzentrationen mittels Probeelementen vorgenommen wird, die in das Pulver eingebracht werden.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 *l· bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das -dotierte Siliziumpulver durch Mischung von -Pulvern-hergestellt ist, von denen jedes eine »dor mehrere Verunreinigungen enthalt»

iO, Vorfahren nach eLnom oder mehreren dor Ansprüche \h bLj 18, dadurch gekennzeichnet, daß das dotiert» SiliziumpuLvor ausgehend van einem au» einem dotierten S barren hergestellten Pulver erzeugt wird, In weL

2 ü 9 0 2 5 / 0 9 6 1 B^AD ORIGINAL·

2HR956

andere Verunreinigungen diffundiert werden.

21. Vorfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche ^h bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver verwendet werden, deren Korngröße überwiegend bei etwa 50 Mikron liegt,

22. Verfahren nach Anspruch 1 und-15» dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige Diffusion unter Verwendung eines mit Gallium und Arsen dotierten Pulvers in einer verschlossenen Röhre bei einer Temperatur bis zu etwa 1300 C durchgeführt wird.

23· HalbleiteKlemenfc, welches drei oder vier diffundierte Zonen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Sili-siumscheibe, welche nach dem Verfahren genj.'iß csinem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 behandelt ist, ausgeschnitten ist.

209 82 57 09Ö!