DE2931432A1

DE2931432A1 - Eindiffundieren von aluminium in einem offenen rohr

Info

Publication number: DE2931432A1
Application number: DE19792931432
Authority: DE
Inventors: Mike Fushing Chang; Alfred Roesch
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-08-02
Publication date: 1980-03-20
Also published as: GB2034113A; JPS6119101B2; GB2034113B; US4235650A; DE2931432C2; JPS5548925A; FR2435817B1; FR2435817A1

Description

Eindiffundieren von Aluminium in einem offenen Rohr

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die -Herstellung von Halbleiter-Bauelementen und -Bauelementanordnungen und insbesondere auf ein Verfahren⁷zur Bildung einer Region vom p-Leitfähigkeitstyp durch Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat in einem Diffusionsprozeß, der in einem offenen Rohr durchgeführt wird.

Die Anwendung der Diffusion für die Bildung von dotierten Halbleiterregionen in Scheiben bzw. Plättchen mit Eigenleitung oder in Scheiben bzw. Plättchen, die zuvor dotiert worden sind, ist in der Industrie sehr weit verbreitet bzw. allgegenwärtig. Zur Bildung von Halbleiterregionen vom p- und vom η-Typ v/erden viele verschiedene diffundierende Materialien, die nachstehend 'als Diffusionsmaterialien bezeichnet werden, eingesetzt. Zu diesen gehört Bor, und zwar insbesondere für die Bildung von Regionen vom p-Typ. Bor ist in vieler Hinsicht zufriedenstellend; wenn es in Silicium hineindiffundiert wird, geht die Diffusion des Bors jedoch selbst bei relativ

Deutsche Bank (München) Kto. 51/6107G

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' hohen Temperaturen, wie sie üblicherweise angewandt werden/ z. B. bei 1250 ⁰C, auffällig langsam vor sich. Noch höhere Temperaturen würden zu einer schnelleren Diffusion führen, solche Temperaturen sind jedoch zu vermeiden, wenn vertretbare Ausbeuten gewünscht werden, da die"Scheiben bei höheren Temperaturen in verstärktem Maße beschädigt werden.

Es ist bekannt, daß Aluminium als Diffusionsmaterial 1" insofern wünschenswert ist, als damit Übergangszonen

hoher Qualität gebildet werden können, die in der Lage sind, hohen Sperrspannungen zu widerstehen. Zusätzlich ist Aluminium in bezug auf Silicium ein relativ schnelles Diffusionsmaterial, und durch den Einsatz von Aluminium '** können im Vergleich zu bekannten Verfahren beträchtliche Zeitersparnisse erzielt werden.

Aluminium ist mit einigem Erfolg bei Diffusionsprozessen eingesetzt worden, die in einem verschlossenen

Rohr durchgeführt werden. Für Anwendungen, bei denen niedrige Kosten besonders wichtig sind, ist die in einem

- verschlossenen Rohr durchgeführte Diffusion zu vermeiden. Die Kosten für das öffnen eines verschlossenen Rohrs

" nach jedem Diffusionsvorgang sowie für das Verschließen nc

und Evakuieren desRohrs vor der Diffusion sind im allgemeinen wesentlich höher als bei der Diffusion in einem offenen Rohr. Außerdem war die Diffusion von Aluminium in einem verschlossenen Rohr hinsichtlich ihrer Anwendung

- beschränkt, weil sie nur relativ niedrige Oberflächen-

Fremdstoffkonzentrationen in der Größenordnung von 10 Atomen/cm³ oder einer ähnlichen Größenordnung ergab. Solch niedrige Konzentrationen sind für viele Anwendungszwecke unannehmbar, weshalb die Diffusion von Aluminium bisher noch nicht als Herstellungsverfahren angewandt worden ist.

