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Die Erfindung bezieht sich auf ein Diffusionsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Diffusionsverfahren dieser Art ist aus der DE-OS 15 44 245 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden zunächst Scheibchen eines Dotierungsmaterials wie Bor, Gallium, Indium oder Aluminium hergestellt. Hierzu wird entweder ein Nitrid des verwendeten Dotierungsmaterials einer Oberflächenoxydierung ausgesetzt, oder es werden Scheibchen aus dem reinen Metalloxyd verwendet. In einem zweiten, davon völlig getrennten Verfahrensschritt werden diese Metalloxydscheibchen abwechselnd mit Halbleiterscheiben in einem offenen Rohr angeordnet, das dann von einem nicht oxydierenden bzw. inerten Gas durchströmt und gleichzeitig erhitzt wird. Durch die Erhitzung verdampft das Metalloxyd und schlägt sich auf den Halbscheiben nieder, in die eine Diffusion des zu dotierenden Metalls erfolgt. Die Temperatur und die Dauer der Behandlung legen dabei den Flächenwiderstand fest. Da die Temperatur in den erforderlichen Bereichen nur schwer zu regeln und die Dauer der Behandlung wegen des relativ unbestimmten Erwärmungs- und Abkühlungsvorganges ebenfalls nur ungenau einstellbar ist, wird der gewünschte Flächenwiderstand nicht immer exakt erzielt. Darüberhinaus lassen sich bei Verwendung von Metalloxyd nur ungenaue Angaben darüber machen, in welchem Umfang das Metall selbst in die Halbleiterscheiben eindiffundiert. Demzufolge ist es bei diesem bekannten Verfahren nicht möglich, die Eigenschaften der zu dotierenden Halbleiterscheiben genau und reproduzierbar einzustellen.
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Aus der DE-OS 26 44 879 ist ein Verfahren zum Eindiffundieren von Gallium in Silizium bekannt, bei dem Galliumoxyd zunächst gasförmig in ein offenes Rohr eingebracht wird und sich auf Siliziumscheiben niederschlägt, woraufhin durch Einströmen eines reduzierenden Gases, nämlich Kohlenmonoxyd, das Galliumoxyd reduziert wird, so daß das entstehende Gallium in das Silizium eindiffundiert. Bei diesem Verfahren ist es wegen des Reduziervorganges noch schwieriger, die Eigenschaften der Halbleiterscheiben exakt zu bestimmen.
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Schließlich ist es aus der DE-OS 19 31 417 bekannt, in Halbleiterscheiben, die dabei in einem geschlossenen Rohr angeordnet sind, eine doppelte Diffusionsschicht zu erzeugen. Hierzu wird ein zweiter Störstoff in einer Aluminiumfolie, die Aluminium als ersten Störstoff liefert, eingewickelt, woraufhin das auf diese Weise hergestellte Päckchen zusammen mit den zu dotierenden Halbleiterscheiben in das geschlossene Rohr eingebracht wird.
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Durch die Erhitzung verdampft zunächst das Aluminium und diffundiert in die Halbleiterscheiben ein. Danach verdampft der zweite Störstoff und diffundiert ebenfalls in die Halbleiterscheiben ein. Diffusionsverfahren, die mit geschlossenem Rohr durchgeführt werden, sind jedoch aufwendiger und dauern gewöhnlich länger, als solche, die bei offenem Rohr durchgeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Diffusionsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem die Eigenschaften der zu dotierenden Halbleiterscheiben reproduzierbar gut eingestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst.
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Dadurch, daß erfindungsgemäß als Metallquelle elementares Aluminium oder aluminiumhaltiges Silizium verwendet wird, läßt sich die Menge des in die Halbleiterscheiben eindiffundierten Aluminiums sehr viel genauer als bei Verwendung eines Oxyds einstellen. Durch die gesteuerte Zufuhr von Sauerstoff zu dem inerten Gasstrom in einem Bereich zwischen 0 und 1% kann die Diffusion des Aluminiums gezielt behindert werden, so daß es nicht nur möglich ist, den Gesamtdiffusionsgrad genau einzustellen, sondern auch das Diffusionsprofil. Durch letzteres kann beispielsweise erreicht werden, daß sich eine ganz gleichmäßige Diffusionsrate über die Diffusionstiefe einstellt. Es können unterschiedliche Gradienten eingestellt werden, die je nach Wunsch linear oder nicht linear sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Eigenschaften der Halbleiterscheiben in weiten Bereichen zu varrieren. Da die Steuerung der Sauerstoffzufuhr ohne Schwierigkeiten sehr genau erfolgen kann, ist das erfindungsgemäße Diffusionsverfahren auch stets gut reproduzierbar.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 eine erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Diffusionsverfahrens,
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Fig. 2 eine zweite Vorrichtung zur Durchführung des Diffusionsverfahrens, und
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Fig. 3 eine Gegenüberstellung der Dauer des erfindungsgemäßen Diffusionsverfahrens zur Dauer eines herkömmlichen Diffusionsverfahrens.
