DE2253411A1 - Verfahren zum herstellen von aus halbleitermaterial bestehenden, direkt beheizbaren hohlkoerpern fuer diffusionszwecke - Google Patents

Verfahren zum herstellen von aus halbleitermaterial bestehenden, direkt beheizbaren hohlkoerpern fuer diffusionszwecke

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Description

Verfahren zum Herstellen von aus Halbleitermaterial bestehenden, direkt beheizbaren Hohlkörpern für Diffusions-
zwecite
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von aus Halbleitermaterial bestehenden, direkt beheizbaren Hohlkörpern für Diffusionszwecke, insbesondere von aus Silicium oder Siliciumcarbid bestehenden Rohren, durch Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf der Oberfläche eines erhitzten, insbesondere als Hohlkörper ausgebildeten Trägerkörpers und anschließendes Entfernen des Trägerkörpers.
Zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in Halbleiterkörpez* werden Quarzrohre oder Quarzampullen verwendet, welche in einem Rohrofen auf die Diffusionstemperatur erhitzt werden. Bei der Verwendung von Quarzrohren oder - ampullen ergibt sich - ebenso wie bei der Verwendung eines Graphitrohres für Diffusionsprozesse - das Problem, daß die Halbleiterkristailscheiben nicht mit dem Rohrmaterial in Berührung kommen dürfen. Außerdem haben Quarzrohre den Nachteil, daß die Diffusionstemperatur auf etv/a 1200 C beschränkt ist, denn bei dieser Temperatur wird Quarz bereits weich. Des weiteren erfordert die Verwendung von Quarzrohren für Diffusionszwecke .besondere Diffusionsofen, da Quarz weder durch eine direkte Heizung noch durch Induktion aufgeheizt werden kann.
.aus dem deutschen'Patent 1 805 970 ist bekannt, statt eines Quarz- oder Graphitrohres ein heizbares Rohr aus
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ORIGINAL INSPECTED
Halbleitermaterial für die Diffusion zu verwenden. Bei der Herstellung dieses Rohres wird das Abscheideverfahren verwendet, wobei Halbleitermaterial aus einer gasförmigen Halbleiterverbindung auf der Außenfläche eines Trägerkörpers, z. B. aus Graphit, niedergeschlagen und der Trägerkörper ohne Zerstörung der Halbleitermaterialschicht entfernt wird. Ein solches Rohr hat die Eigenschaft, daß es höhere Temperaturen verträgt als etwa ein Rohr aus Quarz oder Graphit, wodurch sich der Diffusionsvorgang beschleunigen läßt. Außerdem darf das zu dotierende Material mit der Rohrwandung in Berührung kommen, ohne daß sich nachteilige Polgen ergeben. Das aus Halbleitermaterial bestehende Rohr wird als Diffuionsofen in der Weise verwendet, daß-es an seinen beiden Enden mit Stopfen aus Halbleitermaterial verschlossen wird, in welche Gasdurchlässe eingebracht sind, durch die der gasförmige Dotierstoff mit einem Trägergas gemischt in das Innere des -t^ohres auf die dort befindlichen Halbleiterkristallscheiben geblasen wird. Das Halbleiterrohr ist mit einer Heizwicklung versehen, welche das Rohr durch Strahlungshitze auf die Dif fusionsteinperatur aufheizt. Die Wicklung kann jedoch auch mit Hochfrequenzenergie gespeist werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 933 128 ist eine Anordnung zum" Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial bekannt, bei dem als Diffuaionsbehälter ein Rohr aus kristallinen: gasdichtem Halbleitermaterial verwendet wird, welches durch Anlegen einer Spannung direkt oaer mittels Hoehfrequsnzenergie beheizt werden kann. Das als Hiezkörper dienende Rohr kann an seinen beiden Enden mit Elektroden versehen oder von einer Induktionsheisspule umgeben sein. Um bei Induktionsheizung ein Anheizen des Rohres zu erleichtern, wird auf dem Rohr ein Ring aus gut leitendem Material,
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ζ. B. aus Graphit, aufgebracht. ¥ird das Rohr durch Anlegen einer Spannung direkt !beheizt, so ist die Spannung zur Erreichung der für die DiJTfuion notwendigen Temperatur außer von den Abmessungen des Rohres von der Leitfähigkeit des Halbleiterinaterials abhängig. Es ist deshalb in der oben genannten Of'fenlegungsschrift vorgeschlagen worden, für das Diffusionsrohr relativ billig herzustellendes hochdotiertes Halbleitermaterial zu verwenden, damit die beim Einleiten des Anheizvorgangs benötigte Spannung relativ gering sein kann. Bei Erreichen einer bestimmten Aufheiztemperatur wird die Leitfähigkeit des Rohres dann von der Dotierung des Halbleiterraaterials unabhängig und ist im wesentlichen νου den Abmessungen des Rohres abhängig.
