DE2244992B2 - Verfahren zum herstellen homogen dotierter zonen in halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zum herstellen homogen dotierter zonen in halbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen homogen dotierter Zonen in Halbleiterbauelementen,
insbesondere solcher Zonen, die sich im Innern von großflächigen Halbleiterbauelementen befinden.
Bekanntlich läßt sich der Leitungstyp von Halbleitern, wie z. B. von Silizium, Germanium oder Verbindungen
der 111. und V. Gruppe des Periodensystems der Elemente, durch Dotierung mit Störstellen bildenden
Elementen einstellen, wobei diese in das Atomgitter der Halbleiter eingebaut werden. Je nachdem ob das
Störstellen bildende Element gegenüber dem Halbleiterelement einen Überschuß oder einen Unterschuß an
Elektronen in der Außenschale, den Valenzeiektronen, aufweist, werden Halbleiter vom n- oder p-Leitungstyo
gebildet.
Diese sogenannten Störstellenhalbleiter enthalten im allgemeinen sowohl die p-Leitung hervorrufenden
Akzeptoren als auch die η-Leitung hervorrufenden Donatoren, deren Wirkung sich teilweise gegenseitig
aufhebt, so daß nach außen im wesentlichen die Differenz der Konzentrationen der Akzeptoren und
Donatoren, die Netto-Störstellenkonzsntration, wirksam
ist.
Bei einigen Typen von Halbleiterbauelementen, z. B. solchen mit einer psnn-, npsnp- oder psnp-Struktur,
befinden sich im Innern η-leitende Zonen, die im allgemeinen als Basiszone bezeichnet werden und die
bei Bauelementen, die für hohe Sperrspannungen ausgelegt sind, wie etwa Dioden, Thyristoren und
besonders steuerbare Avalanche-Dioden, eine bestimmte Konzentration an η-Leitung hervorrufenden Störstellen
aufweisen sollen. Dabei werden an die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Störstellenelemente in der
Basiszone hohe Anforderungen gestellt. Es bereitet vielfach erhebliche technische Schwierigkeiten, diese
Forderung nach örtlicher Homogenität der Dotierung während der Fertigung zu erfüllen, zumal wenn es sich
um großflächige Halbleiterbauelemente handelt.
Nach bekannten Verfahren der eingangs genannten Art, die z.B. bei H. Frank und V. Snejdar,
Halbleiterbauelemente, Akademie-Verlag, Berlin, 1964, S. 242 bis 245; N. B. H a η η a y, Reinhold Publishing
Corporation, New York, 1959, S. 123 bis 125; Fritz G. V i e w e g, Tecnologie Avanzate di Material! Semiconduttori,
Cooperativa Universitaria Editrice Milanese,
1970, S. 79 bis 90, beschrieben sind, wird zu diesem Zweck das Ausgangsmaterial, z. B. das Silizium, vor der
Herstellung der Einkristalle mit einem Element, das η-Leitung hervorruft, etwa mit Phosphor, dotiert. Die
genaue Einstellung der Konzentration der Donatoren und ihre möglichst homogene Verteilung erfolgen
während der Herstellung des Silizium-Einkristalls, was beispielsweise nach dem bekannten Zonenzieh verfahren
durchgeführt werden kann. Die Netto-Störstellenkonzentraüon
N<i-Na, die Differenz der Konzentration )0
der Donatoren Nd und der Konzentration der Akzeptoren Na, beträgt dabei etwa 1013 bis 1014
Atome · cm-3. Man ist bestrebt, während dieser Hersteilungsschritte eine möglichst homogene Verteilung
der Störstellen zu erreichen oder wenigstens Teile ,5 der Kristalle, die diesem Ziel möglichst nahekommen,
für die weitere Verarbeitung auszuwählen.
Nachteilig bleibt dennoch bei diesen Verfahren, daß einmal vorhandene Inhomogenitäten der Störstelle« in
dem η-dotierten Ausgangsmaterial während der weiteren Arbeitsschritte erhalten bleiben und schließlich auch
in der inneren η-leitenden Basiszone vorhanden sind, nachdem die äußeren Randgebiete durch Umdotierung
in p-leitende Zonen und gegebenenfalls auch diese zum Teil in η-leitende Bereiche umgewandelt worden sind.