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Das erfindungsgemäße Diffusionsverfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1, in der eine Vorrichtung für dessen Durchführung gezeigt wird, näher erläutert. Ein offenes Rohr 12, das z. B. zylindrisch ist und aus Quarz oder Silizium bestehen kann, wird innerhalb einer Heizvorrichtung 14 angeordnet. Durch die Kombination des Rohrs 12 mit der Heizvorrichtung 14 wird ein Ofen 15 gebildet, wie er üblicherweise zur Durchführung eines Diffusionsprozesses auf dem Gebiet der Halbleitertechnik eingesetzt wird. Der Ofen bildet als solcher keinen besonderen Teil der Erfindung.
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Das Rohr 12 weist ein erstes und ein zweites offenes Ende auf, die mit Verbindungselementen 16 bzw. 18 für den Anschluß einer Gasquelle 20 bzw. für das Ableiten von Gas aus dem Rohr verbunden sind. Die Verbindungselemente 16 und 18 sind von ähnlich aussehenden, zum Verschließen dienenden Verbindungselementen in einer Diffusionsvorrichtung mit geschlossenem Rohr zu unterscheiden, die dort den Zweck haben, das Evakuieren eines Diffusionsrohrs auf einen niedrigen Druck zu ermöglichen. Die Funktion der Verbindungselemente 16 und 18 besteht hingegen darin, während der für die Durchführung des Diffusionsverfahrens erforderlichen Erhitzung einen kontinuierlichen Strom eines Gases oder Gasgemisches mit einer vorgewählten Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohr 12 zu erzeugen. Die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch das offene Rohr 12 hängt von dessen Durchmesser 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, zum Ausgleich der geänderten Rohrgröße ebenfalls geändert werden.
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Die Gasquelle 20 steht mit einer Einlaßöffnung 25 des Verbindungselements 16 in Verbindung, um den erforderlichen Strom zur Verfügung zu stellen. Die Reguliervorrichtung 22 kann Gasquellen für die Versorgung mit jedem der nachstehend beschriebenen Bestandteile des Gases 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 jedoch ein einziges Gas eingesetzt, weshalb nur eine einzige Reguliervorrichtung und eine einzige Gasquelle erforderlich sind.
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Eine Vielzahl von zu dotierenden Silizium-Halbleiterscheiben 24, in die Aluminium hineindiffundiert werden soll, wird in einer Haltevorrichtung bzw. einem Schiffchen 26 angeordnet. Die Scheiben werden in dem Schiffchen 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 gut hindurchströmen 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.
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Eine Aluminiumquelle 28 wird innerhalb des Rohres zwischen dem Verbindungselement 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 ein Saphirtiegel vorteilhaft verwendbar ist. Saphir wird wegen seines hohen Schmelzpunktes und seines Reinheitsgrades bevorzugt. Aufgrund seiner Reinheit werden während der Diffusion keine unerwünschten Verunreinigungen in den Gasstrom eingeführt.
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Es wird vorzugsweise vermieden, die Scheiben einem raschen Temperaturzyklus zu unterziehen. Die Heizvorrichtung 14 wird daher üblicherweise in Betrieb gesetzt, um das Rohr 12 nach dem Hineinbringen der Scheiben in dieses Rohr auf die Diffusionstemperatur zu erhitzen.
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Die Scheiben können in den Abschnitt mit der erhöhten Temperatur eingeführt werden, indem man sie in das Schiffchen 26 stellt und dieses in das Rohr 12 hineinschiebt, z. B. indem man das Verbindungselement 18 vom stromab befindlichen Ende des Rohrs 12 entfernt, das mit den Scheiben beladene Schiffen in das Rohr 12 einführt und das Verbindungselement 18 wieder anbringt.