Durch die G-asphaseriabscheidung zur Herstellung eines Diffusionsrohres der eingangs erwähnten Art ist die Herstellung reinster und gasdichter Rohre aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium oder Siliciumcarbid, möglich geworden. Ein Aufheizen durch direkten Stromdurchgang ist bei diesen hochreinen Rohren nur bei entsprechender Yoriieizung möglich. Bei Verwendung von,dotiertem Halbleitermaterial kannwie bereits in der deutschen Offenlegungsschrift 1 933 erwähnt - d'ie Vorheizung eingespart und das Diffusionsrohr direkt aufgeheizt werden. Alle^rdings tritt dabei der nachteilige Effekt auf, daS eine unerwünschte Reaktion von Rohr dotierung und Halbleiterbaueler.entkörper in Kauf genommen werden muß. ..
Die vorliegende Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, einen in Bezug auf Halbleitermaterial hochreinen Diffusionsbehälter herzustellen, der aber trotzdem geeignet ist, direkt beheizt zu werden.
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Die Erfindung geht dabei von dem Verjähren zum Herstellen von aus Halbleitermaterial bestehenden Eohl- ; körpern durch Abscheiden von Halbleitermaterial aus . der Gasphase auf der Oberfläche eines erhitzten Träger-^ ; , körpers und anschließendes Entfernen des Trägerkörpers aus.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Trägerkörpers mindestens zwei Schichten aus Halbleitermaterial aufgebracht werden, von denen die nach Entfernung des Trägerkörpers beim fertigen Hohlkörper aus Halbleitermaterial äußerste Schicht mit einer Dotierung versehen ist, während die innerste Schicht aus hochreinem Halbleitermaterial besteht.
Dabei liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß auf der Mantelfläche des als Hohlkörper oder Stab ausgebildeten Trägerkörpers zuerst eine reine Halbleitermaterialschicht abgeschieden und darauf eine, mit einer Dotierung versehene Halbleitermaterialschicht aufgebracht wird oder daß auf der Innenseite des als Hohlkörper ausgebildeten Trägerkörpers zuerst eine mit einer Dotierung versehene Halbleitermaterialschicht abgeschieden und dann darauf eine reine Halbleitermaterialschicht aufgebracht wird. Nach Entfernen des Trägerkörpers, welcher vorzugsweise aus Graphit besteht und als Hohlkörper ausgebildet ist, erhält man immer einen Diffusionsbehälter, dessen Innenwarmung hochrein und zur Diffusion von Halbleiterbauelementen gut geeigent ist, der aber eine gut leitende Außenschicht zum Aufheizen durch direkten Stromdurchgang besitzt. Wichtig ist, dabei nur solche Dotierungen zu verwenden, die sehr langsam diffundieren und somit nicht in das Rohrinnere geLangen kennen. Es werden zweckmäßigerweise wegen der sehr leichten Handhabung
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als Dotierstoffe Mcht verdampfbare Verbindungen von drei- und fünfwertigen Elementen mit kleinem Diffusionskoeffizienten verwendet. Dafür haben sich die Trichloride von Bor,'Arsen und Phosphor als sehr gut geeignet erwiesen. ' .
Die Dotierungsstoffe, welche in flüssigem Zustand vorliegen, werden in bekannter Weise in den gasförmigen Zustand übergeführt und mit der gasförmigen Halbleiterverbindung gemischt auf dem Trägerkörper bzw. der hochreinen Halbleitermaterialschicht abgeschieden. Als Halbleitermaterialverbindung wird zweckmäßigerweise Silicochloroform (SiHCl,) verwendet.
