DE2315894A1 - Verfahren zum durchfuehren von diffusionen mit zwei quellen - Google Patents

Verfahren zum durchfuehren von diffusionen mit zwei quellen

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Description

FPHN.6397. Va/EVH.
GÜNTHER M. DAVID
Pen- ·τγ--- :--.-
Anmelder: M. 1 PiiüFS' CLöulUüSFtN
Akte: PHN- 6397
Anmeldung vomi 28. Ι-Κτζ 1?7?
Verfahren zum Durchführen von Diffusionen mit zwei Quellen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Eindiffundieren eines Dotierungsstoffes in einen Halbleiterkörper, bei dem der Dotierungsstoff über die Dampfphase von einer Dotierungsquelle zu dem genannten Körper befördert wird und die genannte Quelle und der Körper in einem Raum erhitzt werden.
Zur Herstellung einer Vielzahl Typen von Halbleiteranordnungen werden Diffusionstechniken zur Bildung von Uebergängen oder zur Aenderung der elektrischen Eigenschaften eines Gebietes in einem Kristall verwendet. Durch Diffusion kann ein bestimmter Konzentrationsgradient eines Dotierungsstoffes zugleich mit einer bestimmten Oberflächenkonzentration erhalten werden. In gewissen Fällen, wie bei elektrolumines-
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zierenden Dioden, ist der Wirkungsgrad der Anordnung von der Tiefe des pn-UebergangSg dem Konzentrationsgradienten und der Oberflächenkonzentration an Dotierungsstoffen abhängig, die oft nicht gleichseitig optimal bei den üblichen Diffuaionstechniken erhalten werden können,,
Es müssen dann verwickeitere Techniken angewendet werden, bei denen die Diffusion in verschiedenen Phasen durchgeführt wird.
Falls die Diffusion verschiedene Phasen umfasst, wurde vorgeschlagen, dem Halbleiterkörper, in dem die Diffusion durchgeführt wird, zeitweilig keine Dotierungsstoffe zuzuführen und während dieser Zeit den Halbleiterkörper zu erhitzen, wobei sich der Konzentrationsgradient ändert. Die Notwendigkeit der Unterbrechung der Zuführung von Dotierungsstoffen hängt mit der Tatsache zusammen, dass die verschiedenen Diffusionsphasen während einer einzigen Bearbeitung durchgeführt werden müssen, um die Nachteile der Wiederholung von elementaren Bearbeitungen, wie der· Refo.i.gung des Raumes, der Erhitzung auf die gewünschte Temperatur, der Abkühlung, dem Wiederfüllen mit Luft, der Aetzung, usw., zu vermeiden.
Ein Verfahren dieser Art ist in der britischen Patentschrift 1.086.660 beschrieben, in der ausser der Quelle des Dotierungsstoffes in elementarer Form eine zweite Quelle verwendet wird, die aus einem Mittel zur chemischen Beförderung des Dotierungsstoffes von der ersten Quelle zu dem Halbleiterkörper besteht. Die zweite Quelle befindet sich in einer Zone mit veränderlicher Temperatur, Wenn die Temperatur der zweiten Quelle niedrig ist, hemmt die Kondensation die
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Gasdiffusion des Dotierungsstoffes, und wenn die Temperatur der zweiten Quelle hoch ist, wird durch Verdampfen des
Beförderungsmittels die Diffusion wieder in Gang gesetzt.
Das genannte Verfahren weist die folgenden Nachteile auf:
a) dass der Vorgang verhältnismSssig viel Zeit in Anspruch nimmt, indem der ganze Diffusionsvorgang aus mindestens drei Phasen besteht;
b) dass die Wahl des Beförderungsmittels beschränkt ist,
weil erstens keine unerwünschten Reaktionen mit dem
Halbleiterkörper auftreten sollen und zweitens die DruckabhSngigkeit der Temperatur des Beförderungsmittels gross sein muss, und
c) dass vorgeschlagene mechanische Trennmittel zwischen einer BefSrderungsmittelquelle und einer Dotierungsquelle bei hohen Temperaturen häufig Störungen veranlassen.
Das in der genannten britischen Patentschrift vorgeschlagene Verfahren, bei dem als Beförderungsmittel SiO verwendet wird, kann ausserdem nicht für die· Diffusion in Körper Anwendung finden, die aus Elementen der Spalten III und V des Periodischen Systems von Elementen bestehen, weil dann die
Gefahr unerwünschter Verunreinigungen des Halbleiterkörpers mit Silicium vorliegt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt insbesondere, den obengenannten Nachteilen entgegenzukommen und es zu ermöglichen, in einem Halbleiterkörper ein gewünschtes Profil des
Dotierungsstoffes durch eine einzige Diffusionsbearbeitung
zu erhalten, die ein Mindestmass an Mitteln erfordert und
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bei der die Gefahr unerwünschter Verunreinigungen minimal ist.
