DE2315894C3

DE2315894C3 - Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierstoff in einen Halbleiterkörper

Info

Publication number: DE2315894C3
Application number: DE2315894A
Authority: DE
Inventors: Daniel Herouville-St.-Clair Diguet (Frankreich)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-04-05
Filing date: 1973-03-30
Publication date: 1980-10-02
Also published as: IT980738B; FR2178751A1; DE2315894A1; DE2315894B2; JPS4917675A; JPS525226B2; CA984976A; GB1372162A; US3852129A; FR2178751B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierstoff in einen Halbleiterkörper, wobei zwei, an den Enden eines Reaktionsraumes angeordnete Dotierstoffquellen von verschiedener Zusammensetzungauf zwei verschiedene Temperaturen gehalten werden und der Dotierstoff über die Dampfphase zum Halbleiterkörper befördert wird.

Zur Herstellung einer Vielzahl Typen von Halblciteranordnungen werden Diffusionstechniken /ur Bildung von PN-Übergängen oder zur Änderung 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 elektrolumineszierenden Dioden, ist der Wirkungsgrad der Anordnung von der Tiefe des PN-Übergangs, dem Konzentrationsgradienten und der Oberflächenkonzentration an Dotierungsstoffen abhängig, die oft nicht gleichzeitig optimal bei den üblichen Diffusionstechniken erhalten werden können.

Es müssen dann verwickeitere Techniken angewendet Werden, bei derieii die Diffusion in verschiedenen Phasen durchgeführt wird.

Falls die Diffusion verschiedene Phasen umfaßt, würde vorgeschlagen, deni Halbleiterkörper, in dem die Diffusion durchgeführt Wird, zeitweilig keine Dolierungsstoffe zuzuführen Und während dieser Zeit den Halbleiterkörper zu erhitzen, Wobei sich der Konzentrationsgrndient ändert. Die Notwendigkeit der Unterbrechung der Zuführung von Dotierungsstoffen hängt mit der Tatsache zusammen, daß die verschiedenen Diffusionsphasen während einer einzigen Be- ! arbeitung durchgeführt werden müssen, um die Nachteile der Wiederholung von elementaren Bearbeitungen, wie der Reinigung des Raumes, der Erhitzung auf die gew ünschte Temperatur, der Abkühlung, dem Wiederfüllen mit Luft; der Ätzung usw., zu vermei-

1.1 den.

Ein Verfahren dieser Art ist in der GB-PS 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 Be- -, förderung 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 Gasdiffusion des

.'ο 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 Nach-

.'·> teile auf:

a) daß der Vorgang verhältnismäßig viel Zeit in Anspruch nimn.t, indem der ganze Diffusionsvorgang aus mindestens drei Phasen besteht;

b) daß die Wahl des Beförderungsmittels bein schränkt ist, weil erstens keine unerwünschten

Reaktionen mit dem Halbleiterkörper auftreten sollen und zweitens die Druckabhängigkeit der Temperatur des Beförderungsmittels groß sein muß. und

i> c) das vorgeschlagene mechanische Trennmittel zwischen einer Beförderungsmittelquelle und einer Dotierungsquelle bei hohen Temperaturen häufig Störungen veranlassen.
Das in der genannten britischen Patentschrift vor-JIi geschlagene Verfahren, bei dem als Beförderungsmittel SiC) verwendet wird, kann außeidem nicht für die Diffusion in Korper Anwendung finden, die aus Elementen der (iruppen III und V des Periodischen Systems der Elemente bestehen, weil dann die Gefahr r> unerwünschter Vi" unreinigungen des Halbleiterkorpers mit Silicium vorliegt.

Aus der US-PS 3362X58 ist ein Dotierungsverfahren für Halbleiterscheiben bekannt, das zwei Dotierungsstoffquellen mit unterschiedlichen Dotierstoffen -,(i im Reaktionsrohr verwendet. Die beiden Dotierstoffquellen werden auf Temperaturen unterschiedlicher Höhe crhit/t. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist. daß sich mit mehrfachen Temperaturänderungen gewisse Risiken und Zeitverluste einstellen.
-,-, Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, den obengenannten Nachteilen entgegenzutreten und es zu ermöglichen, in einem Halbleiterkörper ein gewünschtes Profil des Doticrungsstoffes durch eine einzige Diffusionsbearbeitung zu erhalten. «ι die ein Mindestmaß an Mitteln erfordert und bei der die Gefahr Unerwünschter Verunreinigungen minimal ist.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit zu schaffen, ein Konzentrate tionsprofil des Dotierüngsstoffes mit mindestens zwei merklich verschiedenen Gradienten zu erhalten, von denen ein Teil einer Überflächenschicht mit hoher Konzentration und steilem Gradienten entspricht und

ein anderer Teil einer tiefen Schicht mit niedriger Konzentration und kleinem Gradienten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dotierstoffquellen denselben Dotierstoff enthalten und verschiedene Dampfdrücke > aufweisen, und daß zunächst die Quelle mit dem niedrigeren und anschließend tue Quelle mit dem höheren Dotierstoffdampfdruck gemeinsam mit dem Halbleiterkörper auf di.r höheren Temperatur gehalten wird.