Gemäß einem besonders gunsten Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird sowohl die Schichtstärke der reinen Halbleitermaterialschicht als auch die der dotierten Halbleitermaterialsäiicht auf mindestens 1 mm eingestellt, Es hat sich als günstig erwiesen, die Dotierung der Halbleitermaterialschicht so einzustellen, daß die dotierte Halbleitermaterialschicht einen spezifischen elektrischen V/iderstand von 10 m^Ohm.cm aufweist. . ".-".-
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, die Beheizung des Trägerkörpers bei der Abscheidung .über mit einer Spannungsquelle verbundene Silberelektroden vorzunehmen, welche über G-raphithalterungen mit dem Trägerkörper verbunden sind. Die Beheizung des Trägerkörpers ist aber auch über eine Graphitbrücke möglich. Die zuerst genannte Art. der Beheizung ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung langer rohrförmigen Hohlkörper, da die Apparatur nicht so aufwendig ist·
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Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schnittbild durch eine Anordnung zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels gemäß der Lehre der Erfindung, bei der ein als Hohlkörper ausgebildeter Graphitträgerkörper verwendet wird, auf dessen Mantelflächp ein Halbleiterrohr hergestellt wird. Pig. 2 zeigt im Schnittbild ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Lehre der Erfindung, bei dem die Anordnung so geschaltet ist, daß eine Innenbeschichtung von Halbleitermaterial im als Hohlkörper ausgebildeten Graphitrohr stattfindet.
Die Anordnung nach Figur 1 weist ein mit Flanschen 20 versehenes Quarzrohr 2 auf, welches an seiner Ober- und Unterseite mit Silberplatten 3 und 4 verschlossen ist. Die Silberplatten 3 und 4 sind mit Durchführungen 5 bis versehen, welche als Gaseinlaß- (5 und 6) und als Gasauslaßöffnungen (7 und 8) dienen. Außerdem sind Durchführungen 9 und 10 vorgesehen, durch welche die mit einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsquelle verbundenen Silberelektroden 11 und 12 in das Innere des Quarzrohres 2 geführt sind. Die Silberelektroden 11 und 12 sind mit Graphithalterungen 13 und 14 verbunden, in denen der für die Abscheidung vorgesehene Trägerkörper 15 eingespannt ist. Dieser Trägerkörper besteht aus einem Graphitrohr, v/elches im Verlauf des erfindungsgernäßen Verfahrens zunächst mit einer undo- . tierten hochiänen Siliciumschicht 16 beschichtet wird und anschließend durch Zugabe einer Dotierung zum Reaktionsgas in Form von Phosphortrichiorid mit einer dotierten Siliciuri3chicht 17 belegt wird. Wie durch die Pfeile 18 angedeutet, wird durch die Gaseinlaßöff-
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nungen 5 und 6. zunächst reines Silicochloroform mit Wasserstoff als Trägergas im Verhältnis 1:2 gemischt in den Reaktionsraum (,2) gebracht und an dem auf 1100 bis 1200° C heißen Graphitrohr 15 zersetzt. Nachdem eine genügend dicke Siliciumschicht 16 von großer Reinheit und Dichtigkeit abgeschieden ist, wird dann das mit der Dotierung versetzte Silicochloroform in den Reaktionsraum eingeleitet und eine hochdotierte Siliciumschicht 17 (10 mOhm.cm) abgeschieden. An den mit den Pfeilen 19 markierten Austrittsöffnungen verlassen die Restgase den Reaktionöraum.
Nach beendeter Abscheidung wird das aus zwei Schichten bestehende Siliciumrohr vom Trägerkörper abgezogen oder der Trägerkörper aus Graphit wird herausgebrannt oder -gelöst. ·
Die so hergestellten Siliciumrohre, welche auch aus Siliciumcarbid bestehen können, sind in hohem Maße gasundurchlässig und für Diffusionsprozesse im gesamten Halbleiterbereich bestens verwendbar, Sie zeichnen sich im Rohrinnern durch eine hohe Reinheit aus und vereinfachen durch die aufgebrachte hochdotierte ' Schicht an ihrer Außenfläche * den Aufwand bei Diffusions-' Prozessen erheblich, da sie direkt beheizbar sind.
Pur das Ausführungsbeispiel nach Figur 2, bei dem die· Halbleitermaterialabscheidung in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt wird, gilt hinsichtlich der Vorteile das .Gleiche wie für das Ausführungsbeispiel nach Figur.
