DE2319481C3 - Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number
DE2319481C3
DE2319481C3 DE2319481A DE2319481A DE2319481C3 DE 2319481 C3 DE2319481 C3 DE 2319481C3 DE 2319481 A DE2319481 A DE 2319481A DE 2319481 A DE2319481 A DE 2319481A DE 2319481 C3 DE2319481 C3 DE 2319481C3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
rotor
base material
semiconductor
doping
foreign substance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE2319481A
Other languages
English (en)
Other versions
DE2319481A1 (de
DE2319481B2 (de
Inventor
Paul Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Schmider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beckman Instruments GmbH
Original Assignee
Beckman Instruments GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beckman Instruments GmbH filed Critical Beckman Instruments GmbH
Priority to DE2319481A priority Critical patent/DE2319481C3/de
Priority to FR7411578A priority patent/FR2226210B1/fr
Priority to US05/458,972 priority patent/US3957547A/en
Priority to JP49042680A priority patent/JPS5014274A/ja
Priority to IT21489/74A priority patent/IT1006469B/it
Priority to NL7405223A priority patent/NL7405223A/xx
Priority to GB1672174A priority patent/GB1465102A/en
Priority to CA198,424A priority patent/CA1053130A/en
Publication of DE2319481A1 publication Critical patent/DE2319481A1/de
Publication of DE2319481B2 publication Critical patent/DE2319481B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2319481C3 publication Critical patent/DE2319481C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/02—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion materials in the solid state
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H01L21/223—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a gaseous phase
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/24—Alloying of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, with a semiconductor body
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S118/00—Coating apparatus
    • Y10S118/90—Semiconductor vapor doping

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Ultrazentrifuge zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der bekannten Diffusions-Dotierungstechnik, die zudem grundsätzlich auf die Dotierung mit im Halbleitergrundmaterial löslichen Dotierungselementen beschränkt ist, tritt im Verlauf des Diffusionsprozesses ein zum Halbleiterinneren abfallendes Konzentrationsprofil auf, wodurch die Tiefe der Diffusionsschicht nachteilig beeinflußt wird. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Diffusionsmethode ist, daß aufgrund der Breite der Diffusionsschicht am P-N-Übergang parasitäre Kapazitäten entstehen können, wodurch die Verwendbarkeit des P-N-Übergangs besonders im hohen Frequenzbereich limitiert ist. Die Diffusion schreitet auch in der Oberfläche des Halbleitermaterials voran, was besondere Maskierungstechniken erforderlich macht. Bei Doppeldiffusion sind die Diffusionsprozesse nicht voneinander unabhängig.
Nachteilig bei der bekannten lonen-lmplantationsmethode ist neben ihrem großen apparativen Aufwand vor allem die Erzeugung von Kristallfehlern beim Einschub der hoch energetischen Ionen, die nachträglich durch eine Temperaturbehandlung ausgeheilt werden müssen, sowie eine besonders starke Abhängigkeit der F.indringtiefe der Ionen von der Kristallorientierung.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Verfahrens zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Festkörpergrundmaterial zugrunde, das bei vertretbarem apparativem Aufwand die selektive, hinsichtlich
Flächenausdehnung und Eindringtiefe genau kontrollierbare Eindotierung von Fremdsubstanzen in das Grundmaterial unter Erzielung eines möglichst scharfen Dotierungsprofils gewährleistet und verschiedenen Dotierungssubstanzen und Grundmaterialien angepaßt werden kann.
Zu diesem Zweck ist nach dem Grundgedanken der Erfindung vorgesehen, daß der Einbau der abgeschiedenen Fremdsubstanz, deren Reziprokwert ihres partiellen spezifischen Volumens sich von der Dichte des Halbleitergrundmaterials unterscheidet, im Weg der Festkörpersedimentation der Fremdsubstanzatome, -moleküle oder -ionen, im Halbleitergrundmaterial unter der Einwirkung einer Zentrifugalbeschleunigung von mehr als 108Cm see-2 erfolgt. Die Festkörpersedimentation gemäß dem Hauptanspruch kann durch Zentrifugationsbehandlung des auf der Oberfläche mit der abgeschiedenen Fremdsubstanz versehenen Halbleitergrundmaterials in einer Ultrazentrifuge erfolgen.
Das Verfahren kann dabei in einem Rotor einer an sich bekannten evakuierten Ultrazentrifuge durchgeführt werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß unter dem Einfluß der hohen Beschleunigung w2r>108cm/ see2 eine Sedimentation der Fremdsubstanzen im festen Halbleitermaterial eingeleitet wird, falls der Reziprokwert des partiellen, spezifischen Volumens der Fremdsubstanzen von der Dichte des Halbleiterkristalles abweicht. Diese hier als »Festkörpersedimentation« bezeichnete Wirkungsweise ermöglicht ein grundsätzlich neues Verfahren der kontrollierten Beeinflussung der Verteilung einer Fremdsubstanz in einem Festkörper.
