DE3118785A1 - Verfahren und vorrichtung zum dotieren von halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum dotieren von halbleitermaterial

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Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT & Unser Zeichen Berlin und München VPA
81 P 10 66OE
Verfahren und Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial, bei dem der Dotierstoff in einen Behälter eingebracht und dort mittels eines elektrischen Feldes auf das Halbleitermaterial gerichtet wird; außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie1 auf ein Halbleiterbauelement, das durch ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung dotiert ist.
Halbleiterbauelemente werden bekanntlich hergestellt, indem zunächst in ein Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitfähigkeitstyps einzelne Bereiche des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Dotierung eingebracht sind. Für diese Dotierung werden gewöhnlich Gasdiffusionsprozesse, Ionenimplantation, Paint-on-Verfahren, also ein Dotieren aus Gläsern bzw. aufgetragenen Flüssigkeiten, verwendet. Alle diese bekannten Verfahren sind aber für oberflächennahe, niederohmige Dotierungen, wie sie für pn-Übergänge in Solarzellen oder für eine Rückseitendotierung für kleine Übergangswiderstände angewandt werden, relativ aufwendig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitermaterial anzugeben, das bzw. die mit geringstem Aufwand arbeitet und so für eine Massenfertigung, insbesondere für Solarzellen,
' geeignet ist.
Kot 1 Dx / 29.09.1981
- <s - VPA 81 P 1 O 6 6 DE
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Behälter ein den Dotierstoff enthaltendes Plasma aufrechterhalten wird, aus dem Dotierstoff-Ionen mittels des elektrisehen Feldes in das Halbleitermaterial eingebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet dabei entweder mit einem eingekoppelten Hochfrequenz-Plasma oder mit einem fremderregten Hochfrequenz-Plasma, wobei im zuletzt genannten Fall das elektromagnetische Feld zur Plasmaerzeugung und das die Zugspannung zum Beschleunigen von Ionen auf ein Target bildende elektrische Feld getrennt voneinander regelbar sind. Damit ist es möglich, Spannung und Strom je nach der gewünschten Dotierung und dem Aufbau der Vorrichtung in gewissen Grenzen unabhängig voneinander einzustellen.
Bei der Erfindung wird das kapazitiv oder induktiv erregte Hochfrequenz-Plasma in einem Dotiergas erzeugt, und die Ionen des Dotierstoffes werden auf ein Target beschleunigt, das die zu dotierenden Halbleitersubstrate trägt. Diese Halbleitersubstrate können auf dem Target flach aufgelegt oder hochstehend angeklemmt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch eine außen um einen Glasrezipienten als Behälter gelegte Hochfrequenzspule mit einer Frequenz von beispielsweise 4 MHz in einem Niederdruckplasma zu einer Ringentladung von beispielsweise
8 . 10 Torr in einem Wasserstoff-Phosphin-Gemisch angeregt. Eine Zugspannung von etwa 500 V wird für einige s zwischen das Target und eine Anode gelegt. Durch die hohe Stromdichte von
etwa 1 mA/cm wird in dieser kurzen Zeitdauer bereits eine maximale Dotierung von etwa 10 Fremdstoffatomen/car mit einer Eindringtiefe von etwa 5 · 10 /um (50 S) erreicht, ohne daß dabei ein nennenswertes Ablösen bzw. Absputtern des Targetmaterials auftritt. Wenn sodann die Spannung langsam hochgeregelt wird, kann die maximale Dotierung geringer gehalten werden, da sich so ein flacheres Dotierungsprofil einstellt und damit die Gefahr von Ausscheidungen verringert wird. Anschließend an diese niederenergetische Ionenimplantation werden die Halbleitersubstrate ohne oder mit einer Glasabdeckung bei beispielsweise 950 0C während 30 min ausgeheilt, und das gewünschte Dotierungsprofil wird somit durch Diffusion eingestellt.
Durch die Erfindung werden Schichtwiderstände von etwa 30 0hm bei einer Eindringtiefe von etwa 0,3 /um erreicht, was
15 2 einer Dotierung von etwa 5 . 10 J cm entspricht.
Anstelle der Ausheilung bei 950 0C kann auch eine Ausheilung mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls durchgeführt werden.
Die Erfindung ermöglicht ein Dotieren innerhalb sehr kurzer Dotierzeiten bei großen Targetflächen, so daß der Substrat-
- * - VPA 81 P 1 O 6 6 DE
durchsatz nur durch den apparativen Aufbau der Vorrichtung begrenzt ist. Beispielsweise können 600 bis 1000 4-Zoll-Siliciumscheiben, also Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 10 cm, in einer st mit heute üblichen Sputter-Anlagen ohne Umrüstung auf das beschriebene Dotierverfahren bearbeitet werden.