In Figur 2 ist'ein Graphitrohr 21 mit beidseitigen Strbraansehlüssen 22 und 23 abgebildet, welches als Trägerkörper für die Innenabscheidung des Halbleitermaterials verwendet wird. Zu diesem Zweck ist das Graphitrohr 21 mit einer Reaktionsgaszuführung 24 und einer Abgasabführung
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versehen. Zum Schutz des glühenden Graphixträgerkörpers 21 während der Materialabscheidung wird es an seiner Mantelfläche durch ein umgebendes Quarzgefäß 26 mit Inertgasspülung (Pfeil 27) geschützt. In Verlauf des erfindungsgeiaäßen Verfahrens wird zunächst mit Phosphortrichlorid versetztes Silicochloroform mit Wasserstoff gemischt in das Rohrinnere geleitet und an der ungefähr 1100 C heißen Innenwand eine dotierte Siliciumschicht abgeschieden. Nach Erreichen einer Schichtstärke von ungefähr 1 mm wird das Silicochloroform-Wasserstoff-Gemisch ohne Dotierniteel zugeführt und eine hochreine Siliciumschicht 29 niedergeschlagen. Nach beendeter Abscheidung wird das aus den zwei Schichten 28 und 29 bestehende Siliciumrohr durch Ablösen oder Abtrennen des Graphitrohres 21 vom Trägerkörper gelöst.
2 Figuren
15 Patentansprüche
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Claims (14)

— Q _
1. Verfahren zum Herstellen von aus Halbleitermaterial bestehenden, direkt beheisbaren Hohlkörpern für Diffusionszwecke, insbesondere von aus Silicium oder Siliciumcarbid bestehenden Rohren, durch Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf eier Oberfläche eines erhitzten, insbesondere als Hohlkörper ausgebildeten Trägerkörpers und anschließendes Entfernen des Trägerkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Trägerkörpers mindestens zwei Schichten aus Halbleitermaterial aufgebracht werden, von denen die nach Entfernen des Trägerkörpers beim fertigen Hohlkörper aus Halbleitermaterial äußerste Schicht mit einer Dotierung versehen ist, während die innerste Schicht aus hochreinem Halbleitermaterial besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Mantelfläche des als Hohlkörper oder Stab ausgebildeten Trägerkörpers zuerst eine reine Halbleitermaterialschicht abgeschieden und darauf eine mit einer Dotierung versehene Halbleiteraaterialschicht aufgebracht wird.
3. Verfahren in Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des als Hohlkörper ausgebildeten Trägerkörpers zuerst eine mit einer Dotierung versehene Halbleitermaterialschicht abgeschieden und dann darauf, eine reine Halbleitermaterialschicht aufgebracht wird.
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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3f dadurch gekennzeichnet , daß ein Trägerkörper aus Graphit verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet , daß als Dotierungsstoffe leicht verdampfbare Verbindungen von drei- und fünfwertigen Elementen mit kleinem Diffusionskoeffiaienten verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5f dadurch gekennzeichnet , daß die Trichloride von Bor, Arsen oder Phosphor als Dotierstoffe verwendet- werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die öotierungsstoffe mit der gasförmigen Halbleiterverbindung gemischt abgeschieden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterverbindung Silicochloroform (SiKCl,) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die reine HaIbleiternaterialschicht auf eine Schichtstärke von mindestens 1 mm eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9t dadurch gekennzeichnet , daß die Dotierung der Halbleitermaterialschicht so eingestellt wird, daß die dotierte Halbleitermaterialschicht einen spezifischen elektrischen V/iderstand von ungefähr 10 raOhm.cm aufweist.
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11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch' gekennzeichnet , daß die Dicke der dotierten Halbleitermaterialschicht auf mindestens 1 mm eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Beheizung des Trägerkörpers bei der Abscheidung über mit einer Spannungsquelle verbundene Silberelektroden erfolgt, welche über Graphithalterungen mit dem Trägerkörper verbunden sind.
13. Direkt beheizbare Anordnung zum Eindiffundieren
von Dotierungsstoffen in Halbleiterkristallscheiben, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis
14. Hohlkörper aus Halbleitermaterial mit einem Überzug aus dotie'rtem Halbleitermaterial, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 12.
15· Siliciumrohr nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß auf seiner Innenseite eine hochreine Siliciumschicht von mindestens-1 mm Schichtdicke abgeschieden ist und sich auf seiner Mantelfläche eine dotierte Halbleitermaterialschicht befindet, welche einen spezifischen elektrischen Widersland von ungefähr 10 mOhm.cm -aufweist.
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Leerseite
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