Zentrifugations-Sedimentations- Verfahren waren bisher nur zur Trennung von Stoffgemischen bzw. Lösungen in flüssiger Phase bekannt. Nach der elementaren Theorie der Ultrazentrifugation (vgl. zum Beispiel die klassische Darstellung von T. Svedberg und O. Peterson »The Ultracentrifuge«, Oxford University Press, London and New York, 1940) gilt dabei für die Sedimentationsgeschwindigkeit beispielsweise einer monomer gelösten Atom- oder Molekülart mit einem partiellen spezifischen Volumen V2 + in einem inkompressiblen flüssigen Laufmittel der Dichte Qi die folgende Beziehung:
dr = (1 -Q1V2 +) M2-ω2 r
dt
RT
D,
Winkelgeschwindigkeit,
Abstand vom Rotationszentrum,
universelle Gaskonstante,
absolute Temperatur in ° K,
Diffusionskoeffizient,
Molekulargewicht des Gelösten.
Es darf angenommen werden, daß diese Grundbeziehung für die Sedimentationsgeschwindigkeit in flüssiger Phase grundsätzlich auch auf die Festkörpersedimentation gemäß dem Hauptanspruch anwendbar ist, wobei nunmehr für ρι die Dichte des Wirtsgitters, d. h. des behandelten Festkörpergrundmaterials, und für V2 + bzw. M2 das partielle spezifische Volumen bzw. das Molekulargewicht der Fremdsubstanz, d. h. der Dotieratome oder -moleküle zu setzen ist. Die Beschleunigung ü)2r leitet auci1 im Festkörper eine nachweisbare erzwungene Wanderungsbewegung ein, falls der Auftriebsthemi (1 —ρι V2 +) nennenswert von 0 verschieden ist.
s Während die bekannten Diffusions- und Legierungsverfahren grundsätzlich Löslichkeit der Fremdsubstanz im Haibleitergrundmaterial voraussetzen, wodurch der Kreis in Frage kommender Dotierungsmaterialien von vornherein eingeengt wird, besteht für die Festkörper-
Ki sedimentation gemäß Hauptanspruch — abgesehen von der erforderlichen Verschiedenheit der Dichten von Fremdsubstanz und Grundmaterial — keine derartige Einschränkung, wodurch sich für die Halbleitertechnologie völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich in Frage
i'i kommender Dotierungssubstanzen eröffnen. Die Festkörpersedimentation ermöglicht des weiteren die Erzielung wesentlich schmalerer bzw. schärferer Dotierungsprofile als die Diffusionsdotierung. Die Festkörpersedimentation erfolgt mit einer eindeutigen, durch die Richtung der Zentrifugalkraft gegebenen Vorzugsrichtung, wodurch Maskierungstechniken, wie sie zur Verhinderung oberfJächenparalJeler Diffusion bei den bekannten Diffusionsverfahren erforderlich sind, entbehrlich werden. Auch die Eindringtiefe des Dotierungs-
2:> profils ist durch entsprechende Wahl der Zentrifugalbeschleunigung und/oder der Dauer der Zentrifugationsbehandlung genau kontrollierbar, was — in Verbindung mit der schärfeien, schmaleren Profilierung — eine insgesamt bessere Beherrschung der Geometrie innerer PN-Schichten in den Halbleiterbauteilen ermöglicht. Gegenüber bekannten Legierungsverfahren, bei welchen die Eindringtiefe im wesentlichen durch Menge und Wärmeinhalt der in geschmolzener Form auf den Halbleiterkörper aufgebrachten Dotierungssubstanz bestimmt wird, besteht beim Festkörpersedimentationsverfahren keine derartige Abhängigkeit. Das Prinzip der Festkörpersedimentation gestattet des weiteren den Einbau der Fremdsubstanz unter Vakuum bzw. reduziertem Druck, während bei den bekannten Legierungsverfahren ein Schutzgas bzw. reduzierendes Gas unter Normaldruck angewendet wird und je nach den verwendeten Schmelzen der Dampfdruck der Schmelzsubstanz vorliegt.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht 5 ferner darin, daß die Festkörpersedimentation grundsätzlich bei Normaltemperatur ausführbar ist, wodurch Beeinträchtigungen des Halbleitergrundmaterials oder der in vorhergehenden Dotierungsbehandlungen erzeugten Dotierungsgeometrien vermieden werden, wie sie sich bei den bekannten Diffusionsverfahren durch die zur Erzielung praktikabler Diffusionsgeschwindigkeiten in der Praxis angewandten erhöhten Temperaturen von oberhalb 1000°C oder bei den bekannten lonen-lmplantations-Dotierungsverfahren durch die dort erforderliehe nachträgliche Vergütungsausheizung zur Ausheilung von durch das Ionen-Bombardement erzeugten Kristallfehlern bei Temperaturen von ca. 700°C oder darüber ergeben können. Selbst soweit gemäß einer weiter unten behandelten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erhöhung der Sedimentationsgeschwindigkeit eine Erwärmung der Dotierungssubstanz und/oder des Halbleitergrundmaterials vorgesehen ist, reicht hierfür eine ganz kurzzeitige und auf Temperaturen unter 50O0C beschränkte Erhitzung aus, bei welcher Beeinträchtigungen der genannten Art nicht auftreten können.
