DE2200623A1

DE2200623A1 - Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung in einen Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE2200623A1
Application number: DE19722200623
Authority: DE
Inventors: Coughlin Joseph Bernard
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-01-11
Filing date: 1972-01-07
Publication date: 1972-07-27
Also published as: FR2121734B1; FR2121734A1; US3755017A; GB1332994A; IT948817B

Description

N.V. Philips¹ Gloeilampenfabrieken, Eindhoven / Holland

Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung in einen Halbleiterkörper

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung in einen Halbleiterkörper.

Es sind verschiedene Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung in einen Halbleiterkörper bekannt. Bei einem vielfach angewandten Verfahren, das unter der Bezeichnung "Verfahren mit offenem Bohr" ("open tube method") bekannt ist, wird eine Vielzahl von Halbleiterscheiben auf einem Schiffchen in einen Rohrofen eingeführt, wobei ein Grasstrom, der die Verunreinigung in der Dampfphase in elementarer oder zusammengesetzter Form enthält, über die erhitzten Halbleiterscheiben geführt wird. Bei diesem Verfahren werden verschiedene Techniken zum Einführen des Verunreinigungsdampfes in den Gasstrom angewendet; z.B. wird der Gasstrom, bevor er über den Halbleiterkörper geführt wird, über eine erhitzte Verunreinigungsquelle geleitet, wobei sich die Verunreinigung/ in elementarer oder in zusammengesetzter Form befindet./entweder

PHB 32 118
Hb

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Bei Anwendung eines derartigen Diffusionsverfahren ergeben sich verschiedene Probleme. Das Strömungsmuster des Gases in dem Rohrofen kann erhebliche Änderungen der Werte des Schichtwiderstandes gleichzeitig diffundierter Gebiete, sowohl zwischen entsprechenden Gebieten in derselben Scheibe als auch zwischen entsprechenden Gebieten in verschiedenen Scheiben, bewirken. Ein weiterer Nachteil eines solchen bekannten Verfahrene ist der, daß die Verunreinigung aus dem Gasstrom sowohl auf der Innenoberfläche des Rohres als auch auf den Scheiben selbst niedergeschlagen wird.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren werden sowohl die auf dem Schiffchen befindlichen Scheiben als auch eine Quelle einer festen Verunreinigung in einem geschlossenen Gefäß erhitzt, um die Verunreinigung elnzudiffundieren. Ein solches Verfahren ist unter der Bezeichnung "Verfahren mit geschlossenem Gefäß" ("closed box method") bekannt. Bei Anwendung dieses letzteren Verfahrens besteht am Anfang der Erhitzung der Scheiben und des Schiffchens infolge der Wärmekapazität des Schiffchens ein Temperaturgradient über den Scheiben. Sa sich die Verunreinigungsquelle während dieser Erhitzungezeit, d.h. bevor das Schiffchen und die Scheiben die erforderliche Diffusionstemperatur erreicht haben, in dem geschlossenen Gefäß befinden, können über den Scheiben erhebliche Änderungen der Diffusionstiefe und der elektrischen Parameter, wie des Schichtwiderstandes der diffundierten Gebiete, auftreten. Solche unerwünschten Änderungen treten insbesondere auf, wenn die Diffusionszeit kurz ist, was gewöhnlich der Fall ist, wenn flache Diffusionen erforderlich sind.

Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung aus der Dampfphase in einen Halbleiterkörper dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper und eine Verunreinigungsquelle in gesonderten Gefäßen mit offenem Ende angeordnet werden, die je für sich in einen Diffusionsofen eingeführt und deren offene Enden zur Bildung eines

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geschlossenen Behälters miteinander verbunden werden, wobei das den Halbleiterkörper enthaltende Gefäß nach seiner Einführung in den Ofen und vor der Zusammenfügung der Gefäße während einer genügend langen Zeit auf eine Temperatur in der Nähe der nachher anzuwendenden Diffusionstemperatur erhitzt wird, um eine gleichmäßige Temperatur über den ganzen Halbleiterkörper zu erhalten, und wobei die Verunreinigungsdiffusion in dem geschlossenen Behälter durchgeführt wird, der nach der Zusammenfügung erhalten ist.