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■■' Schon 1956 wurde erkannt (z. B. Miller und Savage, "Diffusion of Aluminum in Single Crystal Silicon", Journal of Applied Physics, Vol. 27, No. 12), daß für die Diffusion in Silicium Aluminium anscheinend das schnellste Diffusionsmaterial unter den Elementen der Gruppen III und V ist. Weiterhin wurde beobachtet, daß Aluminium während des Diffusionsprozesses mit Quarz reagiert, was zu einem niedrigeren Partialdruck des Aluminiums in dem Diffusionsrohr und dadurch zu

'0 niedrigeren Werten für die höchstmögliche Fremdstoffkonzentration in den Scheiben führt, in die das Aluminium hineindiffundiert wird. Es wurde vorgeschlagen, daß höhere Konzentrationen erhalten werden könnten, indem man verschlossene, innerhalb eines äußeren Diffusions-

'^ rohrs aus Tantal angeordnete, innere Umhüllungen aus Silicium anwendet und weiterhin das Diffusionsrohr aus Tantal mit einem in einem Diffusionsofen befindlichen Quarzrohr umschließt. Dieses Vielröhren -verfahren war anscheinend in der Hinsicht erfolgreich, daß es bei einem

unter Verwendung von Aluminium in einem geschlossenen Rohr durchgeführten Diffusionsprozeß zu relativ hohen Fremdstoffkonzentrationen führte. Es war jedoch aufgrund der dafür benötigten, komplizierten Apparatur relativ teuer. Seither wurde von Zeit zu Zeit erkannt, daß die

Diffusion von Aluminium mit einigem Erfolg in einem

geschlossenen;Rohr durchgeführt werden kann (in diesem ■-":.: Zusammenhang sei z. B. auf die US-Patentschriften 33 41 377, 39 14 138 und 40 38 111 hingewiesen). Diese Patentschriften beziehen sich auf die Diffusion von

Aluminium in offenen und geschlossenen Rohren. Sie betreffen jedoch alle nur eine Diffusion aus einer Quelle, die auf die Oberfläche der Scheibe, in die das Aluminium hineindiffundiert werden soll, direkt aufgestrichen oder auf eine andere Weise aufgetragen-worden ist. Das direkte Aufbringen von Aluminium auf die Oberfläche der Scheibe, in die es hineindiffundiert werden

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soll, scheint deshalb notwendig gewesen zu sein, 'weil _;

: Aluminium leicht unter Bildung von stabilen Oxiden oxidiert, die nicht leicht zersetzt werden können, um elementares Aluminium als Diffusionsmaterial zur Verfügung zu stellen. Es scheint, daß Oberflächenkonzentrationen von etwa 10 oder 10 /cm³ erzielt worden sind, jedoch ist keine Lösung der voneinander abhängigen Probleme ersichtlich/ die in der Erreichung einer hohen Oberflächenkonzentration mittels einer vorzugsweise in einem offenen Rohr durchgeführten, kostensparenden bzw. billigen Diffusion bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist demnach ein Verfahren zum Eindiffundieren von Aluminium in eine Silicium- _; '5 scheibe in einem offenen Diffusionsofen bzw. zum Diffundieren von Aluminium in einem-offenen Rohr, und 2war ein Verfahren, bei dem Oberflächenkonzen-

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trationen in der Größenordnung von 10 Atomen/cm³ erzielt werden können; bex dem das Aluminium nicht direkt

auf die Oberfläche der Scheibe, in die es hineindiffundiert werden soll, aufgebracht werden muß; das zur Erzielung ■ höherer Ausbeuten bei einer im Vergleich zu bisher bei bekannten Diffusionsverfahren anwendbaren Temperaturen etwas niedrigeren Temperatur durchgeführt werden kann und bei dem eine wiederverwendbare Quelle für das Diffusionsmaterial eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein in einem offenen Röhr

durchgeführtes Verfahren zum Diffundieren von Aluminium

gelöst, bei dem die Scheiben bzw.. Plättchen, in die das Aluminium hineindiffundiert werden soll ("Target-" scheiben", nachstehend als "zu dotierende Scheiben" bezeichnet), zusammen mit einer Aluminiumquelle, die körperlich von den zu dotierenden Scheiben entfernt, d. h. nicht auf deren Oberfläche aufgebracht ist, in einen Diffusionsofen hineingebracht werden. Diese

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"entfernten Quellen" können in verschiedenen alternativen "-Formen eingesetzt werden. Beispiele für die Quellen sind elementares Aluminium, das z. B. in einem Tiegel aus einem inerten Material oder einem ähnlichen Behälter angeordnet ist, Scheiben aus Aluminiumlegierung,

in die alternierend ohne gegenseitige Berührung zu dotierende Scheiben eingeschichtet sind, mit Aluminium überzogene bzw. beschichtete Scheiben, in die alternierend ohne gegenseitige Berührung zu dotierende Scheiben '" eingeschichtet sind und mit Aluminium dotierte Scheiben aus z. B. Silicium, in die alternierend ohne gegenseitige Berührung zu dotierende Scheiben eingeschichtet sind.