Neben diesen allgemeinen Vorteilen kann die Erfindung noch zusätzliche Vorteile hinsichtlich be-
stimmtet" Anwcndungsfälle oder spezieller Probleme erbringen:
So bietet sich im Rahmen des Festkörpersedimcntationsverfahrens nach dem Hauptunspruch die Möglichkeit, den verhältnismäßig dünnen Basisbereich eines Transistors von im Halbleiterausgangsmaterial eventuell vorhandenen störenden Verunreinigungen, etwa Schwermetall-Störstellen der Elemente Au, Cu, Fe oder Gc, welche die Linearitätseigenschaften der Transistoren beeinträchtigen können, Irei zu sedimentieren, und zwar entweder im Verlauf der Dotierungssedimentation selbst oder in einem eigenen vor- oder nachgeschalteten Sedimentationslauf.
Für Hochfrequenz-Transistoren wird als Emittersubstanz bevorzugt Arsen oder Antimon verwendet, beides sehr schlecht diffundierende Substanzen. Für die Hochfrequenztauglichkeit der Transistoren muß die Basis sehr dünn sein und darf nicht hochohmig sein; diese Erfordernisse lassen sich durch einen Diffusionsprozeß nur schlecht verwirklichen. Das Festkörpersedimentationsverfahren nach dem Hauptanspruch bietet die Möglichkeit, den Emitter nachträglich in die mit Bor dotierte Basis einzusedimentieren.
Das Festkörpersedimentationsverfahren nach dem Hauptanspruch eignet sich ferner auch besonders vorteilhaft zur Herstellung von Misch-Emittern aus beispeilsweise Phosphor und Arsen oder Antimon, deren Herstellung nach dem Diffusionsverfahren wegen der stark unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten von Phosphor bzw. Arsen und Antimon auf Schwierigkeiten stößt.
Aus der britischen Patentschrift 9 56 033 ist es im Zusammenhang eines Halbleiter-Legierungsverfahrens zur Herstellung von Halbleiteranordnungen wie Transistoren oder Kristalldioden bekannt, die Aufbringung der der Halbleiteroberfläche einzulegierenden Fremdsubstanz, beispielsweise einer Dotierungssubstanz, in geschmolzenem Zustand auf die Halbleiterkörperoberfläche unter der Einwirkung einer Zentrifugalkraftbeschleunigung vorzunehmen. Nach dem Grundgedanken der Entgegenhaltung werden hierzu in einem Zentrifugenr.otor der an seiner Oberfläche mit dem Schmelzüberzug zu versehende Halbleiterkörper in Umfangsnähe des Rotors und die aufzubringende Schmelze an einer davon radial einwärts gelegenen Stelle gehaltert; nach Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl wird die Schmelze aus ihrer Halterung in bezug auf den Halbleiterkörper freigegeben, derart daß sie unter der Wirkung der Zentrifugalkraft auf den vorgesehenen Bereich der Halbleiterkörperoberfläche »aufgeschossen« wird, um auf diese Weise eine gleichmäßige, flächige Bedeckung der Halbleiterkörperoberfläche mit der Schmelze in dem vorgesehenen Legierungsbereich zu gewährleisten und so einen optimalen Ausgangszustand für den anschließenden, in herkömmlicher Form vorsichgehenden Legierungsvorgang (Aufschmelzen des Halbleiterkörpers durch die aufgebrachte Schmelze, Legierungsbildung in dem aufgeschmolzenen Bereich und anschließende Rekristallisation) zu erhalten. Wesentlich ist, daß die Zentrifugalkraft bei dem bekannten Verfahren ausschließlich zum Aufschießen der Schmelze (unter möglichster Ausschaltung passivierender Gaszwischenphasen) dient und nicht zum Einbau der Schmelzsubstanz in den Halbleiterkörper; dieser Einbau erfolgt vielmehr in ganz konventioneller Legierungstechnik als Fest-Flüssig-Verfahren, bei welchem die Eindringtiefe durch Menge und Wärmeinhalt der aufgeschossenen Schmelze begrenzt ist Obwohl in der britischen Patentschrift 9 56 033 keine zahlenmäßigen Angaben über die Abmessungen und Drehzahlen der Zentrifuge gemacht sind, ist es aus dem Gesamtzusammenhang und den beschriebenen apparativen Ausfüh-
r> rungsformen klar, daß der Bereich der Anwendung findenden Zentrifugalkräfte um Größenordnungen unterhalb des Bereiches liegt, ab welchem Festkörpersedimentation auftritt.
