DE2751163B2

DE2751163B2 - Verfahren zur Steuerung einer offenen Gallium-Diffusion und Vorrichtung zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE2751163B2
Application number: DE2751163A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 6842 Bürstadt Held; Dipl.-Phys. Dr. Gerhard 6840 Lampertheim Popp
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1977-11-16
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1981-04-02
Also published as: FR2409085A1; DE2751163C3; DE2751163A1; JPS5475986A; US4217154A

Description

mil

nach der Formel

eingestellt werden, wobei k t»nen Wert von 5 - 10¹⁵ bis 2 · 10¹⁶ Atome/cm³-und π einen Wert zwischen 1 und 2 annimmt, und wobei einv Quellentemperatur von 950° C und eine Diffusionstemperatur von 1250° C eingehalten wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit einem offenen Diffusionsofen, in dessen vorderem Rohrteil die Galliumoxid-Quelle und im nachfolgenden Rohrteil die Silicium-Scheiben angeordnet sind, und der mit Gaszuleitungen mit steuerbaren Ventilen und Strömungsreglern für Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff versehen ist, sowie mit einem zentralen Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitungen (20, 21, 22) in den Verbrennungsraum (23) münden, der vor der Galliumoxid-Quelle (26) getrennt vom oder integriert mit dem Ofenrohr (25) vorgesehen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung desselben. Sie kann Anwendung finden bei der Herstellung von Leistungs-Halbleiterbauelementen, bei denen verschiedene Dotierungsprofile zu überlagern sind und auf diese Weise die Tiefdiffusion für den sperrenden pn-übergang bei flachem Gradienten und freie Wahl der Eindringtiefe durchzuführen ist, sowie gleichzeitig hochdotierte Randzonen für ein gutes Durchlaßverhalten und die ohmsche Kontaktierung herzustellen sind.

Bei einer derartigen bekannten offenen Gallium-Diffusion (Frosch, Derick: J. Electrochem Soc. 105, (1958), 695) wird zur Steuerung der Gallium-Konzentration im Silizium ein Wasserbad benutzt, durch das der Wasserstpff und wahlweise der Stickstoff geleitet werden, um ijas Gas anzufeuchten (Becker, Fischer,

• Popp, BMFr-Forsphupgsbericht T 76*16, Juli 1976,

27-51), Das wasserdampfhaltige Gas wird in den Diffusionsofen geleitet. Das Wasserbad ist — je nach der angestrebten Gallium-Konzentration — auf verschiedenen Temperaturen zu halten. Zum Beispiel kann ein Heraufsetzen der Randkonzentration durckSenken der Badtemperatur erreicht werden. Weiterhin läßt sich durch die Verdünnung des Gasgemisches mit Stickstoff die Dotierungskonzentration einstellen.
• Will man im bekannten Fall die Gallium-Konzentration im Verlauf der Diffusion verändern, was immer ; riann notwendig ist, wenn komplizierte Diffusionsprofile (Doppelprofile) diffundiert werden sollen, dann muß, wie bereits erwähnt, die Badtemperatur verändert werden. Dies kann nur mit der Zeitverzögerung geschehen, die zur Erlangung eines neuen Temperaturgleichgewichtes notwendig ist Das bekannte Verfahren ist folglich mit folgenden Nachteilen behaftet:

— Die thermische Trägheit der Wasserbäder bedingt eine langsame Einstellung der Konzentration.

— Der Prozeß ist nicht automatisierbar.

— Die Bäder müssen gewartet werden. Ein Langzeitbetrieb, z. B. über das Wochenende, ist nicht möglich, da die Bäder wegen ihrer Verdunstung in Abständen von ca. 24 Stunden aufgefüllt werden müssen.

— Bäder, durch die Gase durchgeleitet werden müssen, stellen eine Kontaminationsquelle für die Gase dar.

Verunreinigungen des Wasserbades, die mit Wasserdampf in das Diffusionsrohr gelangen, können im Silizium Rekombinationszentren bilden und somit die Trägerlebensdauer herabsetzen.