Bei Anwendung dieses Verfahrens können flache und dennoch gleichmäßige Diffusionen erhalten werden. Schichtwiderstandsmessungen über Scheiben und zwischen Scheiben von durch dieses Verfahren erhaltenen diffundierten Gebieten haben ergeben, daß die auftretende Änderung auf 20 # beschränkt sein kann und in vielen Fällen nicht mehr als 5 $ beträgt. Die Diffusionszeit wird hier nicht, wie bei dem Verfahren "mit geschlossenem Gefäß", durch die zur Erhitzung des Schiffchens und der Halbleiterscheiben erforderliche Zeit verkürzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden aber zwei der Vorteile des Verfahrens "mit geschlossenem Gefäß" beibehalten: Die Diffusion geht unter einem nahezu konstanten Dampfdruck vor sich, wobei die Unregelmäßigkeiten in der Ablagerung der Verunreinigung, die durch das Vorhandensein einer Trägergasströmung herbeigeführt werden, vermieden werden; außerdem wird eine Verschmutzung des Rohrofens möglichst vermieden. Im Vergleich zu dem Verfahren "mit geschlossenem Gefäß", bei dem das geschlossene Gefäß zerbrochen werden muß, um die Scheiben nach Diffusion zu entfernen, weist das erfindungsgemäße Verfahren den wirtschaftlichen Vorteil auf, daß die bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendeten zwei Gefäße mehrere Haie aufs neue verwendet werden können, wobei die Grenze ihrer Anwendbarkeit von der Verschmutzung der Wände der im allgemeinen aus Quarz bestehenden Gefäße durch die Diffusionsverunreinigung abhängig ist.

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Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden die Vorteile sowohl des Verfahrens mit offenem Rohr als auch des Verfahrens mit geschlossenem Gefäß erhalten, ohne daß die diesen Verfahren anhaftenden Nachteile auftreten.

Das die Verunreinigungsquelle enthaltende Gefäß kann in den Ofen eingeführt und auf eine Temperatur in der Nähe der Diffusionstemperatur erhitzt werden, bevor es mit dem den Halbleiterkörper enthaltenden Gefäß verbunden wird.

Durch die vorher durchgeführte Erhitzung des die Quelle enthaltenden Gefäßes wird sichergestellt, daß die Diffusion der Verunreinigung unter Bedingungen eines thermischen Gleichgewichts vor sich geht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß etwaige unerwünschte Verunreinigungen, die anfänglich ggf. von der Quelle bei die Diffusionstemperatur unterschreitenden Temperaturen abgegeben werden, den Halbleiterkörper nicht erreichen.

Das erste und das zweite Gefäß können je rohrförmig gestaltet sein und sind an je einem Ende geschlossen, während das andere Ende offen und flach ist; die Gefäße werden dadurch miteinander verbunden, daß die flachen Enden gegeneinander gesetzt werden. Unter der Verbindung der offenen Enden des ersten und des zweiten Gefäßes zur Bildung eines geschlossenen Gefäßes ist hier zu verstehen, daß an der Verbindungsstelle keine vollkommene Abdichtung gebildet zu werden braucht.

Eine Gasströmung kann in dem Ofen aufrechterhalten werden und mindestens eines der Gefäße mit offenem Ende kann, bevor es in eine Zone hoher Temperatur des Ofens eingeführt und darin erhitzt wird, in eine Zone niedriger Temperatur des Ofens eingeführt werden, in der es während einer bestimmten Periode in der Gasströmung gespült wird.

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Der Ofen kann «in Rohr enthalten, wobei die Gefäße mit offenem Ende an einem Ende des Rohres eingeführt werden. Die Gefäße können in einer der Gasströmung entgegengesetzten Richtung in den Ofen eingeführt und auch in dieser der Gasströmung entgegengesetzten Richtung von der Zone niedriger Temperatur zu der Zone hoher Temperatur befördert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Diffusionsofen mit einem Halbleiterscheiben enthaltenden Gefäß während der Erhitzung dieser Halbleiterscheiben,

Pig. 2 einen Schnitt durch den Diffusionsofen mit einem weiteren eine Verunreinigungsquelle enthaltenden Gefäß vor der Diffusion der Verunreinigung in die Halbleiterscheiben,

Pig. 3 einen Schnitt durch den Diffusionsofen und die Gefäße während der Diffusion.