Im Zusammenhang der bekannten Abscheidung von Halbleitergrundmaterial (ζ. Β. »Journal Electrochemical Society«, 1972, Seite 1749 bis 1760), gegebenenfalls unter gleichzeitiger Abscheidung einer Dotierungssubstanz aus der Gasphase (z. B. DT-AS 11 85 293), auf einem Träger, der seinerseits aus dem Halbleitermaterial bestehen kann, bzw. Kathodenzerstäubung (DT-AS 10 55 132) ist es auch bekannt, den Träger, auf welchem abgeschieden wird, in Rotation zu versetzen (»rotating disc«-Methode). Diese Drehung dient dabei ausschließlich dazu, eine gute, flächenhafte Spreitung und eine möglichst homogene Belegung auf der Halbleiteroberfläche zu erzielen; die auftretenden Zentrifugalkräfte sind vernachlässigbar klein und liegen um mehrere Größenordnungen unterhalb des für einen Einbau der abgeschiedenen Substanz in das Grundmaterial durch die Festkörpersedimentation erforderlichen Bereichs.
Bekannt ist ferner das Ziehen von stangenförmigen Halbleiterkristallen aus der Schmelze, wobei der Ziehkristall in Drehung versetzt werden kann (vgl. zum Beispiel CH-PS 3 41910). Auch hier dient diese Drehung lediglich zur Erzielung einer höheren Gleichmäßigkeit und Homogenität des Erzeugnisses und liegt weit unterhalb des Bereichs, in dem nennenswerte Zentrifugalkräfte auftreten können.
Bei der Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch muß zunächst die Dotiersubstanz auf der Halbleiteroberfläche abgeschieden werden, so daß eine bestimmte Oberflächenkonzentration der Fremdsubstanz entsteht Diese Abscheidung erfolgt vorzugsweise innerhalb des Zentrifugenrotors. Nach Abschluß dieser Abscheidung wird der Rotor beschleunigt, so daß zwischen den Fremdatomen auf der Oberfläche und dem Halbleiter-Wirtschaftsgitter des Grundmaterials die hohe Beschleunigung wirksam wird. Für den Fall, daß die Festkörpersedimentation bei Umgebungstemperatur zu gering ist, wird kurze Zeit die Temperatur erhöht, so daß nach der obengenannten Gleichung durch Erhöhung des stark temperaturanhängigen Diffusionskoeffizienten D eine Sedimentationsgeschwindigkeit von einigen Mikrometern/Stunde erzielt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, die Temperatur der Dotiersubstanz und/oder des Grundmaterials in dem Zentrifugenrotor zumindest kurzfristig so weit anzuheben, daß die Dotiersubstanz verflüssigt wird und der
Zahlenwert des Diffusionskoeffizienten
>10-'°cm2/sec beträgt, wodurch höhere Sedimentationsgeschwindigkeiten gegenüber Normaltemperatur erzielt werden.
Der auch bei der Zentrifugationsbehandlung vorhandenen thermischen Diffusion der Fremdsubstanz überlagert sich hierbei die erheblich höhere Sedimentationsbewegung, so daß der gewünschte Dotierschritt nach verhältnismäßig kurzer Zeit abgeschlossen »st Die Ausgangsoberflächenkonzentration der Fremdsubstanz wandert dabei als zusammenhängende Fraktion in das Halbleiterinnere, so daß ein schmales Dotierungsprofi] erhalten bleibt, wodurch die Nachteile der herkömmlichen Diffusionstechnik überwunden werden. Eine
weitere Erhöhung der .Sedimentationsgeschwindigkeit der Dotierionen läßt sich durch Anlegen eines magnetischen Feldes im wesentlichen parallel zur Rotationsachse erreichen.
Das Verfahren eignet sich auch zur Durchführung einer Legierung von Halbleitergrundniaterialien, wobei als besonders vorteilhaft zu bewerten ist, daß die beiden Materialien sich innig durchdringen und eine homogene Legierungsschicht ergeben. Eine derartige Legierungsbehandlung kann beispielsweise zur Herstellung der ohmschen Anschlußkontakte an die aktiven Bereiche der Halbleiterbauteile dienen.