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Normalerweise ist es nicht notwendig, die Aluminiumquelle 28 nach der Bearbeitung jeder Gruppe von Scheiben zu ersetzen, wodurch eine sehr wirtschaftliche Bearbeitung einer relativ großen Anzahl von zu dotierenden Scheiben erreicht wird. Die Aluminiumquelle 28 wird normalerweise wieder aufgefüllt, wenn sie nicht mehr genügend Alumminiumdampf zur Herstellung der gewünschten Fremdstoffkonzentration in den zu dotierenden Scheiben liefert.
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Nach einer geeigneten Zeitdauer für die Diffusion, die von den gewünschten Eigenschaften der zu dotierenden Region abhängt, wird das Schiffchen 26 aus dem Ofen 15 herausgezogen, und die fertigen Scheiben 24 werden nach dem Abkühlen entfernt. Nun kann eine neue Gruppe von zu dotierenden Scheiben in den Ofen eingeführt werden, ohne daß weiter darauf geachtet wird, daß das Rohr 12 offen ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Ofen 15 auf 1200°C erhitzt. In einem Rohr aus Quarz oder Silizium mit einem Innendurchmesser von 100 mm wird ein Inertgasstrom von im wesentlichen reinem Argon mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 l/min und 3 l/min eingestellt. Scheiben aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 100 Ω 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 1017 und etwa 10 18 Atomen/cm3, eine Tiefe von etwa 70 µm und bildet mit dem Körper der Scheibe einen Hochspannungs-p-n-Übergang hoher Qualität. Die Bildung des gleichen allgemeinen Typs einer Region nach einem bekannten Verfahren unter Verwendung von z. B. Bor als Diffusionsmaterial würde die 3- bis 4fache Zeit erfordern. Außerdem würden die Eigenschaften der Übergangszone, insbesondere die Fähigkeit, einer hohen Sperrspannung zu widerstehen, schlechter sein. Zwar wird bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 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 einführen, die entweder mit den zu dotierenden Halbleiterscheiben reagieren oder in die Scheiben hineindiffundieren. Man fand, daß Stickstoff erfindungsgemäß zu guten Ergebnissen führt. 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 bedeutet.
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Eine alternative Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 gezeigt. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ähnelt in vieler Hinsicht der in Fig. 1 gezeigten, weshalb gleiche Elemente in den Figuren gleiche Bezugszeichen haben. Die Unterschiede zwischen Fig. 1 und Fig. 2 bestehen in der Anordnung der zu dotierenden Scheiben innerhalb des Rohres 12 und in der Art der Aluminiumquelle für die zur Dotierung dienenden Aluminiumatome. Das Schiffchen 40 trägt eine Vielzahl von Quellenscheiben 42 und ebensoviele zu dotierende Scheiben 44. Die Scheiben können innerhalb des Rohrs 12 im wesentlichen senkrecht zum Gasstrom angeordnet sein. Die zu dotierenden Scheiben 44 haben voneinander und zu den Quellenscheiben einen Abstand, der dazu ausreicht, einen geeigneten Gasstrom zwischen 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 Scheiben eine größere Anzahl von Scheiben gleichzeitig bearbeitet werden 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 Aluminiumquelle 28 eingesetzt. Die Quellenscheiben 42 können eine Vielzahl von Formen haben. Die Quellenscheiben 42 werden vorzugsweise aus aluminiumhaltigem Silizium 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 Silizium in der Schmelze Aluminium hinzufügt, bevor der Barren herausgezogen wird, aus dem die Scheiben 42 geschnitten werden. Dieses Verfahren zum Hinzufügen von Fremdstoffatomen zu Einkristall-Silizium ist allgemein bekannt. Die Menge des in den Quellenscheiben 42 vorhandenen Aluminiums sollte vorzugsweise ausreichen, um nach der Diffusion die gewünschte, höchstmögliche Fremdstoffkonzentration der zu dotierenden Scheiben zu erzielen. Es wurde festgestellt, daß durch Silizium-Quellenscheiben, die eine maximale Aluminiumkonzentration im Bereich von etwa 1018 bis 1020 Atomen/cm3 aufweisen, die für die Diffusion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderliche Menge an Aluminium erzielbar ist. Mit Aluminium dotierte Silizium-Quellenscheiben, wie sie beschrieben worden sind, können wiederholt eingesetzt werden, bis das in ihnen vorhandene Aluminium in einem solchen Ausmaß verbraucht ist, daß keine ausreichende Konzentration in der Oberfläche der zu dotierenden Scheiben mehr erzielbar sind. 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-Fremdstoffkonzentrationen. Im allgemeinen führt die Ätzung in Salzsäure oder Königswasser zu einer ausreichenden Reinigung der Quellenscheiben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können Quellenscheiben mit legiertem Aluminium vorgesehen werden, bei denen es sich um Scheiben auf der Basis von Silizium handelt, auf denen eine Schicht aus legiertem Aluminium vorgesehen ist, die während der Diffusion Aluminiumatome freisetzt. Siliziumscheiben mit legiertem Aluminium können gebildet werden, indem man auf die Oberfläche von Siliziumscheiben Aluminium plattiert und die Scheiben zur Bildung einer Aluminium-Silizium-Legierung auf eine Temperatur von etwa 1000°C erhitzt.