Die Diffusion wird also in einer einzigen Bearbei- m tung durchgeführt, die zwei Phasen umfaßt. Während jeder dieser 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 Dotierungsquel- ι > Ien 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 Zonen während der Bearbeitung konstant gehalten; das gewünschte Konzentrationsprofil wird durch passende Wahl der Zusammensetzung jeder der Dotierungs- :> quellen 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 in 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 r, Quellen verschiedene Temperaturen zu wählen, um die gewünschten Partialdrücke zu erhalten, oder wenn es sich als notwendig erweist, für den Halbleiterkörper verschiedene Temperaturen wahrend 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. 4i

Das Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise in einem Raum vom halboffenen Typ angewandt. Der Raum, in dem der Halbleiterkörper und die Dotierungsquellen angeordnet sind, steht über einen Durchgang beschränKten Querschnittes und be- -,» schränkter Länge, der einen Gasaustausch ermöglicht, mit einer konstanten aufgefrischten Atmosphäre eines Schutzgases in Verbindung. Es ist bekannt, daß dieser Raumtyp es ermöglicht, beschränkte Partialdrücke in einer Schutzgasatmosphäre zu erhalten, wobei Gas- γ-, ströme, die die Oberfläche des Halbleiterkörpers angreifen können, vermieden werden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Diffusion in einem Raum durchgeführt, der von einem Schutzgasstrom mit einer {,0 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 Ge- &3 fahr einet Erosion der Oberfläche des Halbleiterkörpefs ürtd Wirbelstföme vermieden weiden. Ifi der Zeitspanne zwischen den beiden Bearbeitungsphasen wird die Richtung des Weges des Schutzgases durch den Raum umgekehrt, wobei diese Richtung jeweifs 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-Ubergangs 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 der Konzentration dieses St- ies in dem Lösungsmittel geiade proportional ist.

Eine Zinkdiffusion im Galliumarsenid kann z. B. einfach durchgeführt werden, wenn von einer Ouelle ausgegangen wird, die aus reinem Zink besteht, aber es kann ".uch von einer Zink-Galliumverbindung oder einer Zink-Arsenverbindung ZnAS₁ ausgegangen werden. Wenn eine Zink-Galliumverbindung als eiste Quelle und eine Zink-Arsenverbindung als zweite Quelle verwendet wird, ergibt eine er.te Diffusionsphase eine tiefe diffundierte Zone mit geringer Oberflächenkonzentration und kleinem Gradienten, und es ergibt die zweite erheblich kürzer dauernde Diffusionsphase eine Oberflächenzone mit hoher Konzentration, wobei die Dampfspannung des Zinks aus ZnAS, viel höher 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 Dämpfen des Dotierungsstoffes. Jas während der ersten Phase gebildet wird.

Während der ersten Phase diffundiert ein Teil der Dämpfe des Dotierungsstoffes, der von der ersten Quelle herrührt, in den Halbleiterkörper hinein, der auf die gewünschte Temperatur gebracht ist. Em anderer Teil dieser Dämpfe erreicht eine 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 Ga"lumarsenid mit Hilfe einer ersten aus einer Zink-Galliumverbindung bestehenden Quelle und einer /weiten aus wäh^rJnd der ersten Phase kondensiertem Zink bestehenden Queile durchgeführt.

Die Erfindung kann zur Diffusion verschiedener Dotierungsstcffe in Körpern verwendet werden, die aus verschiedenen ■ür die Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendeten Materialien bestehen. Die Erfindung läßt sich insbesondere zum Ijindiffundieren von Dotierungsstoffen in die zusammengesetzten Körper verwenden, die Elemente aus den Gruppen III und V des Periodischen Systems der EIemente enthalten, insbesondere die Gallium^Arsenid-Phosphidverbindungen und die Gallium-Aluml·· nium-Afsertidverbindungen, wobei der in diese Verbindungen eindiffundierte Dotierungsstoff mei-

stens Zink ist.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert* Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, wobei der Teil la der Figur die verwendete Vorrichtung während der ersten Phase der Diffusion, der Teil 1 b diese Vorrichtung während der zweiten Phase der Diffusion und der Teil Ic diese Vorrichtung nach der Diffusion darstellt, und

Fig. 2 ein Diagramm eines erhaltenen Konzentrationsprofils.

Die beispielsweise dargestellte Vorrichtung ist eine Vorrichtung vom halboffenen Typ. Sie besteht im wesentlichen aus einem Diffusionsgefäß, das 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 suf 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 Reaktionsraumes und der dieses Gefäß umgebenden Atmosphäre gestattet. Die Atmosphäre, die den Reaktionsraum umgibt, besteht aus einem Schutzgas. Zu diesem Zweck ist das Rohr (1) z. B. innerhalb eines (nicht dargestellten) Rohres angebracht, durch das ein bestimmtes Gas hoher Reinheit, z. B. Stickstoff oder Wasserstoff, umläuft.