Die jeweilige Dauer der Zentrifugationsbehandlung richtet sich für ein gegebenes Grundmaterial und eine gegebene Dotierungssubstanz nach der gewünschten \i Dotierungstiefe und kann innerhalb gewisser Grenzen durch geeignete Temperaturwahl beeinflußt werden. Die Behandlungsdauern können in der Größenordnung von einigen Minuten bis Stunden liegen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt
F i g. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung mit einer Ultrazentrifuge an sich bekannter Bauart, in Anpassung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens,
F i g. 2 einen für die Zwecke des beanspruchten Verfahrens modifizierten Zentrifugenrotor.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ultrazentrifuge weist einen Antriebsmotor 1 auf, der über ein Getriebe 2 den Rotor 3 antreibt. Der Rotor 3 ist in einer vakuumdichten Rotorkammer 4 angeordnet, unter Zwischenschaltung eines Panzerrings 5 zur Vermeidung einer Gefährdung des Bedienungspersonals bei Rotorunfällen. Der Rotor 3 sitzt auf einer vertikal von unten durch die Rotorkammerbodenplatte 23 vakuumdichtschließend geführten Rotorwelle 24.
Die Rotorkammer 4 — und der in dieser angeordnete Rotor 3 — ist mittels eines Vakuumpumpensystems evakuierbar, das im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Rotationspumpe 6 als Vorvakuumpumpe und eine Diffusionspumpe 7 umfaßt; bei 8 ist eine Vakuumanzeigevorrichtung angedeutet, bei 9 ein Gasdosierventil zur regelbaren Einstellung und Aufrechterhaltung einer gewünschten Gasatmosphäre in der Rotorkammer 4 und in dem vorzugsweise mit dieser kommunizierenden Inneren des Rotors 3.
Der Rotorantrieb weist eine Drehzahlsteuerung mit einem auf der Rotorantriebswelle 24 sitzenden Drehzahlfühler 10 und einer auf den Antriebsmotor 1 einwirkenden Drehzahlregeleinrichtung 11 auf. Diese Drehzahlsteuerung ist gleichzeitig als Sicherung gegen überhöhte Drehzahlen des Rotors 3 ausgebildet.
Der Deckel 12 der Vakuumkammer 4 ist mit einer Durchführung 13 für die elektrische Zuleitung 19 (Fig.2) für die Beheizung des Rotors versehen. Die Temperaturmessung des Rotors 3 erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise radiometrisch mittels auf die Wärmestrahlung des Rotors ansprechendem Infrarotdetektor.
In Fig.2 ist ein für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeigneter Zentrifugenrotor dargestellt Der als Ganzes mit 3 bezeichnete Rotor ist als Rundkörper aus Titan gefertigt und kann in seinem Aufbau weitgehend entsprechend den bekannten Zonalrotoren ausgebildet sein. An der Innenwandung 14 des Rotors 3 sind ebene Segmentflächen 15 aus einem mechanisch stabilen thermischen Isolationsmaterial, vorzugsweise aus mechanisch stabiler Sinterkeramik, vorgesehen. Auf diesen ebenen Flächen 15 liegt ein dünnes Heizband 16, vorzugsweise aus Nickel, das (nicht näher dargestellte) Halterungen für die zu behandelnden Halbleiter-Grundmalerialplättchen, die bei 17 schematisch angedeutet sind, aufweist. Die Stromzufuhr für das Heizband 16 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen in Spitzenlagerung 18 zentrisch mit dem Rotor 3 verbundenen Graphitstab 19 mit einer weiteren elektrischen Verbindung 20; der Rotor 3 kann beispielsweise geerdet sein.
In dem mit dem Rotorhauptkörper 3 verschraubten Rotordeckel 25 sind Öffnungen 21 vorgesehen, über welche das Rotorinnere mit dem Inneren der Rotorkammer 4 (vgl. Fig. 1) in Verbindung steht, derart, daß er beim Betrieb der Zentrifuge zusammen mit der Rotorkammer 4 evakuiert werden kann. Über diese Verbindungsöffnungen 21 kann ferner auch gegebenenfalls die über die Gasdosiervorrichtung 9 einstellbare Gasatmosphäre in das Rotorinnere zugeführt werden, etwa zum Zweck der weiter oben erwähnten Abscheidung der Dotierungssubstanz durch thermische Zersetzung einer über die Dosierungsvorrichtung 9 zugeführten gasförmigen Verbindung des Dopanten. Alternativ kann die Vorabscheidung der Dotierungssubstanz auf den Halbleiterplättchen auch durch Verdampfen eines festen Dotierungsmaterials oder einer festen Dotierungsverbindung und Abscheidung aus der Dampfphase erfolgen; zu diesem Zweck ist vorzugsweise zentrisch im Rotor eine Verdampfungsquelle 22 vorgesehen.
Die Segmentplatten 15 dienen außer zur thermischen Isolation gleichzeitig als ebenflächige Auflageflächen für die zu behandelnden Halbleiter-Grundmaterialplättchen 17 und stützen diese gegen die im Betrieb des Rotors auftretenden hohen Zentrifugalkräfte möglichst spannungsfrei ab.