Es liegt auf der Hand, daß diese Inhomogenität der Dotierung der Basiszone die Qualität der fertigen
Bauelemente beeinträchtigt.
Um ein Element der IV. Gruppe des Periodensystems der Elemente, von denen für die Anwendung als
Halbleiter aus praktischen Gründen fast nur Silizium oder Germanium in Frage kommen, in einen Halbleiterkörper
vom n-Leitungstyp umzuwandeln, werden üblicherweise in den meisten Fällen als Donatoren
Elemente der V. Gruppe des Periodensystems, wie Phosphor, Arsen oder Antimon, verwendet.
Es ist jedoch auch schon beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 1131808, die entsprechende
amerikanische Patentschrift 29 54 308 sowie durch Soviet Physics-Semiconductors, Bd. 5, Nr. 1 (JuIi 1971), .Q
S. 17 bis 22, und J. Phys. Chem. Solids, 8 (1959), S. 81 bis
83, bekannt geworden, hierfür Elemente aus der VI. Hauptgruppe, besonders Schwefel, Selen oder Tellur,
und zwar einzeln oder miteinander, anzuwenden. Doch bereitet im allgemeinen der Einbau der Llemente der VI. ^5
Gruppe als Dotierungsstoff Schwierigkeiten, weil infolge der Bildung flüchtiger Verbindungen zwischen
dem Dotierungs- und dem Halbleitermaterial Diffusionsverluste auf der Halbleiteroberfläche auftreten.
Es ist weiterhin bekannt, daß aus der Gruppe der Chalkogene z. B. der Schwefel eine nur geringe
Löslichkeit in Silizium aufweist, die bei 1100°C etwa bei
1015 Atomen · cm-'liegt, und es ist ebenso bekannt, daß
der Diffusionskoeffizient des Schwefels mit 10-8cm2/sec bei 1100°C einen verhältnismäßig hohen 5S
Wert aufweist und somit besonders die Werte der Diffusionskoeffizienten der sonst üblicherweise als
Dotierungsstoffe verwendeten Elemente der HI. und V. Gruppe des Periodensystems um mehrere Größenordnungen
übertrifft. ^0
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren zur Herstellung homogen dotierter Zonen in Halbleiterbauelementen
zu erreichen, daß insbesondere sich tief im Innern der Halbleiterscheiben befindende n- oder
p-leitende Zonen eine homogene Verteilung der Störstellen aufweisen, und daß die Homogenität sich
über so große Bereiche erstreckt, daß das Verfahren auch für großflächige Halbleiterbauelemente geeignet
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen homogen dotierter Zonen in Halbleiterbauelementen,
insbesondere solcher Zonen, die sich im Innern von großflächigen Halbleiterbauelementen befinden,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst in und/oder auf einer nicht dotierten oder so gering
dotierten Halbleiterscheibe, daß gegebenenfalls vorhandene Inhomogenitäten dieser Dotierung sich nach einer
weiteren Dotierung nicht mehr bemerkbar machen, die für das Bauelement vorgesehenen funktionsbestimmenden
Strukturen derart erzeugt werden, daß im Innern der Halbleiterscheibe eine nicht oder niedrig dotierte
Kernzone verbleibt, und daß die gesamte Halbleiterscheibe darauf mit einem im Halbleitermaterial nur in
geringer Menge löslichen und mit hoher Geschwindigkeit diffundierenden Dotierungsstoff dotiert wird.
Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß sich die nachträgliche Dotierung von Kernzonen im
Innern von Halbleiterscheiben mit schnell diffundierenden und schwach löslichen Dotierungsstoffen, wie etwa
Schwefel, Selen oder Zink, ohne Beeinträchtigung der vorausgegangenen Dotierungen durchführen läßt und
dadurch die vorgesehene Umwandlung der Basiszone in einen Halbleiter vom n- oder p-Leitungstyp und die
Einstellung der benötigten Störstellenkonzentration durch eine nachträgliche Diffusion ermöglicht wird.