Die Erfindung bezweckt. weiter, die Möglichkeit zu schaffen, ein Konzentrationsprofil eines Dotierungsstoffes mit mindestens zwei merklich verschiedenen Gradiententeilen zu erhalten, von denen ein Teil einer Oberflächenschicht mit hoher Konzentration und steilem Gradienten entspricht und ein anderer Teil einer tiefen Schicht mit niedriger Konzentration und kleinem Gradienten entspricht.
Nach der Erfindung ist das Verfahren zum Eindiffundieren eines Dotierungsstoffes in einen Halbleiterkörper, bei dem der Dotierungsstoff über die Dampfphase von einer Dotierungsquelle zu dem genannten Körper befördert wird und die genannte Quelle und der Körper in einem Raum erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Hatasa drei Gebiete umfasst, und zwar ein mittleres Gebiet9 in dem der genannte Körper angeordnet ist, imd zwei Endgebiete, die zn den beiden Seiten des genannten mittleren Gebietes liegen und die für die mindestens zwei Quellen desselben Dotierixagsstoffes, aber mit verschiedener Zusammensetzung9 bestimmt SiSd9 und dass der genannte Raum in einer ersten Phase derart angeordnet wird, dass, der genannte Körper1 und eine einsige Dotierungsquelle in einer Zone hoher Temperatur liegen,- wonach der Raum in bezug auf Erhitsnngsaiitt©! verschoben wird und anschliessend in einer zweiten Phase d©r genannte Körper und lediglich eine zweite Dotierungsquelle in der genannten Zone hoher Temperatur gehalten werden.
Die Diffusion wird also in einer einsigen Bearbeitung durchgeführt, die zwei Phasen umfasst. Während jeder dieser
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Phasen liegt die nicht verwendete Quelle ausserhalb der Zone hoher Temperatur und übt durchaus keinen Einfluss aus. Es ist durchaus keine chemische Reaktion zur Bildung der Dotierungsquellen erforderlich« Die Temperatur ausserhalb der heissen Zone, in der die Diffusion durchgeführt wird, ist nicht entscheidend. Die Erhitzungsmittel sind nur zur Definition einer Zone hoher Temperatur angebracht, die zwei angrenzende Zonen des genannten Raumes umfassen kann*
Vorzugsweise werden die Temperaturen der Zone wShrend der Bearbeitung konstant gehalten; das gewünschte Konzentrationsprofil wird durch passende Wahl der Zusammensetzung jeder der Dotierungsquellen und der Diffusionsdauer erhalten, wobei eine bestimmte konstante Temperatur berücksichtigt wird. Die mit vielfachen.Temperaturänderungen einhergehenden Risiken und Zeitverluste werden vermieden.
Vorzugsweise weisen die beiden in der erhitzten Zone liegenden Gebiete dieselbe Temperatur· auf. Diese Bedingung vereinfacht die Regel— und Gleichgewichtsprobleme und verbessert die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Bearbeitung.
Wenn es sich als notwendig erweist, für die beiden Quellen verschiedene Temperaturen zu wählen, um die gewünschten Partialdrücke zu erhalten, oder wenn es sich als notwendig erweist, für den Halbleiterkörper verschiedene Temperaturen während der beiden Phasen der Bearbeitung zu wählen, um die gewünschten Diffusionskoeffizienten zu erhalten, ist es möglich, der Erhitzungszone ein entsprechendes Temperaturprofil zu erteilen. Vorzugsweise wird dieses Profil in der Zeitspanne zwischen den beiden Phasen nicht geändert.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise in einem Raum vom halboffenen Typ angewandte Der Raum, in dem der Halbleiterkörper und di© Dotierungsquellen angeordnet sind, steht über einen Durchgang beschränkten Querschnittes und beschränkter Länge, der einen Gasaustausch ermöglicht, mit einer konstant erfrischten Atmosphäre eines Schutzgases in Verbindung« Es ist bekannt, dass dieser Rauratyp es ermöglicht, beschränkte Partialdrucke in einer Schutzgasatmosphäre zu erhalte"", wobei Gasströme, die die Oberfläche des HalbleiterktJrpers angreifen können, vermieden werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Diffusion in einem Raum durchgeführt, der von einem Schutzgasstrom mit einer geringen Geschwindigkeit durchlaufen wird. Zu diesem Zweck wird der Raum an jedem seiner Enden mit einem engen Durchgang versehen, der mit einer Schutzgasatmosphäre in Verbindung steht. Der Gasdurchfluss durch den Raum ist gering, damit die Gefahr einer Erosion der Oberfläche-des Halbleiterkörpers und Wirbelströme vermieden werden. In der Zeitspanne zwischen den beiden Bearbeitungsphasen wird die Richtung des Weges des Schutzgases durch den Raum umgekehrt, wobei diese Richtung jeweils von der Quelle zu dem Halbleiterkörper verläuft.