Nach Pig. 1 werden Halbleiterscheiben¹auf einem Schiffchen

2 in ein erstes Gefäß 3 geladen. Die Scheiben 1 weieen einen Durchmesser von 38 mm und eine Dicke von 200 /um auf, während höchstens 50 Scheiben gleichzeitig behandelt werden können. Das Gefäß 3, das aus Quarz besteht, rohrförmig gestaltet und an einem Ende geschlossen ist, weist eine Länge von 15 cm und einen Innendurchmesser von 5 cm auf. Das Gefäß

3 wird mit dem geschlossenen Ende nach vorne in eine kalte Zone 4 eines Diffusionsofens 5 eingeführt und während 10 Minunten in einem Stickstoffgasstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1/2 l/min in der mit dem Pfeil 6 angedeuteten Richtung gespült, um atmosphärische Gase zu entfernen. Das Rohr des Diffusionsofen 5 weist eine Innenbohrung von 6 cm auf. Das Gefäß 3 wird dann zu einer heißen Zone 7 befördert

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und verweilt dort 15 Minuten lang, bis das Gefäß und dessen Inhalt die Diffusionstemperatur erreichen, während zu gleicher Zeit ein zweites Gefäß 8, das dem ersten Gefäß 3 entspricht, aber das eine Quelle 9 einer festen Verunreinigung auf einem Schiffchen 10 enthält, mit dem offenen Ende nach vorne in die kalte Zone 4 (siehe Pig. 2) eingeführt und während 10 Minuten in einem Stickstoffstrom gespült wird. Nach diesem Spülvorgang wird das Gefäß 8 zu der heißen Zone 7 befördert, in der es erhitzt wird, wobei es sich in einem Abstand von 15 cm von dem ersten Gefäß 3 befindet. In dieser Ausführungsform erreicht jedes der beiden Gefäße die Diffusionstemperatur nach 15 Minuten; die dazu benötigte Zeit hängt aber von der Wärmekapazität der verwendeten Gefäße ab.

Nachdem die beiden Gefäße 3, 8 die Diffusionstemperatur erreicht haben, werden die offenen Enden der Gefäße, die vorher einer Schleifbearbeitung unterworfen sind, gegeneinander gesetzt, damit ein nahezu geschlossener Behälter gebildet wird. Dann wird die Verunreinigung aus der Quelle 9 in die Halbleiterscheiben 1 eindiffundiert.

Nach einer vorgegebenen Zeitspanne, die u.a. von der erforderlichen Oberflächenkonzentration und Diffusionstiefe abhängig ist, wird das die Quelle enthaltende Gefäß aus dem Ofen entfernt. Das die Scheiben 1 enthaltende Gefäß 3 kann einer geregelten zeltabhang!gen lemperaturänderung unterworfen werden, bevor es aus dem Ofen 5 entfernt wird, um die den diffundierten Gebieten der Scheiben entsprechenden elektrischen Kennlinien zu verbessern.

Nachstehend folgen einige Beispiele von Diffusionen, die mit Hilfe der oben beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung durchgeführt werden.

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Beispiel 1

Bei der Herstellung von npn-Bipolartransistoren können die Scheiben 1 eine epitaktische Schicht aus η-leitendem Silicium enthalten, die auf einem n⁺-leitenden Substrat hoher Leitfähigkeit mit einer Dicke von 200 /um niedergeschlagen ist. Die epitaktische Schicht weist einen spezifischen Widerstand von 0,5A.cm und eine Dicke von 5 /um auf, wobei Teile dieser Schicht endgültig einen Teil der Kollektorzonen der Transistoren bilden.