Dies ist einmal darauf zurückzuführen, daß die schnell laufenden Dotierungsstoffe auf Grund ihrer hohen
Diffusionskonstante auch bei einer verhältnismäßig niedrigen Diffusionstemperatur sehr rasch die innere
Zone erreichen und dort den gewünschten Leitungstyp erzeugen. So läßt sich beispielsweise durch eine
Schwefeldiffusion die Umwandlung einer schwach dotierten, zunächst p-Leitungstyp aufweisenden Kernzone
in eine Zone vom n-Leitungstyp bewirken.
Andererseits liegen die Diffusionster^peraturen der schnell laufenden Dotierungsstoffe so niedrig, daß die
äußeren Zonen und Bereiche, die in zuvor erfolgten Verfahrensschritten in den p- und n-Leitungstyp
umgewandelt wurden, während der nachfolgenden Diffusion in ihrer Lage nicht mehr verschoben werden.
Und schließlich ist die Konzentration dieser schnell laufenden und schwach löslichen Dotierstoffe in den
äußeren Randzonen eben wegen ihrer geringen Löslichkeit so niedrig, daß die sehr kleinen Stoffmengen,
die während und nach der Diffusion in den umdotierten äußeren Randzonen als Rest verbleiben, diese höher
dotierten Zonen und Bereiche nicht mehr feststellbar verändern.
Da z. B. die Löslichkeit des Schwefels um mehrere Größenordnungen geringer ist als die von Gallium oder
Phosphor, macht sich eine Schwefeldotierung in Gebieten, die hoch mit Gallium oder Phosphor dotiert
sind, nicht mehr störend bemerkbar.
Man erreicht mit dem Verfahren nach der Erfindung eine höhere Homogenität der inneren Zone, als es nach
den bisher bekannten Verfahren möglich war, weil eine durch Diffusion dotierte Zone homogener als eine nach
anderen Verfahren dotierte Zone ist. Dies gilt besonders dann, wenn eine innere η-leitende Zone hergestellt
werden soll.
Bei den bisher bekannten Verfahren ließen sich während der Herstellung örtliche Schwankungen der
Dotierungskonzentrationen und des spezifischen Widerstandes nicht vermeiden. Dabei wirkt sich bei dem
Verfahren nach der Erfindung besonders vorteilhaft aus, daß Inhomogenitäten des Ausgangsmaterials nicht auch
im fertigen Bauelement erhalten bleiben und dann als Folge davon auch dessen Funktion beeinträchtigen.
Werden aber örtliche Inhomogenitäten vermieden, wozu das Verfahren nach der Erfindung verhilft, lassen
sich auch deren nachteilige Folgen verhindern. Daher treten z. B. keine örtlichen Durchschläge mehr im
Sperrbetrieb des Bauelementes an solchen Stellen auf, an denen der spezifische Widerstand zu niedrig ist.
Ebenso wird das örtliche Auftreten des »punch through«-Effektes vermieden, der z. B. bei Thyristoren
auf Stellen mit zu geringer Dotierung zurückzuführen ist.
Die gleichmäßige Stromführung in homogen dotierten Zonen erlaubt eine höhere Belastung im sperrenden
Zustand, bevor es zu einer Zerstörung des Bauelementes kommt. In gleich günstiger Weise wirkt sich aus, daß
es während des Betriebs nicht zu einer örtlichen Überhitzung der Bauelemente kommt.
Schließlich kann durch eine entsprechende Wahl der Diffusionsparameter eine gewünschte Sperrspannung
gezielt eingestellt werden, und die bisher erforderliche Anpassung der Dotierung des Ausgangsmaterials an die
gewünschte Sperrspannung entfällt. Überdies wird die gesamte Kristallherstellung und Lagerhaltung vereinfacht,
wobei sich weiter günstig auswirkt, daß die Sperrspannungswerte einer Herstellungscharge dicht
zusammenliegen.
An einem Ausführungsbeispiel, das die Herstellung einer inneren η-leitenden Zone zum Ziel hat, und an
Hand der teilweise schematischen Zeichnungen sei das Verfahren nach der Erfindung noch einmal näher
beschrieben.