Ein Strom von im wesentlichen sauerstoffreiem Inertgas wird in ein Ende des offenen Diffusionsrohrs eingeführt und aus dem anderen Ende ausgetrieben, wobei das Gas als Medium für den Transport von Aluminiumdampf von der Quelle zu der zu dotierenden Scheibe dient. Eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1 1/min

bis 2 l/min wird bevorzugt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann Argon mit einer bevorzugten Strömungsgeschwindigkeit von 2 l/min bis 3 l/min als Trägergas eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme

auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

_f u

fahrens.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung für die Durch- : _- führung einer alternativen Ausführungs- ~ form des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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• Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1, in der eine Vorrichtung für dessen Durchführung gezeigt wird, näher erläutert. Eine Umhüllung 12, die geeigneterweise zylindrisch sein und aus Quarz oder Silicium bestehen kann, wird innerhalb einer Heizvorrichtung 14 angeordnet. Durch die Kombination der Umhüllung bzw. des Rohrs 12 mit der Heizvorrichtung 14 wird ein Ofen 15 von dem Typ gebildet, der üblicherweise zur Durchführung eines Diffusions-'""■ prozesses auf dem Gebiet der Halbleitertechnik eingesetzt wird, und der Ofen bildet als solcher keinen besonderen Teil der Erfindung. :

Das Rohr 12 weist ein erstes und ein zweites offenes = '^ Ende auf, die mit Verbindungsmuffen bzw. -elementen

16 bzw. 18 für die Verbindung mit der Gasquelle 20 : bzw. für das Ablassen von Gas aus dem Rohr verbunden sind. Die Verbindungsmuffen bzw. -elemente 16 und 18 sind von ähnlich aussehenden, zum Verschließen dienenden ;

Verbindungsmuffen in einer Diffusionsvorrichtung mit geschlossenem Rohr zu unterscheiden, die den Zweck haben, das Evakuieren eines Diffusionsrohrs auf einen niedrigen Druck zu erlauben. Die Funktion der Verbindungsmuffen 16 und 18 besteht darin, daß während der für die Durch-

führung des neuen, erfindungsgemäßen Diffusionsverfahrens_: ·

: erforderlichen Erhitzung ein kontinuierlicher Strom eines Gases oder Gasgemisches mit einer vorgewählten Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohr 12 zur Verfügung gestellt wird. Die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit des Gases: r durch das offene Diffusionsrohr 12 hängt vom Durchmesser des Rohres ab. Bei einem Rohr mit einem Innendurchmesser " von etwa 100 mm führt eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases von mindestens 1 l/min und vorzugsweise 2 l/min bis 3 l/min zu guten Ergebnissen. Selbstverständlich kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases für den Fall, daß größere oder kleinere Rohre verwendet werden,

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zum Ausgleich der Veränderung in der Rohrgröße abge- . ändert werden. ^:

Die Gasquelle 20 steht mit der Einlaßöffnung 25 der Verbindungsmuffe 16 in Verbindung, um den erforderlichen, aus Gas oder Gasen bestehenden Strom zur Verfügung zu stellen. Die Reguliervorrichtung 22 kann Gasquellen für die Versorgung mit jedem der nachstehend beschriebenen Bestandteile des Gasstroms enthalten oder mit solchen Gasquellen verbunden sein.

Vorzugsweise sind für jedes Gas, aus dem der Gasstrom gebildet wird, eine getrennte Gasquelle und eine getrennte Gasstrom-Reguliervorrichtung vorgesehen. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann es erwünscht sein, eine einzige Quelle von vorgemischtem Gas und eine einzige Reguliervorrichtung vorzusehen. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einziges Gas eingesetzt, weshalb nur eine einzige Reguliervorrichtung und eine einzige

^O Gasquelle erforderlich sind.