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Für alle vorstehend beschriebenen Aluminiumquellen, sowohl für die elementare Quelle, die sich stromauf von den zu dotierenden Scheiben in einem inerten Tiegel befindet, als auch für die Quellenscheiben, die sich in einem Schiffchen befinden und in die alternierend und ohne gegenseitige Berührung zu dotierende Scheiben eingeschichtet sind, ist es wesentlich, 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 wäre.
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Jede der beiden vorstehend erläuterten, alternativen Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglicht es, höchstmögliche Fremdstoffkonzentrationen in einer Größenordnung zwischen etwa 1018 und 1019 Atome/cm3 in einer Zeit zu erzielen, die im Vergleich mit den Zeiten, die bisher zur Erzeugung ähnlicher Fremdstoffkonzentrationen unter Verwendung von Bor oder vergleichbaren Materialien erforderlich waren, relativ kurz ist. Wenn es erwünscht ist, die Oberflächen-Fremdstoffkonzentration zu vermindern und dabei trotzdem eine tiefe Diffusion zu erzielen, wird zur Steuerung des Diffusionsprofils erfindungsgemäß dem Inertgas eine geringe Menge von Sauerstoff beigemengt, die zwischen 0 und 1% und vorzugsweise zwischen 0 und etwa 0,5%, bezogen auf den Gasstrom, liegt. Durch Erhöhung der Sauerstoffmenge kann die höchstmögliche Fremdstoffkonzentration von etwa 5 × 1018 Atomen/cm3 auf etwa 1016 Atome/cm3 herabgesetzt werden. Auf diese Weise kann das Diffusionsprofil in weiten Bereichen gesteuert werden und es wird eine hohe Flexibilität des Verfahrens erreicht, was bei Diffusionsprozessen in offenen oder geschlossenen Rohren bisher nicht erreichbar war. Die höchstmögliche Fremdstoffkonzentration bzw. das Dotierungsprofil kann zusätzlich verändert werden, indem man die Konzentration des Aluminiums in der Quelle oder den Quellenscheiben variiert.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Zeitvorteils, der bei dem erfindungsgemäßen Diffusionsverfahrens erzielt wird. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß z. B. eine Diffusion, durch die in einer Scheibe eine Region mit einer Tiefe von etwa 102 bis 114 µm gebildet wird, unter Verwendung von Bor als Dotierungsmittel etwa 160 h lang dauern würde, während diese Diffusion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach etwa 45 h beendet ist. In ähnlicher Weise kann eine Diffusion, die unter Verwendung von Bor etwa 230 h lang dauern würde, erfindungsgemäß in etwa 75 h erzielt werden. Diese Zeiten beziehen sich auf eine nur von einer einzigen Oberfläche aus erfolgende Diffusion. Es versteht sich von selbst, daß Diffusionen, die sich vollständig durch eine Scheibe hindurch erstrecken, in der Hälfte 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 Darstellung geht hervor, daß zur Bildung eine diffundierten Region mit einer Dicke von etwa 178 µm in Übereinstimmung mit bekannten Verfahren mehr als 400 h erforderlich 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 µm liegenden Dicke erforderliche Zeit.