Die Erfindung lässt sich auch in einem Raum anwenden, der durch übliche Verfahren, z.B. durch Abschmelzen im Falle eines Quarzglasraumes, verschlossen wird.
Bei einer Ausführungsform, bei der zugleich eine hohe Oberflächenkonzentration und eine grosse Tiefe des pn-Uebergangs
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mit sehr kleinem Gradienten erhalten werden können, verwendet man eine erste Quelle, die aus einer Verbindung oder einer Lösung des Dotierungsstoffes besteht, sowie eine zweite Quelle, die aus dem reinen Element oder einer anderen Verbindung oder einer anderen Lösung besteht, wobei nach dem Raoultschen Gesetz ein Partialdampfdruck des Dotierungsstoffes eingestellt wird. Nach diesem Gesetz ist es nämlich bekannt, dass der Dampfdruck eines gelösten Stoffes oberhalb der Lösung dem Atomgehalt dieses Stoffes in dem Lösungsmittel gerade proportional ist.
Eine Zinkdiffusion in Galliumarsenid kann z.B. einfach durchgeführt werden, wenn von einer Quelle ausgegangen wird, die aus reinem Zink besteht, aber es kann auch von einer Zink—Galliumverbindung oder einer Zink-Arsenverbindung ZnAsausgegangen werden. Wenn eine Zink-Galliumverbindung als erste Quelle und eine Zink-Arsenverbindung als zweite Quelle verwendet wird, ergibt eine erste Diffusionsphase eine tiefe diffundierte Zone mit geringer Oberflächenkonzentration und kleinem Gradienten und ergibt die zweite erheblich kürzer dauernde Diffusionsphase eine Oberflächenzone mit hoher Konzentration, wobei die Dampfspannung des Zinks aus ZnAs2 viel hSher als die Dampfspannung von Zink aus ZnGa ist,
Nach einer besonderen Abwandlung dieser Ausführungsform besteht die während der zweiten Phase einer Diffusionsbearbeitung verwendete Quelle aus einem Kondensat von DSmpfen des Dotierungsstoffes, das während der ersten Phase gebildet wird.
Während der ersten Phase diffundiert ein Teil der
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Dämpfe des Dotierungsstoffes, der von der ersten Quelle herrührt, in den Halbleiterkörper hinein, der auf die gewünschte Temperatur gebracht ist. Ein anderer Teil dieser Dämpfe erreicht ein ausserhalb der"erhitzten Zone liegendes Gebiet des Raumes und kondensiert. Wenn der Raum verschoben wird, wird das Kondensat auf hohe Temperatur gebracht und bei der zweiten Phase der Diffusion als zweite Dotierungsquelle verwendet.
Im obenstehenden Beispiel wird die Zinkdiffusion in Galliumarsenid mit Hilfe einer ersten aus einer Zink-Galliumverbindung bestehenden Quelle und einer zweiten aus während der ersten Phase kondensiertem Zink bestehenden Quelle durchgeführt.
Die Erfindung kann zur Diffusion verschiedener Dotierungsstoffe in Körpern verwendet werden, die aus verschiedenen für die Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendeten Materialien bestehen« Die Erfindung lässt sich insbesondere zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in die zusammengesetzten Körper verwenden, die Elemente aus den Spalten III und V des Periodischen Systems von Elementen enthalten, insbesondere die Gallium~Arsenid-Phosphidverbindungen und die Gallium-AluminiuEi-Ai'senld'vex'biHä'uiigeja 9 wobei der in diese Verbindungen eindifTiindierte Dotieyutigsstoff meistens Zink ist.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es seigenj
Fig, 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung,
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wobei der Teil la der Figur die verwendete Vorrichtung während der ersten Phase der Diffusion, der Teil 1b diese Vorrichtung während der zweiten Phase der Diffusion und der Teil 1c diese Vorrichtung nach der Diffusion darstelltf. und
Fig. 2 ein Diagramm eines erhaltenen Konzentrationsprofils.