Zur Bildung von Basiszonen für die Transistoren werden die Scheiben 1 auf geeignete Weise mit Hilfe einer aus Oxyd bestehenden Oberflächenschicht maskiert, wobei durch Öffnungen in der Oxydschicht Bor in frei gelegte Oberflächenteile der epitaktischen Schicht eindiffundiert wird. Eine geeignete Quelle besteht aus Bornitrid, wobei das Gefäß 8 etwa 30 g Bornitrid enthält. Die Diffusionstemperatur beträgt 1000° C, während die Diffusionszeit, d.h. die Zeit, während der die beiden Gefäße 3, 8 gegeneinander gesetzt gehalten werden, 30 Minuten ist. Die erhaltenen p-leitenden Basiszonen weisen

einen Schichtwiderstand von 80 Λ pro Quadrat und eine Ober-IQ /3 flächenverunreinigungskonzentration von 10 Atomen/cm auf.

Beispiel 2

Auf entsprechende Weise werden bei der Herstellung von pnp-Siliciumtransistoren η-leitende Basiszonen dadurch gebildet, daß Phosphor in eine p-leitende epitaktische Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 1/2A.cm eindiffundiert wird. Die Diffusionstemperatur beträgt 800° C, während die Diffusionszeit 15 Minuten ist. Die erhaltene η-leitende Basiszone weist einen Schichtwiderstand von 200 &- pro Quadrat auf. Die verwendete Quelle besteht aus Phosphornitrid (vorherrschend Ρ-,Νς) in pulverförmigem Zustand.

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Im Rahmen der Erfindung sind noch viele Abwandlungen möglich. Insbesondere können gleichmäßige Bordiffusionen zur Bildung p-leitender Zonen mit einem Schichtwiderstand von 1000 XL pro Quadrat erzielt werden. Solche Zonen können Widerstände in integrierten Schaltungen in Halbleiterkörpern bilden.

Je nach dem erforderlichen Diffusionstyp können viele verschiedene Quellen verwendet werden. Diese Quellen müssen aber physikalisch von den Scheiben getrennt sein.

Da es aber sehr erwünscht ist, daß die Quelle während der Diffusion auf derselben Temperatur wie der Halbleiterkörper gehalten wird, muß die betreffende Quelle bei den für die Diffusion erforderlichen hohen Temperaturen verwendet werden können.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung aus der Dampfphase in einen Halbleiterkörper₅ dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper und eine Verunreinigungsquelle in gesonderten Gefäßen mit offenem Ende angeordnet sind, die je für sich in einen Diffusionsofen eingeführt und deren offene Enden zur Bildung eines geschlossenen Behälters miteinander verbunden werden, wobei das den Halbleiterkörper enthaltende Gefäß nach Einführung in den Ofen und vor der Zusammenfügung der Gefäße auf eine Temperatur in der Nähe der nachher zu verwendenden Diffusionstemperatur während einer genügend langen Zeit erhitzt wird, um eine gleichmäßige Temperatur über den ganzen Halbleiterkörper zu erhalten, und wobei die Verunreinigungsdiffusion in dem geschlossenen Behälter, der nach der Zusammenfügung gebildet wird, stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verunreinigungsquelle enthaltende Gefäß in den Ofen eingeführt und auf eine Temperatur in der Nähe der Diffusionstemperatur erhitzt wird, bevor es mit dem den Halbleiterkörper enthaltenden Gefäß verbunden wird.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Gefäß je rohrförmig gestaltet und an einem Ende geschlossen sind, während das andere Ende flach ist, wobei die Gefäße dadurch miteinander verbunden werden, daß die flachen Enden gegeneinander gesetzt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasstrom in dem Ofen aufrechterhalten wird, während mindestens eines der Gefäße mit offenem Ende, bevor es in eine Zone hoher Temperatur des Ofens eingeführt und darin erhitzt wird, in eine Zone niedriger Temperatur des Ofens eingeführt wird, in der es während einer bestimmten Periode in dem Gasstrom gespült wird.

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5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Anspr dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen aus einem Rohr bei . und die Gefäße mit offenem Ende an einem Ende des Rohres eingeführt werden.

6. Veri' ;: en nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet . daß die Gefäße mit offenem Ende in einer der Gasströmung entgegengesetzten Richtung in den Ofen eingeführt und von der Zone niedriger Temperatur zu der Zone hoher Temperatur auch in der der Gasströmung entgegengesetzten Richtung befördert werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Siliciu: besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekannzeichnet, daß die Diffusionsverunreinigungsquelle aus Bornitrid oder Phosphornitrid besteht.

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