DE69223338T2 - Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleiterplättchen - Google Patents

Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleiterplättchen

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleitemlattchen, mit sowohl geringer Streuung des Schichtwiderstandes als auch geringer Erzeugung von Gitterbaufehlern.
  • Die Verwendung von Bornitrid (BN) als eine Borquelle bei der Bordiffusion von Transistorbasisbereichen ist bekannt. Offenbart ist ein Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleiterplättchen, z.B. Siliziumplattchen, durch Verwendung einer gesinterten plattchenartigen Scheibe aus BN-Pulver, wobei das gesinterte BN zu B&sub2;O&sub3; (2BN+3/20&sub2;TB&sub2;O&sub3;+N&sub2;) oxidiert wird, und das Boroxid (B&sub2;O&sub3;) ein aktiver Dotierstoff (japanische Patentveröffentlichung Nr.28722/1968) ist. Die BN-Quelle enthält im Start- BN-Pulver Verunreinigungen wie Natriumphosphat, Natriumoxid, Eisenoxid, Kalziumoxid oder Kohlenstoff, die aus der Herstellung stammen. Da Borsäure, Anhydrid, Kalziumoxid, Aluminiumoxid, Natriumoxid, Aluminiumphosphat oder Siliziumdioxid (SiO&sub2;) als ein Binder zum Sintem verwendet wird, würden ferner solche Binder in der BN-Quelle bleiben.
  • Dahingehend wurde ein Vorschlag gemacht, bei dem pyrolitisches Bornitrid (PBN) als eine Substitution für das gesinterte BN verwendet wird, als Versuch, schädliche Wirkungen zu beseitigen, welche durch die oben genannten Verunreinigungen und Binder (japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr.101026/1987) verursacht werden.
  • Ein anderer Vorschlag wurde gemacht, bei dem eine Wasserstoffeinspritzung bei einer oxidierten BN-Quelle eingesetzt wird, um HBO&sub2; zu erzeugen, das ein aktiver Bordotierstoff ist (vorgestellt durch Dr. J. Stach und andere bei dem 147. Treffen der The Electrochemical Society in Toronto, Ontario, Kanada am 16. Mai 1975). Da der Dampfdruck von HBO&sub2; mehr als 10.000 mal höher bei 925ºC verglichen mit dem von B&sub2;O&sub3; ist, ist nach diesem Vorschlag ersteres dem letzteren als ein aktiver Dotierstoff weit überlegen. Mit dem hohen Dampfdruck kann eine hoch konzentrierte Atmosphäre bei der selben Temperatur erhalten werden, woraus sich ergibt, daß es möglich ist, Bor in die Oberfläche des Siliziumplättchens einheitlich mit hoher Konzentration zu diffundieren. Diese Neigung würde erhalten bleiben, selbst wenn die Temperatur sich ändert, da Diffusion selbst bei einer niedrigen Temperatur möglich ist. in dem obigen, Wasserstoffeinspritzung einsetzenden Verfahren würden jedoch, wenn die herkömmliche gesinterte BN- Quelle verwendet wird, flüchtige Suboxide aus den Verunreinigungen aufgrund der reduzierenden Komponente gebildet werden, wie z. B. Wasserstoff, und somit nachteilhafter Weise die Kontamination des Siliziumplättchens beschleunigen.