Eine Vielzahl von zu dotierenden Halbleiterscheiben 24, in die Aluminium hineindiffundiert werden soll, wird in einer Haltevorrichtung bzw. einem Schiffchen bzw. "Boot" 26 angeordnet. Die Scheiben werden in dem Boot vorzugsweise parallel zu dem durch das Rohr 12 fließenden Gasstrom ausgerichtet, damit das Gas an den exponierten Oberflächen, der zu dotierenden Scheiben Fremdstoffatome vorbeitragen kann. Die Scheiben sollten

sich vorzugsweise in einem Abstand voneinander befinden, der dazu ausreicht, daß das Gas dazwischenströmen kann. ' Es wurde gefunden, daß ein Abstand von etwa 7,14 mm zwischen den Scheiben zu einer ausreichenden Strömung

des Gases über die Scheibenoberflächen führt. 35

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' Eine Quelle 28 von Fremdstoffatomen wird innerhalb des Rohres zwischen der Verbindungsmuffe 16 und den Scheiben 24 angeordnet. Geeigneterweise sollte eine Quelle von festem Aluminium eingesetzt werden, die sich innerhalb eines Tiegels 30 oder eines anderen

Behälters befindet, der der bei der Diffusion angewandten Hitze widersteht und während der Diffusion keine unerwünschten Verunreinigungen in den Gasstrom einführt. Dem Fachmann sind viele zufriedenstellende Materialien ' . für einen solchen Behälter bekannt, man fand jedoch,_ daß.vorteilhafterweise ein Saphirtiegel verwendet wird. Saphir wird wegen seines hohen Schmelzpunktes und seines Reinheitsgrades bevorzugt. Aufgrund seiner Reinheit ist es möglich, Saphir einzusetzen, ohne daß während der Diffusion unerwünschte Verunreinigungen in den Gasstrom eingeführt werden.

Es wird vorzugsweise vermieden, die Scheiben einem

raschen Temperaturzyklus zu. unterziehen. Die Heizvor-

richtung 14 wird daher üblicherweise in Betrieb gesetzt, _:

um das Rohr 12 nach dem Hineinbringen der Scheiben in dieses Rohr auf die Diffusionstemperatur zu erhitzen.

Die Scheiben können in den Abschnitt mit der er—

höhten Temperatur eingeführt werden, indem man sie in das Boot 26 stellt und das Boot in das Rohr hineinschiebt, z.B. indem man die Verbindungsmuffe 18 vom stromab befindlichen Ende¹ des Rohrs 12 entfernt,

das mit den Scheiben beladene Boot in das Ende des i

Rohrs einführt und die Verbindungsmuffe 18 wieder anbringt.

Normalerweise ist es nicht notwendig, die Quelle 28 des festen Aluminiums nach der Bearbeitung jeder Gruppe von Scheiben zu ersetzen, wodurch eine sehr

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' wirtschaftliche Bearbeitung einer relativ großen Anzahl von zu dotierenden Scheiben erreicht wird. Die Quelle 28 wird normalerweise wieder aufgefüllt, wenn sie nicht mehr genügend Aluminiumdampf zur Herstellung der gewünschten Fremdstoffkonzentration in den zu dotierenden Scheiben liefert.

Nach einer geeigneten Zeitdauer für die Diffusion, wobei diese Zeitdauer von den Eigenschaften bzw. Merkmalen '^ der Region abhängt, deren Bildung mittels der Diffusion gewünscht wird, wird das Boot 26 aus dem Ofen 15 herausgezogen, und die fertigen Scheiben 24 werden nach dem Abkühlen entfernt. Nun kann eine neue Charge von zu dotierenden Scheiben in den Ofen eingeführt werden, ohne daß weiter darauf geachtet wird, daß das Rohr offen ist.

In Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Ofen 15 auf 1200 ⁰C

erhitzt. In einem Rohr aus Quarz oder Silicium mit einem Innendurchmesser von 100 mm wird ein Strom von im wesentlichen reinem Argon mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 1/min und 3 l/min>eingestellt. Die Gegenwart V von Sauerstoff in dem Gasstrom ist ausdrücklich zu

vermeiden. Scheiben aus Silicium mit einem spezifischen

; Widerstand von etwa 100 ft cm vom n-Leitfähigkeitstyp, das durch tiegelfreies Zonenschmelzen hergestellt wurde, werden zusammen mit etwa 20 g elementarem Aluminium in das Diffusionsrohr eingeführt. Der Diffusionsprozeß wird etwa 35 h lang durchgeführt. Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird eine Scheibe hergestellt, die eine- Oberflächenschicht vom p-Leitfähigkeitstyp aufweist. Diese Oberflächenschicht hat eine Oberflächen-Fremdstoffkonzentration zwischen mindestens IT 18

10 und etwa 10 Atomen/cm³ und eine Tiefe von etwa 7O \im und bildet mit dem Körper der Scheibe einen Hochspannungs-p-n-übergang hoher Qualität. Die Bildung des

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' ' ' . - - ~ 15 - B 9792

' gleichen allgemeinen Typs einer Region nach einem' bekannten Verfahren unter Verwendung von z. B. Bor als Diffusionsmaterial· würde die 3- bis_ 4-fache Zeit erfordern; außerdem würden die Eigenschaften der

.5 Ubergangszorie, insbesondere die Fähigkeit, einer hohen Sperrspannung zu widerstehen, geringwertiger bzw. minderwertig sein. Zwar wird bei der vorstehend be- : schriebenen, beispielhaften Ausführüngsform der Erfindung im wesentlichen reines Argon eingesetzt, jedoch können

'" auch andere Gase verwendet werden. Zusätzlich zu den Inertgasen, die sonst nach dem Stand der Technik für die Diffusion in einem offenen Rohr geeignet sind, können Gase eingesetzt werden, die nicht im strengen Sinne inert sind, die aber nicht mit Aluminium reagieren

'^ und keine unerwünschten Verunreinigungen,

die entweder mit den zu dotierenden Halbleiterscheiben : reagieren oder in die Scheiben hineindiffundieren, einführen.

Man fand, daß Stickstoff erfindungsgemäß zu guten - Ergebnissen führt, und es sei angemerkt, daß "inert" im Rahmen dieser Beschreibung inert in bezug auf den Halbleiter und auf Aluminium und nicht notwendigerweise inert in bezug auf alle Elemente bedeutetr

Eine Vorrichtung-zur Durchführung einer alternativen

Aus führüngs form der Erfindung wird in JFJLg. 2 gezeigt.

Die Vorrichtung von Fig. 2 ähnelt in vieler Hinsicht der Vorrichtung von Fig. 1, weshalb gleichen Elementen in den Figuren gleiche Bezugsziffern gegeben wurden.

- Die Unterschiede zwischen Fig. - 1- und Fig. 2 bestehen

in der Anordnung der zu dotierenden Scheiben innerhalb des Rohrs 12 und in der Natur der Quelle für die zur Dotierung dienenden Aluminiumatome . Das Boot-40 trägt eine Vielzahl von Quellenscheiben 42 und eine gleiche Vielzahl von zu dotierenden Scheiben 44. Die Scheiben können innerhalb des Rohrs 12 im wesentlichen

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senkrecht zum Gasstrom angeordnet sein, und die ; zu dotierenden Scheiben befinden sich voneinander und von den Quellenscheiben in einem Abstand, der dazu ausreicht, um das Auftreten eines Gasstroms zwisehen den einzelnen Scheiben zu gewährleisten. Man fand, daß ein Abstand zwischen etwa 4,76 mm und 11,91 mm zu guten Ergebnissen führt. Obwohl unter Anwendung einer in bezug auf den Gasstrom senkrechten Ausrichtung der Geheiben eine größere Anzahl von Scheiben gleichzeitig bearbeitet v/erden kann, kann natürlich auch die vorstehend beschriebene, in bezug auf den Gasstrom parallele Ausrichtung der Scheiben angewandt werden. Die zu dotierenden Scheiben 44 sind in jeder Hinsicht mit den zu dotierenden Scheiben 24 von Fig. 1 identisch. Die Quellenscheiben 42 werden anstelle der Quelle für festes Aluminium 28 eingesetzt. Die Quellenscheiben 42 können eine aus einer Vielzahl von Formen ausgewählte Form annehmen. Die Quellenscheiben 42 werden vorzugsweise aus aluminiumhaltigem Silicium gebildet,

™ um ihre Kosten so niedrig wie möglich zu halten.