Die typische Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung etwa zur Dotierung von Halbleitergrundmaterial kann wie folgt verlaufen:
Nach der Beschickung des Zentrifugenrotors mit den zu behandelnden Halbleiterkörpern und Verschluß der Vorrichtung wird in der Regel zur Vermeidung unerwünschter Verunreinigungen in der Rotorkammer und damit im Rotorinneren ein geeignetes Vakuum hergestellt. Sodann erfolgt in einem sogenannten »Predeposition«-Verfahrensschritt die Abscheidung der jeweiligen Fremdsubstanz auf den Halbleiterkörpern. Je nach der gewünschten Fremdsubstanz kann diese Abscheidung beispielsweise durch thermische Zersetzung einer über die Gasdosiervorrichtung 9 in die Rotorkammer und damit in das Rotorinnere zugeführten gasförmigen Verbindung des Dopanten an der geheizten Substratoberfläche erfolgen (so etwa bei Dotierung mit Phosphor durch Abscheidung des Phosphors im Wege der thermischen Zersetzung aus P2O5), oder durch direkte thermische Verdampfung des Materials von der Verdampfungsquelle 22 von der Rotorachse aus. Nach Abschluß dieser Abscheidung wird der Rotor beschleunigt, wodurch zwischen den Fremdatomen auf der Oberfläche der Halbleiterplättchen 17 und dem Halbleitersubstrat die hohe Zentrifugalbeschleunigung wirksam wird, welche das kontrollierte Eindringen der Fremdsubstanz in das Halbleiterwirtsgitter bewirkt Falls die Festkörpersedimentation bei Umgebungstemperatur zu gering ist, kann die Temperatur mittels der Heizvorrichtung kurzzeitig erhöht werden, um eine ausreichende Sedimentationsgeschwindigkeit etwa in der Größenordnung von
einigen Mikrometern pro Stunde zu erzielen. Gegebenenfalls kann das auf der Halbleiterkörperoberfläche vorabgeschiedene Dotierungsmaterial auch vor oder während der Zentrifugal-Behandlung durch Erhitzen zum Schmelzen gebracht werden. In jedem Falle überlagert sich der thermischen Diffusion der Dopanten die betragsmäßig erheblich höhere Sedimentationsbewegung der Dotierungsatome, so daß der Dotierschritt nach verhältnismäßig kurzer Zeit, je nach der gewünschten Eindringtiefe, abgeschlossen sein kann. Zentrifugierdauern in der Größenordnung von einigen Minuten bis zu Stunden sind je nach den Gegebenheiten möglich. In jedem Falle wird ein, verglichen mit der herkömmlichen Diffusionstechnik, erheblich schmaleres Dotierungsprofil erreicht, da bei dem Festkörpersedimentationsverfahren die Ausgangs-Oberflächenkonzentration des Dotierungsmaterials als weitgehend zusammenhängende Fraktion in das Innere des Grundmaterials eindringt. In der eingangs bereits erwähnten Weise kann zur Unterstützung des Vorgangs und Erhöhung der Sedimentationsgeschwindigkeit der Dopantenionen ein im wesentlichen zur Rotorachse paralleles Magnetfeld (d. h. Magnetfeldstärke senkrecht zur Tangentialgeschwindigkeit und zur Rotationsebene) angelegt werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die vorstehend beschriebene Vorrichtung sowohl für Dotierungs- wie auch für Legierungszwecke wie auch zum Bondieren von Leitern an den aktiven Bereichen von Halbleiterbauteilen. Dabei können prinzipiell diese sämtlichen erwähnten Arbeitsvorgänge aufeinanderfolgend in ein und derselben Vorrichtung an den Halbleiterbauteilen vorgenommen werden, indem beispielsweise zunächst in einem ersten Arbeitsgang durch Dotierung die inneren pn-Übergänge hergestellt, sodann durch Legierung die ohmschen Anschlußkontakte und schließlich abschließend durch Bondieren von Whiskers mit den
ίο Legierungskontakten die äußeren Zuleitungen hergestellt werden. Da für die Dotierungsbehandlung die höchsten Schwerebeschleunigungen, für die Legierung mittlere Schwerebeschleunigungen und für die Bondierung die niedrigsten Schwerebeschleunigungen benötigt werden, kann durch entsprechende Drehzahlwahl sichergestellt werden, daß durch die Legierungs- und Bondierungsbehandlung die zuvor erzeugte Dotierungsverteilung praktisch unbeeinflußt bleibt. So kann beispielsweise größenordnungsmäßig für die Dotierung eine Drehzahl von 60 000 Umdrehungen pro Minute, für die Legierung eine Drehzahl von 40 0000 Umdrehungen pro Minute und für die Bondierung eine Drehzahl von 20 000 Umdrehungen pro Minute vorgesehen werden; da sich die Zentrifugalbeschleunigungen wie die Quadrate der Drehzahlen verhalten, bestehen zwischen diesen verschiedenen Behandlungsarten ausreichende Sicherheitsabstände, wodurch eine gegenseitige Beeinträchtigung der verschiedenen Behandlungsarten vermieden werden kann.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleitergrundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern, wobei die Fremdsubstanz auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau der abgeschiedenen Fremdsubstanz, deren Reziprokwert ι ο ihres partiellen spezifischen Volumens sich von der Dichte des Halbleitergrundmaterials unterscheidet, im Weg der Festkörpersedimentation der Fremdsubstanzatome, -moleküle oder -ionen, im Halbleitergrundmaterial unter der Einwirkung einer Zentrifugalbeschleunigung von mehr als 108 cm see-2erfolgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörpersedimentation durch Zentrifugationsbehandlung des auf der Oberfläche mit der abgeschiedenen Fremdsubstanz versehenen Halbieitergrundmaterials in einer Ultrazentrifuge erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zentrifugationsbehandlung