  • In der Bemühung, die Probleme des Standes der Technik zu lösen, schlägt der Erfinder durch Anordnen einer Vielzahl von Halbleiterplättchen und pyrolitischen Bornitrid (PBN)- Dotierstoffscheiben in einer Diffusionsröhre ein Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleiterplättchen vor, wobei diese in einer inerten Atmosphäre bei einer hoher Temperatur gehalten wird und H&sub2; eingespritzt wird (offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr.77118/1990). Obwohl es möglich ist, die Streuung des Schichtwiderstandes ( s) der Oberfläche des Siliziumplättchens deutlich zu verbessern und es ebenfalls möglich ist, die Probleme aufgrund der metallischen Verunreinigungen und dem Kohlenstoff in der gesinterten BN-Quelle ebenso wie andere Nachteile aufgrund des Binders zum Sintem zu beseitigen, würden nach diesem Verfahren Gitterbaufehler (z. B. Stapelfehler) des sich ergebenden Siliziumplättchens erhöht werden.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleiterplättchen bereitzustellen, mit einer so verbesserten H&sub2;-Einspritzbedingung, um die Streuung des Schichtwiderstandes ( s) der Oberfläche des Siliziumplättchens zu minimieren und ferner das Auftreten von Gitterbaufehlem (Stapelfehler) zu unterdrükken.
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch das Verfahren, wie in dem Anspruch definiert, gelöst.
  • Dieser sehr niedrige Bereich der anfänglichen Konzentration von H&sub2; kann durch Einspritzen von höchstens 12,5 cc an H&sub2; gesichert werden, wenn das Volumen einer Quartzdiffusionsröhre 25 Liter beträgt. Um z. B. 0,01 Vol.-% an H&sub2;-Einspritzkonzentration zu erhalten, kann H&sub2; mit einer Rate von 5 cc/Minute für 30 Sekunden bei Beginn des Arbeitsganges eingespritzt werden. Wenn die anfängliche Konzentration an H&sub2; mehr als 0,05 Vol.-% beträgt, würde die auf dem Siliziumplättchen abgeschiedene borreiche Schicht (BRL) dick werden und somit Kristallbaufehler verursachen.
  • Das Bordiffusionsverfahren wird im allgemeinen wie folgt durchgeführt. Plättchenähnliche PBN-Scheiben, jeweils im wesentlichen im Durchmesser identisch mit einem Halbleitemlättchen werden nur an ihre Oberfläche mit Sauerstoff oder Wasserdampf oxidiert. Die sich ergebenden plättchenartigen Scheiben und die Halbleiterplättchen werden hintereinander in der Quartzdiffusionsröhre angeordnet und dann bei einer Temperatur von ungefähr 700 bis 1300ºC in einer Mischatmosphäre aus nicht-oxidierendem Gas, wie Stickstoff, Argon oder Hehum und einem oxidierendem Gas, wie Sauerstoff, behandelt. Sie werden anschließend bei der selben Temperatur, aber in einer Atmosphäre nur aus einem nicht-oxidierendem Gas, wie Stickstoff, Argon oder Hehum, behandelt. In dem erfindungsgemäßen Bor-Diffusionsverfahren reagiert der eingespritzte Wasserstoff mit dem oxidierten PBN-Scheiben, um HBO&sub2; zu erzeugen, das ein aktiver Bordotierstoff ist.
  • Da Bor in die Siliziumplättchen einheitlich mit hoher Konzentration durch Verwendung von HBO&sub2; unter hohem Dampfdruck diffundiert, ist es möglich, die Streuung des Schichtwiderstandes ( s) des Siliziumplättchens deutlich zu verbessern. Da PBN als eine Borquelle verwendet wird, ist es zusätzlich möglich, die Erzeugung von Versetzungen und Gitterbaufehlern zu minimieren, welche aufgrund z. B. metallischer Verunreinigung oder Kohlenstoff auftreten könnten. Da kein Binder zum Sintern verwendet wird, ist es ferner möglich, Verwölbung oder Durchhängen der Dotierstoffscheibe aufgrund von Verschmelzung des Binders, welcher in dem gesinterten Dotierstoff enthalten ist, zu beseitigen, was oft bei dem bekannten Diffusionsverfahren ein Problem darstellt, und es ist ebenso möglich, zu verhindern, daß der Dotierstoff durch Verschmelzung mit einem Quartzschiffchen, das den Dotierstoff hält, hängen bleibt.