Das Aluminium wird vorzugsweise während der Bildung der Scheiben hinzugegeben, indem man zu dem geschmolzenen Silicium in der Schmelze Aluminium hinzufügt, bevor der Barren herausgezogen wird, aus dem die Scheiben - 42 geschnitten werden. Dieses Verfahren zum Hinzufügen von Fremdstoff atomen zu Eirikristall-Silicium ist allgemein bekannt. Die Menge des in den Quellenscheiben vorhandenen Aluminiums sollte vorzugsweise ausreichen, um nach der Diffusion die gewünschte, höchstmögliche

Fremdstoffkonzentration der zu dotierenden Scheiben

zur Verfügung zu stellen. Es wurde festgestellt, daß " durch Silicium-Quellenscheiben, in denen ein Maximalwert der Aluminiumkonzentration im Bereich von etwa 1 R 0 Π

10 bis 10 Atomen/cm³ vorliegt, die für die Diffusion

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderliche Menge an Aluminium zur Verfügung gestellt wird. Mit Aluminium

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dotierte Silicium-Quellenscheiben, wie sie beschrieben worden sind, können wiederholt eingesetzt werden, bis das in ihnen vorhandene Aluminium in einem solchen Ausmaß verbraucht bzw. erschöpft ist, daß keine ausreichenden Konzentrationen in der Oberfläche der zu dotierenden Scheiben mehr erhalten werden können. Oft ist es wünschenswert, die Quellenscheiben nach jedem Diffusionsprozeß zu reinigen, damit in fortgesetzter Weise Oberflächen-Fremdstoffkonzentrationen erhalten werden, die den gleichen Wert haben wie die mit neuen Quellenscheiben erhaltenen Oberflächen-Fremdstoff konzentrat ionen. Im allgemeinen führt die Ätzung in Salzsäure oder Königswasser zu einer ausreichenden

Reinigung der Quellenscheiben.
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In Übereinstimmung mit einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung können Quellenscheiben mit legiertem Aluminium vorgesehen werden, bei denen es sich um Scheiben auf der Basis von Silicium oder _- auf einer anderen, ähnlichen Basis handelt, auf denen eine Schicht aus legiertem Aluminium vorgesehen ist, die während des erfindungsgemäßen Verfahrens der : Diffusion von Aluminium in einem offenen Rohr Aluminium- : atome freisetzt. Siliciumscheiben mit legiertem Alu- - minium können gebildet werden, indem man auf die Oberfläche von Siliciumscheiben Aluminium plattiert und die Scheiben zur Bildung einer Legierung aus dem Aluminium und dem Silicium auf eine Temperatur von etwa 1000 °C erhitzt. Durch legierte Quellenscheiben

wird eine Quelle für Aluminium zur Verfügung gestellt, das während des erfindungsgemäßen Verfahrens der Diffusion in einem offenen Rohr leicht freigesetzt wird. ;

Für alle vorstehend beschriebenen Aluminiumquellen,

sowohl für die elementare Quelle, die sich stromauf

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von den zu dotierenden Scheiben in einem inerten Tiegel befindet, als auch für die Quellenscheiben, die sich in einem Boot befinden und in die alternierend ohne gegenseitige Berührung zu dotierende Scheiben eingeschichtet sind, ist es kennzeichnend, daß sie von den zu dotierenden Scheiben entfernt sind und daß es nicht notwendig ist, auf die Oberfläche der zu dotierenden Scheibe ein dotierungsmittelhaltiges Material aufzubringen und damit einen Prozeß durchzuführen, der sowohl zeitraubend als auch kostspielig ist.