die Abscheidung der Fremdsubstanz im Inneren des Zentrifugenrotors in definierter, reproduzierbarer Weise auf der der Abstützseite gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleitergrundmaterials, beispielsweise durch thermische Zersetzung von Verbindungen der Dotierungssubstanz im Inneren des Zentrifugenrotors oder durch Verdampfung der festen Dotierungssubstanz vom Zentrum des Zentrifugenrotors aus, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, unter Verwendung einer evakuierbaren Zentrifuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugationsbehandlung und gegebenenfalls die Vorabscheidung der Fremdsubstanz auf dem Grundmaterial unter Vakuum erfolgen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Halbleitergrundmaterial abgeschiedene Fremdsubstanz und/oder das Grundmaterial vor oder während der Zentrifugationsbehandlung durch vorzugsweise induktive elektrische Heizung erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Halbleitergrundmaterial während der Zentrifugationsbehandlung der Einwirkung eines im wesentlichen parallel zur Rotorachse gerichteten Magnetfeldes ausgesetzt wird.
7. Ultrazentrifuge, mit einem in einem Gehäuse zum Antrieb mit hohen Drehzahlen drehbar gelagerten Rotor, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifugenrotor (3, F i g. 2) entlang der Innenwandung (14) des Rotors Vorrichtungen (15) zur Halterung und Abstützung des zu behandelnden Grundmaterials (17) aufweist.
8. Ultrazentrifuge nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu behandelnden Grundmaterial (17) und der Rotorinnenwandung (14) eine thermische Isolierschicht vorgesehen ist. t>> die ebene Auflagefläehen (15) zur radialen Abstützung des Grundmaterial (17) aufweist.
9. Ultrazentrifuge nach einem der Ansprüche 7
und 8 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (3) eine beheizbare Verdampfungsquelle (22) zur Abscheidung der Dotierungs- bzw. Legierungssubstanz auf dem Grundmaterial vorgesehen ist.
10. Ultrazentrifuge nach einem der Ansprüche 7 bis 9. zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) in einer vakuumdichten Rotorkammer (4, F i g. 1) drehbar gelagert ist, die mit einer Vakuumpumpanlage (6,7) und mit einer Gasdosiervorrichtung (9) zur regelbaren Zufuhr einer gasförmigen, thermisch zersetzbaren Verbindung der Dotierungssubstanz verbunden ist, wobei das Innere des Rotors (3) mit der Rptorkammer (4) über öffnungen (21) kommuniziert
11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 unter Verwendung einer Zentrifugenvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, zur Herstellung einer Halbleiteranordnung ausgehend von einem Halbleiterkörper aus Halbleitergrundmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß man aufeinanderfolgend in ein und derselben Zentrifuge zunächst bei einer ersten, relativ hohen Drehzahl des Zentrifugenrotors den Halbleiterkörper mit einer oder mehreren Dotierungssubstanz(en) dotiert, sodann bei einer zweiten, unterhalb der ersten liegenden Rotordrehzahl durch Einlegieren einer Elektrodensubstanz die ohmschen Anschlußkontakte an die aktiven Bereiche der Halbleiterbauteile herstellt und schließlich bei einer dritten, unterhalb der zweiten liegenden Rotordrehzahl den Verbund zwischen elektrischen Zuleitungsdrähten mit den Anschlußkontakten herstellt
DE2319481A 1973-04-17 1973-04-17 Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens Expired DE2319481C3 (de)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2319481A DE2319481C3 (de) 1973-04-17 1973-04-17 Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens
FR7411578A FR2226210B1 (de) 1973-04-17 1974-04-01
US05/458,972 US3957547A (en) 1973-04-17 1974-04-08 Method for doping semiconductors in centrifuge
IT21489/74A IT1006469B (it) 1973-04-17 1974-04-16 Procedimento e dispositivo per l installazione di una sostanza esterna in un materia le di base a corpo solido in specie per il drogaggio e per la costituzione di leghe di materia le base semiconduttore
JP49042680A JPS5014274A (de) 1973-04-17 1974-04-16
NL7405223A NL7405223A (de) 1973-04-17 1974-04-17
GB1672174A GB1465102A (en) 1973-04-17 1974-04-17 Method and apparatus for treating a solid state material in which another substance is incorporated
CA198,424A CA1053130A (en) 1973-04-17 1974-04-17 Method and apparatus for doping semiconductors in centrifuge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2319481A DE2319481C3 (de) 1973-04-17 1973-04-17 Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2319481A1 DE2319481A1 (de) 1974-11-07
DE2319481B2 DE2319481B2 (de) 1978-01-12
DE2319481C3 true DE2319481C3 (de) 1978-09-07

Family

ID=5878425

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2319481A Expired DE2319481C3 (de) 1973-04-17 1973-04-17 Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens

Country Status (8)

Country Link
US (1) US3957547A (de)
JP (1) JPS5014274A (de)
CA (1) CA1053130A (de)
DE (1) DE2319481C3 (de)
FR (1) FR2226210B1 (de)
GB (1) GB1465102A (de)
IT (1) IT1006469B (de)
NL (1) NL7405223A (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL7512177A (nl) * 1975-09-23 1977-03-25 Balzers Patent Beteilig Ag Vacuuminstallatie voor het behandelen van een produkt in het bijzonder een vacuumopdampin- stallatie.