Handelt es sich etwa darum, einen Thyristor für hohe Sperrspannungen herzustellen, geht man von Halbleiterscheiben,
beispielsweise Siliziumscheiben, aus, die sehr schwach p-dotiert sind. Geeignet ist unter anderem
besonders eine Bordotierung, wobei die Störstellenkonzentration etwa 3 · ΙΟ12 Boratome cm-3 beträgt. Die
Störstellenverteilung bei einer Bordotierung ist von Natur aus wegen des etwas günstigeren Verteilungskoeffizienten
des Bors im Silizium homogener als die Verteilung anderer Stoffe, z. B. etwa des Phosphors.
Dabei ist der Borgehalt entweder auf einen bei der Reinigung des Siliziumhalbleiters nicht entfernbaren
Borrest zurückzuführen; er kann aber gegebenenfalls auch durch eine zusätzliche Dotierung erreicht werden.
Die Konzentration dieser Akzeptoren, wie in diesem Beispiel des Bors, ist zweckmäßigerweise wenigstens
etwa um einen Faktor 10 kleiner als die später einzubringende Donatorkonzentration: daher können
sich örtliche Inhomogenitäten dieser Akzeptordotierung nicht merklich auf die spätere Donatordotierung
und damit auch nicht nachteilig auf die Eigenschaften des fertigen Bauelementes auswirken.
Zunächst wird nun, wie in den F i g. 1 bis 3 dargestellt ist in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten nach den
bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie weiteres Störstellenmaterial in eine schwach p-dotierte
Halbleiterscheibe 1 eindiffundiert, wodurch höher dotierte äußere Randzonen erzeugt werden. Dies kann
etwa in der Weise geschehen, daß durch eine Galliumdiffusion höher p-dotierte Randzonen 2 in
F i g. 2 gebildet werden, während eine innere Zone auch weiterhin die geringe p-Dotierung des Ausgangsmaterials
aufweist
Innerhalb der p-dotierten Randzonen werden dann gemäß Fig.3 durch eine sich anschließende Diffusior
von Donatoren, z. B. durch eine Phosphordiffusion Teilbereiche 4 und 5 in den n-Leitungstyp umgewandelt
Falls es erforderlich sein sollte, kann zur Erhöhung dei Minoritätsträgerlebensdauer auch noch ein Getterpro
zeß angeschlossen werden.
In die so vorbereitete Halbleiterscheibe wird darau Schwefel eindiffundiert, wobei — wie Fig. 4 zeigt eine
Umdotierung der zunächst p-leitenden 2'one 3 ir eine n-leitende Zone 6 bewirkt und die Donatorenkon
zentration in der Basiszone des Thyristors auf der vorgesehenen Wert eingestellt wird. Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger durch eine Schwefeldiffusion nicht ir
•5 unerwünschter Weise erniedrigt wird.
Als zweckmäßig hat sich für die Durchführung der Schwefeldiffusion erwiesen, die Scheiben in eine
Quarzarnpulle einzuschmelzen, die mit Argon gefüllt ist
Der Druck des Argons soll bei der Füllung bei *° Zimmertemperatur etwa 200 Torr betragen, so daß der
Innendruck der Ampulle bei der Diffusionstemperatur etwa der Höhe des Außendruckes gleichkommt.
Als Dotierstoffquelle befindet sich in der Ampulle ein Quarzschiffchen mit elementarem Schwefel, der einen
*5 Reinheitsgrad von etwa 99,999% aulweist. Die Menge
des Schwefels wird so bemessen, daß sich bei der Diffusionstemperatur ein Schwefel-Partialdruck von
etwa 10 Torr einstellt. Dieser Wert entspricht ungefähr 1,2 mg Schwefel auf 150 cm3 Ampulleninhalt.
Die Eindiffusion des Schwefels erfolgt dann bei der verhältnismäßig niedrigen Temperatur von etwa
10000C in an sich bekannter Weise während einer Dauer von etwa 6 bis 30 Stunden. Die genauen
Diffusionsbedingungen werden der Stärke der HaIbleiterseheiben und der angestrebten Donatorkonzentration
angepaßt und dementsprechend ausgewählt. Bei einer Scheibendicke von etwa 540 μίτι erreicht man nach
einer Diffusionszeit von 8 Stunden und einer Temperatur von 1000°C eine Konzentration von etwa 1,3 · \0u
Schwefelatome cnr3 an der Oberfläche und eine
Konzentration von etwa 3 · 1013 Schwefelatome cm-3
im Innern der Basiszone. Bei den verhältnismäßig niedrigen Diffusionstemperaturen während der Schwefeldotierung
wird die Lage der äußeren Randzonen 2 und der Randbereiche 4 und 5 nicht mehr verschoben.