Die beispielsweise dargestellte Vorrichtung ist eine Vorrichtung vom halboffenen Typ. Sie besteht im wesentlichen aus einem Diffusionsreaktor, der durch ein Rohr 1 gebildet wird, das an beiden Enden nicht-hermetisch mit Hilfe der Stöpsel 2 und 3 verschlossen ist. Diese Stöpsel weisen einen Durchmesser auf, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 1 ist, so dass an den beiden Enden des Rohres ein enger Durchgang verbleibt, der einen Gasaustausch zwischen der Innenatmosphäre des Reaktors und der diesen Reaktor umgebenden Atmosphäre gestattet. Die Atmosphäre, die den Reaktor umgibt, besteht aus einem Schutzgas. Zu diesem Zweck ist der Reaktor z.B. innerhalb eines (nicht dargestellten) Rohres angebracht, durch das ein bestimmtes Gas hoher Reinheit, z.B. Stickstoff oder Wasserstoff, umläuft.
Der Reaktor wird mit Hilfe eines Erhitzungselementes k erhitzt, in bezug auf das er in der Längsrichtung verschoben werden kann." Das Erhitzungselement 4 dient dazu, längs seiner Achse ein Temperaturprofil zu sichern, und enthält eine Zone mit hoher Temperatur T1 zwischen zwei Zonen mit niedriger Temperatur T2t wie in Fig. 1 dargestellt ist.
In dem Reaktor werden ein Träger 7 mit Scheiben 6, in die eine Diffusion stattfinden kann, und eine Dotierungsquelle
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angeordnet. Diese Quell© besteht aus einer Verbindung,, die bei hoher Temperatur einen verhältnismässig geringen Dampfdruck des Dotierungsstoffes lieferte
In einer ersten Phase einer Diffusionsbearbeitung wird der Reaktor 1 derart in bezug auf die Zone hoher Temperatur verschoben, dass sich die Quell© 5 und die Scheiben 6 in dieser Zone befinden und dass sich das andere Ende des Reaktors in einer Zone niedrigerer Temperatur befindet. Ein Strom neutralen Gases, ή^τ die den Reaktor umgebende Atmosphäre bildet, wird in Richtung des Pfeiles 12 geschickt. Die Dämpfe des Dotierungsstoffes, die von der Quelle 5 herrühren, diffundieren in die Scheiben 6, während ein Teil dieser Dämpfe, der von dem geringen Gasstrom mitgeführt wird, der sich zwischen dem Leck des Stöpsels 2 und dem Leck des Stöpsels 3 einstellt, an einer Stelle 11 auf der Wand des Reaktors kondensieren wird. Es wird in den Seheiben 6 ein Diffusionsprofil erhalten, das durch die Kurve 21 in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Konzentration C über der Tiefe χ aufgetragen ist.
In einer zweiten Phase der Diffusionsbearbeitung wird der Reaktor 1 in bezug auf die Zone hoher Temperatur derart verschoben, dass sich die Quelle 5 ausserhalb dieser Zone befindet und dass sich die Scheiben 6 und das Kondensat bei 11 in dieser Zone befinden. Das Kondensat besteht aus dem reinen Dotierungsstoff, dessen Verdampfung einen Dampfdruck dieses Elements herbeiführt, der erheblich höher als der Dampfdruck ist, der durch Verdampfung der Quelle 5 in der ersten Phase der Diffusionsbearbeitung herbeigeführt wurde.
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Der Strom neutralen Gases wird während dieser Phase der Bearbeitung in Richtung des Pfeiles 10 geschickt. Der Dampf des Dotierungsstoffes, der von dem Kondensat bei 11 herrührt, diffundiert in die Scheibe 6 ein» In diesen Scheiben wird ein Diffusionsprofil erhalten, wie es durch die Kurve 22 in Fig. dargestellt ist.
Nach einer Diffusionszeit, die kürzer als die Duffusions· zeit in der ersten Phase ist, wird der Reaktor wieder derart verschoben, dass die Scheiben und die Quellen ausserhalb der Zone hoher Temperatur zu liegen kommen, wobei die Richtung des neutralen Gases umgekehrt und das Gas in Richtung des Pfeiles 13 geschickt wird.