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2996418A (en) * 1957-06-05 1961-08-15 Gen Motors Corp Method and apparatus for vapor depositing thin films
US3301213A (en) * 1962-10-23 1967-01-31 Ibm Epitaxial reactor apparatus
US3806360A (en) * 1966-12-15 1974-04-23 Western Electric Co Methods for heating and/or coating articles
US3594227A (en) * 1968-07-12 1971-07-20 Bell Telephone Labor Inc Method for treating semiconductor slices with gases
US3713883A (en) * 1970-05-27 1973-01-30 Western Electric Co Method of and apparatus for growing crystals from a solution

Also Published As

Publication number Publication date
FR2226210A1 (de) 1974-11-15
IT1006469B (it) 1976-09-30
US3957547A (en) 1976-05-18
CA1053130A (en) 1979-04-24
DE2319481A1 (de) 1974-11-07
JPS5014274A (de) 1975-02-14
NL7405223A (de) 1974-10-21
DE2319481B2 (de) 1978-01-12
GB1465102A (en) 1977-02-23
FR2226210B1 (de) 1977-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2513034C2 (de) Vorrichtung zur Herstellung von dotierten dünnen Halbleiterschichten
DE3402971C2 (de)
DE2824564A1 (de) Verfahren zum herstellen von elektronischen einrichtungen
DE2839057C2 (de)
DE1135671B (de) Verfahren zum Herstellen eines pn-UEbergangs und/oder eines Gradienten eines elektrisch wirksamen Elements in einem Halbleiterkristall
DE3035563A1 (de) Silizium-schicht-solarzelle
EP0048288B1 (de) Verfahren zur Dotierung von Halbleiterbauelementen mittels Ionenimplantation
DE1446270B2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer dünnen, freitragenden Folie durch Vakuumaufdampfen
DE2500728A1 (de) Verfahren zur verbesserung der dotierung eines halbleitermaterials
DE2756861C2 (de) Verfahren zum Ändern de Lage des Fermi-Niveaus von amorphem Silicium durch Dotieren mittels Ionenimplantation
DE1489135B2 (de) Verfahren zum Ändern der Dotierung von mindestens einem Teil eines einkristallinen Halbleiterkörpers
DE2644208B2 (de) Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage
DE3506671A1 (de) Dampfquelle fuer vakuumbeschichtungsanlagen
DE2319481C3 (de) Verfahren zum Einbau einer Fremdsubstanz in ein Halbleiter-Grundmaterial, insbesondere zur Dotierung oder Legierung von Halbleiterkörpern und Ultrazentrifuge zur Durchführung des Verfahrens
DE1186952B (de) Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von n- in p-leitendes Halbleitermaterial fuer Halbleiterbauelemente durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl
DE2125643A1 (de) Elektrische Leiter und Halbleiterbauelemente sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
EP0184688A1 (de) Feinteiliges Pulver und Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln desselben
DE2366013A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur behandlung eines festkoerpergrundmaterials
DE2012459A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Dotierungs st of f que He
EP0301604A2 (de) Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mittels Plasma-Chemical Vapour Deposition oder Kathodenzerstäubung und damit ausgeführtes Verfahren
DE10055636C2 (de) Transparenter leitfähiger Film und Verfahren zur Herstellung des Films
DE1937954A1 (de) Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Legierungen durch Niederschlag der Legierungsbestandteile aus deren Dampfphasen
EP3768871A1 (de) Magnetronsputtervorrichtung
EP3346017B1 (de) Verfahren zum schneiden von refraktärmetallen
DE2724348A1 (de) Glaspassiviertes halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
EHJ Ceased/non-payment of the annual fee