Der Erfindung liegt, ausgehend vom vorbeschriebenen Verfahren, die Aufgabe zugrunde, die Prozeßsteuerung und -überwachung zu verbessern bzw. zu vereinfachen und gleichzeitig eine exakte Einhaltung der gewünschten Dotierstoffverteilucg zu erhalten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches I, wobei vorteilhafte Weiterbildungen sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4 ergeben.
Es sind Systeme bekannt (Firmenprospekt der Tylan

■»5 Corporation »Gas Systems for H?—Oj Oxidations with HCl« R - 6193 - 2 »Α« vom April 1972, S. 1 bis 7; Firmenprospekt der Fa. Lindberg (USA) »Burnt Hydrogen Oxidation System«, Specification 87042, S. 112), bei denen Wasserstoff und Sauerstoff in einem

w Oxidationsofen verbrannt werden. Der Wasserdampf entsteht demnach unmittelbar im Oxidationsofen als Folge der chemischen Verbrennungsreaktion. Im bekannten Fall »Lindberg« ist auch die Anwendung für Diffusionsprozesse erwähnt. Diese bekannten Systeme lassen für die Oxidation eine bessere Kontrolle der Gaszusammensetzung, eine geringere Kontamination der Gase, die Möglichkeit der automatischen Steuerung durch abgestimmte Ansteuerung der Ventile in den Zuleitungen für Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff sowie eine leichtere Handhabung zu. weil keine Wasserbäder gewartet werden müssen. Sie haben jedoch bisher keine Anwendung für die Gallium-Diffusion gefunden. Vielmehr werden sie mit dem für die vollständige Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff erforderlichen stöchiometrischen Gemisch von 1 :2 betrieben oder — aus Sicherheitsgründen — sogar mit einem Überschuß von Sauerstoff, damit nämlich unter allen Umständen garantiert ist, daß kein freier

Wasserstoff nach der Reaktion übrig bleibt. Außerdem dient im bekannten Fall der Stickstoff lediglich als Reinigungsgas imd wird durch die Wasserstoff-Döse geleitet,XHe Sauerstoffleitung mwß im bekannten Fall en die dort notwendige HCl-Leitung angeschlossen sein, um eine abschließende Reinigungsphase stur Vermeidung von Korrosion durchführen zu können.

Durch die Erfindung gewinnt man die technischen und wirtschaftlichen Vorteile der vorbeschriebenen bekannten Verfahren ohne WasserbSder, die zur Steuerung der Konzentration des Galliums erforderliche Anfeuchtung des y/asserstoffeswird jedoch durch genau dosiertes und nicht auf ein bestimmtes Verhältnis festgelegtes Beimischen.kleirier Mengen von Sauerstoff und die zeitlich und räumlich vorgeschaltete Verbrennung des Gemisches erreicht Vor allem kann durch ein schnelles Umschalten von einem Gasgemisch auf ein anderer eine schnelle und genaue Veränderung der Gallium-Konzentration bewirkt werden. Schließlich sind unterschiedliche Temperaturen für die einzelnen Verfahrensphasen Verbrennung Reduktion und Diffusion möglich.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfihdungsgemäßen Verfahrens in einem offenen Diffusionsofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 anzugeben, die eine bessere Steuerung der einzelnen Verfahrensphasen im Hinblick auf die gewünschte Dotierungsverteilung zuläßt

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert

Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung einer offenen Gallium-Diffusion mit vom Quellenofen getrennter Verbrennungskammer,

Fig.2 eine Vorrichtung mit in den Quellenofen integrierter Verbrennungskammer und

Fig.3 die Beziehung zwischen der Gallium-Konzentration und der Sauerstoff-Durchflußmenge bei fester Wasserstoff-Durchflußmenge.

Die Vorrichtung zur Durchführung der offenen Gallium-Diffusion unifaßt ein zentrales Steuergerät 10, eine Gaszuleitung 1 i für Wasserstoff, eine Gaszuleitung 12 für Sauerstoff, eine Gaszuleitung 13 für Stickstoff. Im Steuergerät sind Magnetventile sowie Gasflußmeß- und -regelgeräte eingebaut, die nach einem einstellbaren Zeitprogramm auf die Gasströme in den Zuleitungen 11,