  • Da PBN rein sein kann und im wesentlichen keine Verunreinigung enthält, ist es möglich, Verdampfung, Ausscheidung und Diffusion von anderen Verunreinigungen als Bor aufgrund der reduzierenden Komponente, das heißt, Wasserstoff in der Atmosphäre zu minimieren.
  • Darüber hinaus, wenn herkömmliche gesinterte Nitridscheiben in einer Atmosphäre verwendet werden, welche eine reduzierende Komponente wie Wasserstoff enthält, wird die verdampfte Borkonzentration in der Atmosphäre oft instabil, so daß die Höhe der Bordiffusion zwischen den Chargen nicht stabil sein kann. Das gesinterte BN besitzt Korngrenzen mit großen Spalten, die in einer H&sub2; oder wasserdampfenthaltenden Atmosphäre vergrößert werden, so daß der Bereich der effektiven Oberfläche sich von Charge zu Charge ändert. Bei dem herkömmlichen oxidierten BN-Abscheidungssystem ohne H&sub2; oder wasserförmigen Dampf treten solche wie oben beschriebene Nachteile nicht auf.
  • Dagegen kann die Verwendung von PBN die Streuung des Schichtwiderstandes der Oberfläche des Siliziumplättchens zwischen den Chargen unter 10 % drücken. Da PBN eine sehr homogene Schicht aus Bornitrid besitzt und keine Korngrenzen mit großen Spalten besitzt, kann das erfindungsgemäße Verfahren stabil durchgeführt werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Diffusion von Bor wird H&sub2; in einer oxidierenden Atmosphäre in einem Diffusionsofen oxidiert, um Wasserdampf zu erzeugen, und dieser Dampf reagiert auf Boroxid, welches vorher auf der PBN-Oberfiäche gebildet wurde, resultierend in der Bildung von flüchtigem HBO&sub2;, und dann wurde das gasförmige HBO&sub2; verwendet, um das Bor in die den PBN-Scheiben gegenüberliegenden Siliziumplättchen zu diffundieren. Zu diesem Zeitpunkt sind die PBN-Scheiben und die Siliziumplättchen einander gegenüberliegend angeordnet mit einem geeigneten Zwischenraum, welcher so klein wie möglich eingestellt ist, um die Wirtschaftlichkeit der Produktion zu erhöhen. Es ist deshalb wichtig, Sauerstoff in der Atmosphäre auf das BN während der Oxidation anzuwenden, wohingegen es wichtig ist, H&sub2; auf das PBN während des Abscheidungsverfahrens anzuwenden. Während des Oxidationsverfahrens ist die Menge an Sauerstoff im allgemeinen ausreichend. Bei der Oxidation von PBN wäre die Oberflächenoxidation ein ratenbestimmender Schritt, so daß der Einsatz von Sauerstoff außer Frage steht. Andererseits ist die Menge an H&sub2; während des Abscheidungsprozesses sehr gering. Bei dem Abscheidungsprozeß wäre die Zufuhr an H&sub2; zu PBN ein ratenbestimmender Schritt, so daß es kritisch ist, einheitlich H&sub2; in einen begrenzten Raum zwischen den PBN-Scheiben und den Siliziumplättchen zuzuführen. Das kann durch geeignetes Vergrößern des Raumes zwischen den PBN-Scheiben und den Siliziumplättchen oder durch Erhöhen des Gesamtflusses des atmosphärischen Gases gelöst werden.