Der Reaktionsraum wird mit Hilfe eines Heizelementes 4 erhitzt, in bezug auf das es in der Längsrichtung verschoben werden kann. Das Heizelement 4 dient dazu, längs seiner Achse ein Temperaturprofil zu sichern, und enthält eine Zone mit hoher Temperatur T_x zwischen zwei Zonen mit niedriger Temperatur T₂, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

In dem Rohr 1 werden ein Träger 7 mit Scheiben 6, in die eine Diffusion stattfinden soll, und eine Dotierstoffquelle S angeordnet. Diese Quelle besteht aus einer Verbindung, die bei hoher Temperatur einen verhältnismäßig geringen Dampfdruck des Dotierungsstoffes liefert.

In einer ersten Phase einer Diffusionsbearbeitung wird das Rohr 1 derart in bezug auf die Zone hoher Temperatur verschoben, daß sich die Quelle 5 und die ,Scheiben 6 in dieser Zone befinden und daß sich das andere Ende des Rohrs in einer Zone niedrigerer Temperatur befindet. Ein Inert-Strom, der die das Rohr 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 Scheiben 6 ein Diffusionsprofil erhalten, das durch die Kurve 21 in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Konzentration C über die Tiefe χ aufgetragen ist.

In einer zweiten Phase der Diffusionsbearbeitung wird das Rohr 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 Ü in dieser Zone befinden. > Das Kondensat besteht aus den! feinen Dötierüngsstoff, 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 herbei-

Ki geführt würde. Der Ineftgas^Strom wird während dic^ scr 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. 2 dargestellt ist.

Nach einer Diffusionszeit, die kurzer als die Diffu-

oi^tne-mit *» An~ n~*t-_n— Π1.π^α let ...I I A ~ ~ Π ., 1 ._.:_ -J _ „

aiiJii.,r.vii in viw uati.il I iictai. ist, miuuaa IVWIII WICUCI derart verschoben, daß die Scheiben und die Quellen außerhalb der Zone hoher Temperatur zu liegen kommt, wobei die Richtung des Inert-Gases umgekehrt und das Gas in Richtung des Pfeiles 13 geschickt wird.

Die zweite Quelle, die aus Kondensat besteht, kann in dem oben beschriebenen Verfahren durch eine Quelle einer Verbindung ersetzt werden, deren Dotierstoff-Danr !fdruck von der die erste Quelle bildenden Verbindung verschieden ist. Auch können in der Zone hoher Temperatur zwei Zonenteile mit verschiedenen Temperaturen in Betracht gezogen werden: z. B. ein Zonenleil 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

J5 Varianten 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 oben beschriebenen Art beschrieben.

Scheiben aus mit Tellur dotiertem Galliumarsenid werden in einem halboffenen Rohr angeordnet. In diesem Rohr wird eine erste Zinkquelle angebracht,

die aus einer kleinen Menge einer Zink-Gallium-Legierung mit 10% Zink besteht. Die Temperatur der Erhitzungszone wird auf 830° C eingestellt, während die kalten Zonen eine Temperatur von etwa 200° C aufweisen. Inertgas ist Stickstoff. Eine erste Diffusionsphase von 50 Minuten ergibt eine Übergangstiefe von 6 μπι und eine Oberflächenkonzentration von 5 ■ 10^ls bis 10¹⁹ Zinkatomen/cm³. 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 μπι mit einer Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 10^M Atomen/cm³ und weist dadurch einen Widerstand auf, der z. B. für das Anbringen von

so Kontaktelektroden günstig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eindiffundieren von Dotierstoff in einen Halbleiterkörper, wubei zwei, an den Enden eines Reaktionsraumes angeordnete Dotierstoffquellen von verschiedener Zusammensetzung auf zwei verschiedene Temperaturen gehalten werden und der Dotierstoff über die Dampfphase zum Halbleiterkörper befördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffquellen denselben Dotierstoff enthalten und verschiedene Dampfdrücke aufweisen, und daß zunächst die Quelle mit dem niedrigeren und anschließend die Quelle mit dem höheren Dotiersioff-Dampfdruck gemeinsam mit dem Halbleiterkörper auf der höheren Temperatur gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichni ·, daß mindestens für die Quelle mit dem niedrigeren Dotierstoff-Dampidruck eine Verbindung des Dotierstoffes eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Quelle mit dem niedrigeren Dotierstoff-Dampfdruck eine Gallium-Zink-Verbindung und für die Quelle mit dem höheren Dotirrstoff-Dampfdruck eine Zink-Arsen-Verbindung eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle mit dem höheren Dotierstoff-Pampfdruek durch Niederschlagenlassen des Dotierstoffes am kühleren Ende des Reaktionsraumes gebildet wi.d.