12 und 13 einwirken können. Die Leitungen 11,12 und

13 führen weiter zu getrennten Anschlüssen 20, 21 und 22 an einen Verbrennungsraum 23. Im Verbrennungsraum 23 muß beim Einleiten des Wasserstoffs aus Sicherheitsgründen eine Temperatur von mindestens 500⁰C herrschen, damit eine kontinuierliche Verbrennung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen gewährleistet ist An diesen Verbrennungsraum schließt sich ein Quellenofen 24 an, dessen Durchmesser etwas kleiner oder gleich groß ist wie der Durchmesser des nachfolgenden Hauptofens 25. Im Quellenofen 24 befindet sich Galliumoxid 26- Im Hmiptpfen 25 befinden sich zu diffundierende S jliüiumscheiben.
Nachfolgend wird das Verfahren erläutert:
For die offene GalliunvDiffusion werden nur trockene Gase (O₂, H₂, N?) benutzt- Die zur Steuerung der Konzentration des Galliums erforderliche Anfeuchtung des Wasserstoffs wird durch genau dosiertes Beimischen kleiner Mengen von Sauerstoff und durch die Verbrennung des Gemisches erreicht

to Bei der Gallium-Diffusion handelt es sich um eine Diffusion im offenen Rohr, d. h, ein Evakuieren ist nicht erforderlich. Dazu dient der aus dem Quellenofen 24 mit einer Temperatur von z.B. 950⁰C und dem Hauptofen 25 mit z.B. 1250⁰C bestehende Diffusionsofen. Zur

is Dotierung verwendet man Ga₂Oi welches bei der angegebenen Temperatur im Quellenofen 24 praktisch nicht flüchtig ist Durch Reduktion mit Wasserstoff nach der Gleichung '

Ga₂C₃ + 2H₂ —> Ga₂O + 2H₂O

kann man es in ein flüchtiges Suboxid Gr₂O überführen, welches durch den Wasserstoffstrom mitgenommen und an die Siliziumscheiben herangebracht wird. Aufgrund des Massenwirkungsgesetzes läßt sich das Reaktionsgleichg-.'wicht durch das auf die oben beschriebenene Weise erfolgende Befeuchten des Wasserstoffs steuern. Der Dampfdruck /*des Gallium-Suboxids ist nämlich im thermischen Gleichgewicht

wobei it eine Konstante ist

j> Kennt man diese Zusammenhänge, so ist es nach einer Art Superpositionsverfahren möglich, komplizierte Doppelprofile nach Vorgabe bestimmter Kenndaten der Profile, z. B. Diffusionstiefe und -gradient, zu erzeugen. Entsprechende Angaben finden sich im vorgenannten Forschungsbericht

Die Anordnungen nach F i g. 1 und 2 erfüllen die Anlorderungen an eine Gallium-Diffusion im offenen Rohr mit leichter Steuerungsmöglichkeit. Die Meßpunkte in F i g. 3 zeigen, daß und wie durch Veränderung des Sauerstoff-Anteils bei festgehaltenem Wasserstoff-Anteii die Gallium-Konzentration q> an der Oberfläche der Siliziumscheibe verändert wird. In Fortführung der Überlegungen von Wagner und Povilonis ist die Konzentration q> gegeben durch die im

so Anspruch 4 angeführte Formel für ca.

Beim vorgenannten Beispiel mit einer Temperatur des Quellenofens von 950⁰C und des Hauptofens von 1250⁰C und einem Wasserstoff-Gasstrom von ca. 2/50 rrl/min entspricht in der F i g. 3 die durchgezogene Kurve einem Wert der beiden Konstanten von £= 1,033 · 10¹⁶ Atc;ne/cm³undn=l,64.

Man sieht, daß die Meßpunkte sehr gut der Formel folgen. Durch Hinzumischen von Stickstoff zu dem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch kann man die Konzentratiofi <* gegenüber den Werten der F i g. 3 herabsetzen (Verdünnung des Trägergases).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur GaJJium-Potierung von Silicium-Scheiben, wobei im offenen Rohr eines DifJusiönsofens ein Wasserstöffstrom, dem Wasserdampf zugemischt wird, Über Galliumöxid (Ga^) und anschließend fiber die Silicium-Schefben geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdampf-Menge dadurch gesteuert wird, daß dem trockenen Wasserstoffstrom kleine Mengen Sauerstoff dosiert zugemischt und das Gemisch teilweise verbrannt wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasgemisch Stickstoff zugemischt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffstrom konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Gallium-Konzentration es an der Oberfläche der Silicium-Scheibe die Gasströme