Die zweite Quelle, die aus Kondensat besteht, kann in dem obenbeschriebenen Verfahren durch eine Quelle einer Verbindung ersetzt werden, deren Eigenschaften von denen der die erste Quelle bildenden Verbindung verschieden sind. Auch können in der Zone hoher Temperatur zwei Zonenteile mit verschiedenen Temperaturen betrachtet werden: z.B.: ein Zonenteil A, in dem nacheinander die Scheiben und die zweite Quelle angeordnet werden, und einen Zonenteil B, in dem nacheinander die erste Quelle und die Scheiben angeordnet werden. Weitere Möglichkeiten werden erhalten, wenn die Temperatur der heissen Zone oder des einen oder des anderen Teiles der heissen Zone in der Zeitspanne zwischen der ersten und der zweiten Phase der Bearbeitung geändert wird.
Nun wird ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens in einer Vorrichtung der obenbeschriebenen Art beschrieben.
Scheiben aus mit Tellur dotiertem Galliumarsenid werden
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in einem halboffenen Reaktor angeordnet. In diesem Reaktor wird eine erste Zinkquelle angebracht, die aus einer kleinen Masse einer Zink-Gallium-Legierung mit 10$ Zink besteht. Die Temperatur der Erhitzungszone wird auf 8300C gesetzt, während die kalten Zonen eine Temperatur von etwa 2000G aufweisen. Ein Stickstoffstrom wird zu dem Reaktor geschickt. Eine erste Diffusionsphase von 50 Minuten ergibt eine Uebergangstiefe von 6/um, aber eine Oberflachenkonzentration von 5 . 10 bis 10 Zinkatomen/cm. Eine zweite Diffusionsphase wird mit Hilfe von Zinkkondensat durchgeführt,.das während der ersten Phase gebildet wird» Diese zweite Phase dauert 1 bis 5 Minuten und ergibt eine Oberflächenschicht mit einer Dicke von 1 /tun mit einer Oberflächenkonzentration in der
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GrSssenordnuag von 10 Atomen/cm und weist dadurch einen Widerstand auf, der zaB» für das Anbringen von Kontaktelektroden günstig ist®
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Claims (3)

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1. Verfahren zum Eindiffundieren eines Dotierungsstoffes in einen Halbleiterkörper, bei dem der Dotierungsstoff über die Dampfphase von einer Dotierurigsquelle zu dem genannten Körper befördert wird und die genannte Quelle und der Körper in einem Raum erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Raum drei Gebiete umfasst, und zwar ein mittleres Gebiet, in dem der genannte Körper angeordnet ist, und zwei Endgebiete, die zu beiden Seiten des genannten mittleren Gebietes liegen und die für die mindestens zwei Quellen desselben Dotierungsstoffes, aber mit verschiedener Zusammensetzung, bestimmt sind, und dass der genannte Raum in einer ersten Phase derart angeordnet wird, dass der genannte Körper und eine einzige Dotierungsquelle in einer Zone hoher Temperatur liegen, wonach der Raum in bezug auf Erhitzungsraittel verschoben wird und anschliessend, in einer zweiten Phase, der genannte Körper und lediglich eine zweite Dotierungsquelle in der genannten Zone hoher Temperatur gehalten werden.
2. Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen der genannten Zone hoher Temperatur während der Diffusionsbearbeitung konstant gehalten werden.
3. Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gebiete des genannten Raumes, die in der Zone hoher Temperatur liegen, dieselbe Temperatur aufweisen.
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4» Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die während der zweiten Phase verwendet© Quelle aus einem Kondensat von Dämpfen des Dotierungsstoffes besteht, das während der ersten Phase gebildet wird,,
5· Verfahren zum Durchführen von Diffusionen, nach einem der Ansprüche 1 bis kt dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Quelle aus einer Verbindung eines Dotieningsstoffes besteht, -
6» Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusion in einem Raum vom halboffenen Typ durchgeführt wird, wobei ein Gasaustausch zwischen dem Raum und einer konstant erfrischten Atmosphäre eines Schutzgases über einen Durchgang erfolgt, dessen Querschnitt kleiner als seine Länge ist. 7· Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Diffsuion in einem ersten Raum durchgeführt wird, der von. einem Schutzgasstrom mit geringer Geschwindigkeit durchlaufen wird, wobei die Richtung des Gases durch den Raum in der Zeitspanne zwischen den beiden Bearbeitungsphasen umgekehrt wird, so dass diese Richtung jeweils von der Quelle zn dem Körper verläuft.
.8. Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusion in einem Raum durchgeführt wird, der durch Schmelzen verschlossen wird«
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7315894
9· Verfahren zum Durchführen von Diffusionen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Quelle aus einer Galliumzinkverbindung und die zweite Quelle aus einer Zinkarsenverbindung besteht.
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