Jede der beiden vorstehend erläuterten, alternativen Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht die Erzielung von höchstmöglichen Fremdstoffkonzentrationen in der Größenordnung zwischen etwa 10 und 10 Atomen/cm³ in einer Zeitdauer, die im Vergleich mit den Zeiten, die bisher zur Erzeugung ähnlicher Fremdstoffkonzentrationen unter Verwendung von Bor oder ähnlichen Materialien erforderlich waren, relativ kurz ist. Wenn es erwünscht ist, die Oberflächen-Fremdstoffkonzentration zu vermindern und dabei trotzdem eine tiefe Diffusion zu erzielen, wird erfindungsgemäß wünschenswerterweise eine geringe Menge von Sauerstoff eingeführt, die zwischen etwa 0 und etwa 1 % und vorzugsweise zwischen O und etwa 0,5 %, bezogen auf den Gasstrom, liegt, wobei durch Erhöhung der Sauerstoffmenge die höchstmögliche Fremd-

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stoffkonzentration von etwa 5 χ 10 Atomen/cm³ auf etwa 10 Atome/cm³ herabgesetzt werden kann. Durch diesen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Ausmaß

der Anpassungsfähigkeit bzw. Flexibilität des Verfahrens zur Verfügung gestellt, das bei Diffusionsprozessen in offenen oder geschlossenen Rohren bisher nicht erreichbar war. Die höchstmögliche Fremdstoffkonzentration kann zusätzlich verändert werden, indem man die Konzen-

tration des Aluminiums in der Quelle oder den Quellenscheiben variiert.

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' Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Zeitvorteils, der durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt wird. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß z. B. eine Diffusion, durch die in einer Scheibe eine Region mit einer Tiefe von zwischen etwa 102 und 114 μια gebildet wird, unter Verwendung von Bor als Dotierungsmittel etwa 160 h lang dauern würde, während diese Diffusion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in etwa 45 h erzielt werden kann. In ähnlicher Weise ~ kann eine Diffusion, die unterVerwendung von Bor etwa 230 h lang dauern würde, erf induiigsgemäß in etwa 75 h erzielt werden. Diese Zeiten beziehen sich auf eine nur von einer einzigen Oberfläche aus erfolgende Diffusion, und es versteht sich von selbst, daß Diffusionen, die sich vollständig durch eine Scheibe hindurch erstrecken, in der Halfte der Zeit, die: . für eine von einer einzigen Oberfläche aus erfolgende_ Diffusion benötigt wird, durchgeführt werden können, wenn sie gleichzeitig von beiden Seiten aus erfolgen.

Eine beträchtliche Zeitersparnis ist:offensichtlich. Die Erfindung kann besonders wichtig sein,: wenn die : Bildung von Regionen vom p-Typ mit einer beträchtlichen Dicke in Hochleistungs-Bauelementen oder Hochleistungs-Bauelementanordnungen gewünscht wird. Aus der graphischen

nc '.

^ΔΟ Darstellung geht hervor, daß zur Bildung einer diffundierten Region mit einer Dicke von etwa 178 μϊπ in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren mehr als 400 h er- _ forderlich sind, während dies durch Diffusion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Zeitdauer-erreicht

wird, die kürzer ist als die gegenwärtig für die Bildung von ähnlichen diffundierten Regionen mit einer näher bei 102 μήι liegenden Dicke erforderliche Zeit.

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Claims

Patentansprüche - ._

1. Verfahren zum Eindiffundieren von Aluminium in eine Halbleiter-Scheibe, gekennzeichnet durch folgen-. -de Schritte:
"_.";;

Anordnen der Halbleiter-Scheibe innerhalb eines offenen Diffusionsrohres,

Anordnen einer Äluminiumquelle in dem Diffusionsrohr in der Weise, daß sich die Aluminiumquelle in einem Abstand von der Halbleiter-Scheibe befindet,

Hindurchleiten eines nichtoxidierenden Inertgasstroms durch das Diffusionsrohr mit einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 1=l/min und

Erhitzen des Diffusionsrohres auf eine Temperatur, die dazu ausreicht, daß in dem Diffusionsrohr Aluminium- '_ dampf gebildet wird und Aluminiumatome zum Hineindiffundieren in die Halbleiter-Scheibe veranlaßt werden.