  • Das wichtigste Merkmal dieser Erfindung besteht darin, daß die anfängliche Konzentration von H&sub2; in der Diffusionsröhre in einem sehr niedrigen Bereich von maximal 0,05 Vol.-% vorliegt, verglichen mit ungefähr mit 0,20 Vol.-% beim herkömmlichen Verfahren. Diese niedrige anfängliche Konzentration an H&sub2; senkt die Konzentration an HBO&sub2;, erzeugt durch H&sub2;-Einspritzung. Die niedrigere Konzentration an HBO&sub2; führt zu dünneren borreichen Schichten (BRL), welche auf dem Siliziumplättchen abgeschieden werden. Wenn die BRL dick ist, kann die durch das Bor verursachte Verformungsschicht selbst durch nachfolgende Einlagerungs- und Ausheilverfahren nicht entfernt werden, wodurch Gitterbaufehler, wie Stapelfehler, verursacht werden. Wie oben beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, vollständig die Probleme aufgrund metallischer Verunreinigungen oder Kohlenstoff im Dotierstoff, ebenso wie Nachteile, die sich aus dem Sinterbinder ergeben, zu beseitigen, und es ist ferner möglich, die Abweichung beim Schichtwiderstand ( s) des Siliziumplättchens deutlich zu verbessern und das Auftreten von Gitterbaufehlern zu unterdrücken.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann offensichtlicher durch Lesen der folgenden Offenbarung und der beigefügten Ansprüche.
  • Fig.1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die geeignet ist, das Verfahren aus Beispiel 1 auszuführen. Beispiele dieser Erfindung werden nun beschrieben, wobei zuvor eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens unter Bezug auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben wird.
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, welche N&sub2;, O&sub2; und H&sub2;, die in dem unten beschriebenen Beispiel 1 verwendet werden, zuführen kann. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Quartzröhre als eine Diffusionsröhre; 4, ein in der Quartzröhre 2 angeordnetes Quartzschiffchen; 6, auf dem Quartzschiffchen 4 angeordnete PBN-Dotierstoffscheiben; und 8, Siliziumplättchen, die auf dem Quarlzschiffchen 4 angeordnet sind und den PBN- Dotierstoffscheiben 6 gegenüberliegen. R bezeichnet ein Reduzierventil; F, einen Durchflußmesser; V, ein Ventil; und M einen Mischer. Stickstoff-(N&sub2;)Gas, Sauerstoff(O&sub2;)Gas und Wasserstoff-(H&sub2;)Gas werden über ein Stickstoffgas-Einspritzrohr 10, ein Sauerstoffgas-Einspritzrohr 12 und ein Wasserstoffgas-Einspritzrohr 14 jeweils eingeleitet.
  • Diese Erfindung sollte auf keinen Fall auf die dargestellten Vorrichtungsarten begrenzt sein.
    • BEISPIEL 1:
  • Hochreines Bortrichlorid (99,9999 % (6 x 9)) und hochreines Ammonium (99,999 % (5 x 9)) wurde Dampfphasenwachstum auf einem hochreinen Graphit bei 2000ºC unter einem reduziertem Druck von 10 Torr unterworfen, um pyrolitische Bornitrid-(PBN) Scheiben mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 1,3 mm herzustellen. Die metallischen Verunreinigungen, bei den sich ergebenden Dotierstoffscheiben lagen unterhalb 10 ppm. Nachdem ihre Oberflächen in einer Sauerstoffatmosphäre bei 1050ºC oxidiert wurden, wurden diese Dotierstoffscheiben auf ein Quartzschiffchen abwechselnd mit 75 Siliziumhalbleiterplättchen (100 mm; Dicke 525 µm) mit einem Abstand von 5 mm zu dem jeweiligen Plättchen gesetzt, dann wurde das Quarlzschiffchen in einen Quartzröhre in einer gemischten Atmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff mit einem Volumenverhältnis von 1:1 eingesetzt, und dann wurde Wasserstoff in die Quartzröhre bei einer Rate von 5 cc/Minute für 30 Sekunden (H&sub2;-Konzentration: 0,01 Vol.-%) bei 900ºC eingespritzt, worauf die Bordiffusion bei der selben Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre für 40 Minuten durchgeführt wurde. Nach dieser Diffusion betrug der durchschnittliche Schichtwiderstand des Siliziumplättchens 55 Ω/ . Der Schichtwiderstand und die Gitterbaufehlerdichte wurden gemessen und die Ergebnisse in Tabelle 1 gezeigt. Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, daß die Streuung innerhalb und zwischen den einzelnen Plättchen auf maximal 3 % gedrückt werden konnte, und daß die Gitterbaufederdichte Null Teile pro cm² betrug.
