DE2244992C - Verfahren zum Herstellen homogen dotierter Zonen in Halbleiterbauelementen - Google Patents

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 III. 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 Valenzelektronen, aufweist, werden Halbleiter vom n- oder p-Leitungstyp gebildet.

Diese sogenannten Störstellenhalbleiter enthalten im allgemeinen sowohl die p-Leitung hervorrufenden Akzeptoren als auch die n-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-Störstellenkonzentration, 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 Störstel-Ieη 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 erfüllet), 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. Hannay, Reinhold Publishing Corporation, New York, 1959, S. 123 bis 125; Fritz G. V i e w e g, Tecnologie Avanzate di Material) Semiconduttori. Cooperative 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 Zonenziehverfahren durchgeführt werden kann. Die Netto-Störstcllenkonzentration No-Na, die Differenz der Konzentration der Donatoren Nd und der Konzentration der Akzeptoren Na, beträgt dabei etwa 10¹³ bis 10¹⁴ Atome · cm-³. Man ist bestrebt, während dieser Herstellungsschritte eine möglichst homogene Verteilung der Störstellen zu erreichen oder wenigstens Teile der Kristalle, die diesem Ziel möglichst nahekommen, für die weitere Verarbeitung auszuwählen.

Nachteilig bleibt dennoch bei diesen Verfahren, daß einmal vorhandene Inhomogenitäten der Jtörstellen 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 ^₀ Halbleiter aus praktischen Gründen fast nur Silizium oder Germanium in Frage kommen, in einen Halbleiterkörper vom n-Leitungstyp umzuwandeln, werden üblicherweise in den meisten Kaiien 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 (Juli 1971), 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 Elemente der Vl. 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 1100⁰C etwa bei 10¹⁵ Atomen -cm"³ liegt, und es ist ebenso bekannt, daß der Diffusionskoeffizient des Schwefels mit 10-⁸cm²/see bei 1100⁰C einen verhältnismäßig hohen Wert aufweist und somit besonders die Werte der Diffusionskoeffizienten der sonst üblicherweise als Dotierungsstoffe verwendeten Elemente der III. und V. Gruppe des Periodensystems um mehrere Größenordnungen übertrifft.

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 &₅ 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 Zon^n, 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 Diffusionstemperaturen 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 7.. 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 i'nderen 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 Dotieningskonzentrationen 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 · 10¹² 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 Störsteiienmaieriai in eine schwach p-doirerU: 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 Diffusion von Donatoren, z. B. durch eine Phosphordiffusion, Teilbereiche 4 und 5 in den n-Leitungstyp umgewandelt. Falls es erforderlich sein sollte, kann zur Erhöhung der Minoritätsträgerlebensdauer auch noch ein Getterprozeß angeschlossen werden.

In die so vorbereitete Halbleiterscheibe wird darauf Schwefel eindiffundiert, wobei — wie Fig. 4 zeigt — eine Umdotierung der zunächst p-leitenden Zone 3 in eine η-leitende Zone 6 bewirkt und die Donatorenkonzentration in der Basiszone des Thyristors auf den vorgesehenen Wert eingestellt wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer der Minoritätstriiger durch eine Schwefeldiffusion nicht in •5 unerwünschter Weise erniedrigt wird.

Als zweckmäßig hat sich für die Durchführung der Schwefeldiffusion erwiesen, die Scheiben in eine Quarzampulle 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.

AJs Dotierstoffquelle befindet sich in der Ampulle ein Quarzschiffchen mit elementarem Schwefel, der einen Reinheitsgrad von etwa 99,999% aufweist. Die Menge des Schwefels v/ird so bemessen, daß sich bei der Diffusionstemperatur ein Schwefel-Partialdruck von etwa 10 Torr einstellt. Dieser Wert entspricht ungefähr 1,2 mg Schwefel iiuf 150 cm³ Ampulleninhalt.
Die Eindiffusion des Schwefels erfolgt dann bei der verhältnismäßig niedrigen Temperatur von etwa 1000°C in an sich bekannter Weise während einer Dauer von etwa 6 bis 30 Stunden. Die genauen Diffusionsbedingungen werden der Stärke der HaIbleiterscheiben und der angestrebten Donatorkonzentrat-ion angepaßt und dementsprechend ausgewählt. Bei einer Scheibendi~ke von etwa 540 μηι erreicht man nach einer Diffusions;:cit von 8 Stunden und einer Temperatur von 1000⁰C <;ine Konzentration von etwa 1.3 ■ 10^M Schwefelatome cm ^ an der Oberfläche und eine Konzentration \on etwa 3 · 10" Schwefelatome cm ^; im Innern der Basiszone. Bei den verhältnismäßig niedrigen Diffusionstemperaturcn während der Schwc feldotierung wird die Lage der äußeren Randzonen 2 und der Randbereiche 4 und 5 nicht mehr verschoben Die sehr geringe Schwefelkonzentration in der Randzo ne 2 und den Bereichen 4 und 5, die nach der Diffusior noch darin verbleibt, hat keinen feststellbaren Einflut auf die hohe Gallium- und Phosphordotierung um ändert daher die Eigenschaften dieser Gebiete nicht.

In entsprechender Weise wird eine p-leitend( Kernzone hoher Homogenität im Innern einer Halb leiterscheibe durch nachträgliche Eindiffusion voi schnell laufenden und schwach löslichen Akzeptorei erzeugt. Nur kann in diesem Fall die Umdotierung de zunächst vorhandenen Leitungstyps entfallen.

Vielmehr wird man zweckmäßigerweise wie in der

vorhergehenden Beispiel νοη schwach dotierter p-leitendem Halbleitermaterial ausgehen, das — etw bei einer Bordotierung — von vornherein bereits ein hohe Homogenität aufweist. Durc* nachträglich

Eindiffusion von beispielsweise Zink wird die vorhandt

ne p-Dotieruni; erhöht und auf einen solchen Wei eingestellt, wie er für die vorf esehene Verwendung de Bauelementes e rf orderlich ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

Patentansprüche:

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 darauf mit einem im Halbleitermaterial nur in geringer Menge löslichen und mit hoher Geschwindigkeit diffundierenden Dotierungsstoff dotiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennieichnet, daß zur Erzeugung einer Kernzone (6) vom n-Leitungstyp als mit hoher Geschwindigkeit diffundierender Dotierungsstoff ein Element der Vl. 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 Zinl: verwendet wird.

(). Verfahren nach einem der Ansprüche I 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration der Akzeptoren in der Kernzone (3) auf etwa 3 · 10^u cm-^J eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, d.iß 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 funklionsbestimmenden Striikturen 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.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben unter einer Argorischutzgasfüllung 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 1000° C 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.