:_"■ ; 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle eine wiederverwendbare Aluminiumquelle enthält. ; :

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- ^z net, daß die Geschwindigkeit des Inertgasstroms zwischen etwa 2 l/min und 3 l/min liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle eine Quelle von elementarem Aluminium enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle stromauf in bezug auf die Halbleiter-Scheibe angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium gleichzeitig in eine Vielzahl von Halbleiter-Scheiben hineindiffundiert wird, wobei die Aluminiumquelle eine scheibenförmige Aluminiumquelle enthält und wobei die Halbleiter-Scheiben und die scheibenförmigen Aluminiumque11en in alternierender Weise angeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- - net, daß die scheibenförmige Aluminiumquelle eine mit Aluminium beschichtete Siliciumscheibe enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Aluminiumquelle eine Aluminium als Fremdstoff aufweisende Siliciumscheibe enthält.

^ου 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Aluminiumquelle ■ eine scheibenförmige Quelle einer Aluminiumlegierung enthält. _

10. Verfahren zur Bildung einer Region vom p-Leit-

fähigkeitstyp in einer Halbleiter-Scheibe vom n-Leitfähigkeitstyp, dadurch gekennzeichnet, daß man

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T . die Halbleiter-Scheibe in einem offenen, nicht verschlossenen Diffusionsrohr anordnet,

in dem Diffusionsrohr einen Inertgasstrom mit einer Geschwindigkeit strömen läßt, die dazu ausreicht, daß die Atmosphäre der Umgebung im wesentlichen daran gehindert wird, in das Diffusionsrohr einzudringen,

zwischen der Halbleiter-Scheibe und der Quelle des Gasstroras eine Aluminiumquelle anordnet und

die Halbleiter-Scheibe und die Aluminiumquelle innerhalb des Diffusionsrohres auf eine Temperatur erhitzt, die dazu ausreicht, daß Aluminium in die Halbleiter-Scheibe hineindiffundiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Inertga°sstroms mindestens 1 l/min pro 100 mm Innendurchmesser des Diffusionsrohres beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch= 11 , dadurch gekenn-

- zeichnet, daß der Inertgasstrom einen Strom eines aus Argon und Stickstoff ausgewählten Gases enthält.

; ;

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn- ₌ zeichnet, daß die Aluminiumquelle" eine Quelle von elementarem Aluminium enthält. ~

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle eine scheibenförmige _ " - : Aluminiumquelle enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn-

zeichnet, daß das Aluminium gleichzeitig in eine Vielzahl von Halbleiter-Scheiben hineindiffundiert wird, wobei die Vielzahl von Halbleiter-Scheiben alternierend mit einer Vielzahl von scheibenförmigen Aluminiumquel-

^: : -.:.-:. 030012/0626

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' len angeordnet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumquelle und die Halbleiter-Scheibe erhitzt, bis in der Halbleiter-Scheibe eine

1 Oberflächen-Fremdstoffkonzentration von mindestens Atomen/cm³ erhalten worden ist.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumquelle und die Halbleiter-Scheibe erhitzt, bis in der Halbleiter-Scheibe eine Ober-

1 8 flächen-Fremdstoffkonzentration von mindestens 10 Atomen/cm³ erhalten worden ist.

'5 18. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumquelle und die Halbleiter-Scheibe erhitzt, bis in der Halbleiter-Scheibe eine Oberflächen-Fremdstoffkonzentration von mindestens

1 9

10 Atomen/cm³ erhalten worden ist.

19. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Diffundieren zumindest teilweise behindert bzw. hemmt, indem man in den Inertgasstrom Sauerstoff in einer Menge zwischen etwa 0 und etwa

0,5 Vol.-%, bezogen auf den Inertgasstrom, einführte

20. Verfahren nach Anspruch 1O, dadurch gekennzeichnet, daß die Altirciniumquelle eine Scheibe eines mit Aluminium dotierten Halbleitermaterials enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle eine Scheibe eines Halbleitermaterials mit einer Oberfläche enthält, auf die eine Schicht von Aluminium legiert worden ist.

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; - 5 - : _ -■ . B 9792

' 22. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle eine Scheibe eines Halbleitermaterials enthält, in die Aluminium hinein-

diffundiert worden" ist. - _ :

23. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumquelle eine Substratscheibe enthält, auf die eine Schicht von Aluminium plattiert worden ist. -

^; ;

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleitersubstrat

25^ Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Silicium ist.

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