Die sehr geringe Schwefelkonzentration in der Randzone 2 und den Bereichen 4 und 5, die nach der Diffusion
noch darin verbleibt hat keinen feststellbaren Einfluß auf die hohe Gallium- und Phosphordotierurig und
ändert daher die Eigenschaften dieser Gebiete nicht.
In entsprechender Weise wird eine p-leitende Kernzone hoher Homogenität im Innern einer Halbleiterscheibe
durch nachträgliche Eindiffusion von schnell laufenden und schwach löslichen Akzeptoren
erzeugt Nur kann in diesem Fall die Umdotierung des zunächst vorhandenen Leitungstyps entfallen.
Vielmehr wird man zweckmäßigerweise wie in dem vorhergehenden Beispiel von schwach dotiertem
p-leitendem Halbleitermaterial ausgehen, das — etwa bei einer Bordotierung — von vornherein bereits eine
hohe Homogenität aufweist Durch nachträgliche Eindiffusion von beispielsweise Zink wird die vorhandene
p-Dotierung erhöht und auf einen solchen Wert eingestellt, wie er für die vorgesehene Verwendung des
Bauelementes erforderlich ist
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (17)
1. Verfahren zum Herstellen homogen dotierter Zonen in Halbleiterbauelementen, insbesondere
solcher Zonen, die sich im Innern von großflächigen Halbleiterbauelementen befinden, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst in und/oder auf einer nicht dotierten oder so gering dotierten Halbleiterscheibe (1). daß gegebenenfalls vorhandene
Inhomogenitäten dieser Dotierung sich nach einer weiteren Dotierung nicht mehr bemerkbar
machen, die für das Bauelement vorgesehenen funktionsbestimmenden Strukturen (2, 4, 5) derart
erzeugt werden, daß im Innern der Halbleiterscheibe eine nicht oder niedrig dotierte Kernzone (3)
verbleibt, und daß die gesamte Halbleiterscheibe darcuf mit einem im Halbleitermaterial nur in
geringer Menge löslichen und mit hoher Geschwindigkeit diffundierenden Dotierungsstoff dotiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung einer Kernzone (6) vom n-Leitungstyp als mit hoher Geschwindigkeit diffundierender
Dotierungsstoff ein Element der VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente mit
Ausnahme des Sauerstoffs verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff Schwefel verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Kernzone vom
p-Leitungstyp als mit hoher Geschwindigkeit diffundierender Dotierungsstoff ein Element der II.
Nebengruppe des Periodensystems der Elemente verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff Zink verwendet
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gering dotierte
Halbleiterscheibe mit Bor dotiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration der
Akzeptoren in der Kernzone (3) wenigstens um einen Faktor 10 kleiner als die später einzubringende
Donatorkonzentration gewählt wird.
8. Verfahi en nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration
der Akzeptoren in der Kernzone (3) auf etwa 3 · 1012Cm-3 eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung der funktionsbestimmenden Strukturen (2) eine p-Dotierung durch Eindiffusion von Gallium
durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung der funktionsbestimmenden Strukturen in Teilbereichen (4, 5) der Halbleiterscheibe eine
η-Dotierung durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die η-Dotierung durch Eindiffusion
von Phosphor erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß vor der nachträglichen Dotierung der Halbleiterscheibe mit einem schnell
diffundierenden und schwach löslichen Dotierungsstoff ein Getterprozeß zur Erhöhung der Minoritäts-
trägerlebensdauer durchgeführt wird. .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben
in einer Quarzampulle dotiert werden.
J 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben unter einer Argonschutzgasfüllung dotiert werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendruck der
Ampulle bei der Diffusionstemperatur etwa der Höhe des Außendrucks gleichkommt
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 6
bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben bei einer Diffusionstemperatur von etwa
10000C dotiert werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 6
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben während einer Dauer von etwa 6 bis 30
Stunden dotiert werden.
Priority Applications (7)
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EF | Willingness to grant licences | ||
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