    • BEISPIEL2:
  • Das Diffusionsverfahren wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, außer daß die Anzahl der gesetzten Halbleitemlättchen vier betrug. Der Schichtwiderstand und die Streuung innerhalb der einzelnen Plättchen waren identisch mit denen aus Beispiel 1. Ferner betrug die Gitterbaufehlerdichte 0 Teile pro cm².
  • Die Ergebnisse aus den Beispielen 1 und 2 zeigen, daß weder die Streuung des Schichtwiderstandes noch die Gitterbaufehler durch die Anzahl der gesetzten Haibleiterplättchen beeinflußt wird.
    • BEISPIEL 3:
  • Das Diffusionsverfahren wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, außer daß H&sub2; mit 0,5 cc/Minute für 5 Minuten eingespritzt wurde, um 0,01 Vol.-% der anfänglichen Wasserstoffkonzentration aufrechtzuerhalten. Die selben Ergebnisse wie in Beispiel 1, die Streuung des Schichtwiderstandes und die Gitterbaufehler betreffend, wurden erhalten, außer daß der durchschnittliche Schichtwiderstand 59 Ω/ betrug, wie in Tabelle 1 gezeigt.
  • Das Ergebnis der Beispiele 1 und 3 zeigt, daß die Streuung des Schichtwiderstandes und die Gitterbaufehler von der anfänglichen Wasserstoffkonzentration im Diffusionsofen abhängen.
    • BEISPIELE 4-7 und VERGLEICHSBEISPIELE 1-2:
  • Das Diffusionsverfahren wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, außer daß die anfängliche Wasserstoffkonzentration im Bereich von 0,0033 bis 0,20 Vol.-% variiert wurde, während die Rate und die Zeit der Wasserstoffeinspritzung entsprechend der Wasserstoffkonzentration variiert wurden. Die Streuung des Schichtwiderstandes und die Gitterbaufehlerdichte wurden gemessen, und die Ergebnisse in Tabelle 1 gezeigt.
    • VERGLEICHSBEISPIEL 3:
  • Das Diffusionsverfahren wurde unter den selben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, außer daß Wasserstoff mit einer Rate von 50 cc/Minute für 1 Minute (H&sub2;-Konzentration bei 0,2 Vol.-%) eingespritzt wurde. Nach diesem Diffusionsprozeß betrug der durchschnittliche Schichtwiderstand der Siliziumplättchen 59 Ω/ , die Streuung des Schichtwiderstandes betrug 5,04 % und die Gitterbaufehlerdichte betrug 10 bis 15 Teile pro cm². Tabelle 1

Claims (1)

  1. Verfahren zur Diffundierung von Bor in Halbleiterplättchen, umfassend:
    (a) Anordnen einer Vielzahl von Halbleiterplättchen und pyrolytischen Bornitridscheiben mit oxidierten Oberflächen in einer Diffusionsröhre in einer Mischatmosphäre aus einem nicht-oxidierenden Gas und einem oxidierenden Gas bei einer Temperatur zwischen 7000 und 1300ºC;
    (b) Diffundieren von Bor in die Halbleiterplättchen mit Wasserstoffeinspritzung, wobei die anfängliche Konzentration des Wasserstoffs in der Diffusionsröhre maximal in einem Bereich von 0,05 Vol.-% liegt; und
    (c) Erhitzen des Halbleitersubstrats und der pyrolithischen Bornitridscheiben bei derselben Temperatur wie in Schritt (a) aber in einer Atmosphäre aus einem nicht-oxidierenden Gas.
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