Durch den geringen Arbeitsdruck ist auch nur mit einer geringen Unterwanderung von aufgelegten Masken zu rechnen, so daß eine partielle Dotierung von Substraten ermöglicht wird. Beispielsweise kann zur Herstellung von Solarzellen der Rand der Scheiben mit einer Ringmaske abgedeckt werden.
Ein Hauptvorteil der Erfindung -liegt im einfachen Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und in den damit verbundenen geringen Dotierkosten.
Auch tritt bei einem induktiv angeregten Plasma im Gegensatz zu einer Hochfrequenz-Diode bzw. einem kapazitiv angeregten Plasma kein Ionenbeschuß der Anode auf, wodurch die Verunreinigungsgefahr durch Restgase noch geringer wird.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
25
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßer Verfahrens in einem einfachen Aufbau,
-•5·"- VPA 81 P 10 66DE
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Umlaufmagazin, so daß mehrere Prozesse nacheinander ausgeführt werden können,
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer .Schleuse zum Ein- und Ausschleusen von Halbleitersubstraten ohne Verunreinigung der Plasmakammer,
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Halbleitersubstrate allseitig dotiert werden,
Fig. 5 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Schleusenanlage, durch die Halbleitersubstrate nacheinander dotierbar sind,
Fig. 6 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem durch eine Hochfrequenzdiode kapazitiv eingekoppelten Plasma.
Fig. 1 zeigt eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Behälter 1, der aus einem. Glasrezipienten mit einem zylindrischen Mantel 21, einem Deckel 22 und einem Boden 23 besteht, wird ein Plasma 2 induktiv durch eine Hochfrequenzspule 10 angeregt, die um den Mantel 21 gewickelt ist. Zwischen dem Deckel 22, der elektrisch vom Mantel 21 isoliert ist, und einem Target 4 liegt eine Spannung von etwa 500 V. Das Target 4 ist dabei über eine in den Figuren nicht dargestellte elektrische Durchführung mit einer außerhalb des Behälters 1 angeordneten Spannungsquelle verbunden. Phos-
AO
--6 - VPA
81 P 1 O 6 S OE
phin (Η2 + PH,) wird über einen schematisch, als Pfeil 25 angedeuteten Einlaß, der durch den Deckel 22 führt, in den Innenraum des Behälters 1 eingegeben, der seinerseits über eine Öffnung 26, die sich im Boden 23 befindet, evakuiert wird, wie dies durch einen Pfeil 27 angedeutet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erregt die Hochfrequenzspule das Plasma/im Innenraum des Behälters 1. Dieses Plasma enthält das über.den Einlaß 25 eingegebene Phosphin. Durch die zwische* dem als Anode geschalteten Deckel 22 und dem Target 4 liegende Beschleunigungsspannung werden die Dotierstoff-Ionen aus dem Plasma 2 auf Halbleitersubstrate 3 beschleunigt, die auf dem Target 4 aufliegen. Das Target 4 besteht vorzugsweise aus Ti1-tan.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in das Target 4 eine Öffnung 29 eingebracht ist, die zu einem Umlaufmagazin 15 führt, durch das einzelne Substratscheiben 6 nacheinander dem Dotierstoff aus dem Plasma 2 ausgesetzt werden können. Damit können mehrere Dotierprozesse nacheinander an mehreren Scheiben vorgenommen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient der Boden 23 als Anode; dieser Boden 23 ist hierzu elektrisch vom Mantel 21 isoliert.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Target 4 ähnlich wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eine Öffnung 29 aufweist. Oberhalb dieser Öffnung 29
** 81 ρ 10 6 8 OE
- ψ - VPA 0Ι Γ
befindet sich aber ein Ventildeckel 31» durch den der Innenraum des Behälters 1 mit dem Plasma 2 nach oben abgeschlossen werden kann. Hinter dieser Öffnung 29 ist eine Beschichtungsposition 32, in die die einzelnen Halbleitersubstrate 6 von einem Vorratsmagazin 19 nacheinander gebracht werden können. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist ein Ein- und Ausschleusen der einzelnen Halbleitersubstrate 6 ohne Verunreinigung der eigentlichen Plasmakammer, also des Innenraumes des Behälters 1, möglich.
10
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die einzelnen Halbleitersubstrate 6 hochkant auf dem Target 4 angeordnet sind. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist ein allseitiges Dotieren der einzelnen Halbleitersubstrate 6 möglich.
In Fig. 5 ist wiederum ein Ausführungsbeispiel mit einer Schleusenanlage gezeigt, bei der links und rechts vom Target 4 eine Schleuse 17 bzw. 18 gezeigt ist, durch die einzelne Halbleitermaterialien 3 nacheinander auf das Target 4 gebracht werden.
Schließlich zeigt Fig., 6 ein Äusführungsbeispiel, bei dem das Plasma 2 kapazitiv angeregt wird, in dem ein gesonderter Kondensator 4, 28 vorgesehen ist. Das Target 4 dient dabei gleichzeitig als eine Platte des Kondensators. Außerdem ist das Target 4 über eine Anpassungseinrichtung 38 an einen Hochfre-
*■ » -ti- W 4 « ν
Al 81 P 1 0 6 5 OE
- * - VPA
quenzsender 39 angeschlossen. Dieser Hochfrequenzsender 39 erzeugt die zum Anregen des Plasma 2 im Behälter 1 erforderliche Energie.
6 Figuren
19 Patentansprüche
Leerseite

Claims (19)

- >gr - VPA 81 P 1 O 6 6 DE Patentansprüche
1. Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial, bei dem der Dotierstoff in einen Behälter eingebracht und dort mittels eines elektrischen Feldes auf das Halbleitermaterial gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet , daß im Behälter (1) ein den Dotierstoff enthaltendes Plasma (2) aufrechterhalten wird, aus dem Dotierstoff-Ionen mittels des elektrischen Feldes in das Halbleitermaterial (3) eingebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß für das Plasma (2) ein kapazitiv eingekoppeltes Hochfrequenz-Plasma verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß für das Plasma (2) ein fremderregtes Hochfrequenz-Plasma verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß das elektromagnetische Feld zur Plasmaerzeugung und das die Zugspannung zum Beschleunigen von Ionen auf ein Target (4) bildende elektrische Feld getrennt voneinander geregelt werden.
- te- - VPA 81 P 1 O 6 & DE
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das kapazitiv oder induktiv erregte Hochfrequenz-Plasma in einem Dotiergas erzeugt wird, und daß die Dotierstoff-Ionen auf ein Target (4) beschleunigt werden, auf dem das zu dotierende Halbleitermaterial (3) in der Form von Halbleitersubstraten (6) vorgesehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet, daß eine um einen Glasrezi-
pienten gelegte Hochfrequenzspule (7) bei einer Frequenz von etwa 4 MHz ein Niederdruckplasma bzw. eine Ringentladung von etwa 8 . 10 Torr in einem Wasserstoff-Phosphin-Gemisch anregt.
15
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zugspannung etwa 500 V für einige s zwischen das Target (4) und eine Anode (8) gelegt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Plasma (2) eine Stromdichte von etwa 1 mA/cm herrscht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Zugspannung
-tr- VPA 81-P1066D?
langsam hochgeregelt wird, um die maximale Dotierung im Halbleitermaterial (3) niedrig zu halten.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a durch gekennzeichnet, daß das
Halbleitermaterial (3) ohne oder mit einer Glasabdeckung bei etwa 950 0C während etwa 30 min ausgeheilt und so das gewünschte Dotierprofil durch Diffusion eingestellt wird.
10
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (3) durch Beschüß mit einem Laseroder Elektronenstrahl ausgeheilt wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um den Behälter (1) eine Hochfrequenzspule (10) vorgesehen ist, die im Behälter (1) induktiv das Hochfrequenz-Plasma (2) erzeugt.
13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Target (4) aus Titan besteht.
25
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Be-
.!..:::·υ:::···θΛ3ΐΐ87β5
- ι* - VPA WP 106GDE
hälter (1) ein Umlaufmagazin (15) für Halbleitersubstrate (6) vorgesehen ist, so daß diese nacheinander mehrere Prozesse durchlaufen können.
15· Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch wenigstens eine Schleuse (16, 17, 18), die mit dem Behälter (1) verbunden ist, um Halbleitersubstrate (6) Ohne Verunreinigung in den die Plasmakammer bildenden Behälter (1) einschleusen zu können.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß in die Schleuse ein Vorratsmagazin (19) einführbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleitersubstrate (6) senkrecht bzw. hochkant auf dem Target (4) aufgestellt sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleitersubstrate (6) parallel zum Target (4) angeordnet sind..
19. Halbleiterbauelement, dotiert nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Schichtwiderstand von
15 -2
5 . 10 cm bei einer Eindringtiefe von etwa 0,3 /um.
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