FR2471668A1 - Diffusing phosphorus into semiconductors via silicon phosphide - which is made by heating mixt. of silicon and phosphorus powders in sealed tube - Google Patents
Diffusing phosphorus into semiconductors via silicon phosphide - which is made by heating mixt. of silicon and phosphorus powders in sealed tube Download PDFInfo
- Publication number
- FR2471668A1 FR2471668A1 FR7930725A FR7930725A FR2471668A1 FR 2471668 A1 FR2471668 A1 FR 2471668A1 FR 7930725 A FR7930725 A FR 7930725A FR 7930725 A FR7930725 A FR 7930725A FR 2471668 A1 FR2471668 A1 FR 2471668A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- silicon
- phosphorus
- temperature
- diffusion
- sealed tube
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 47
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 7
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 39
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 title claims description 38
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 50
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000010583 slow cooling Methods 0.000 claims description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 abstract description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 8
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 6
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011872 intimate mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000010581 sealed tube method Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
- H01L21/223—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a gaseous phase
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
- C30B31/06—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state
- C30B31/16—Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the gases
- C30B31/165—Diffusion sources
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de diffusion de phosphore dans. un semiconducteur en utilisant comme source de dopant du phosphure de silicium ainsi qu'un procédé d'obtention de phosphure de silicium. The present invention relates to a method for diffusing phosphorus in. a semiconductor using as a dopant source silicon phosphide as well as a process for obtaining silicon phosphide.
Pour la fabrication de composants électroniques, comprenant des couches semiconductrices de types alternés, l'un des moyens couramment employés pour modifier le type de conductivité ou la concentration d'impureté dans un substrat consiste à procéder par diffusion (autres procédés comprennent notamment des épitaxies, des implantations d'ions. ..)
Les procédés de diffusion peuvent se diviser de fagon très générale en deux catégories o l-es diffusions en tube scellé et les diffusions en tube ouvert. Ces deux techniques sont bien connues et ne seront pas rappelées en detail ici.For the manufacture of electronic components, comprising semiconductor layers of alternating types, one of the means commonly used to modify the type of conductivity or the concentration of impurity in a substrate consists in proceeding by diffusion (other methods include in particular epitaxy, ion implantations ...)
Diffusion processes can be divided very generally into two categories o l-es diffusions in sealed tube and diffusions in open tube. These two techniques are well known and will not be repeated in detail here.
L'un des inconvénients du procédé de diffusion en tube ouvert, notamment dans le cas d'une diffusion de phosphore, est que l'on forme initialement un verre de phosphore plus ou moins dopé à la surface de la plaquette semiconductrice puis que, dans une deuxième étape seulement, on fait pénétrer, après avoir éventuellement enlevé le verre très dopé, l'impureté dans la plaquette lors d'une étape dite de redistribution
Toutefois, lors de cette deuxième étape, la quantité de phosphore disponible pour la diffusion est fixée initialement par le prédépôt Elle est donc limitée et, pour des diffusions très profondes, on ne peut pas arriver à des concentrations superficielles importantes ou à des nrofils très plats au voisinage de la surface.Un autre inconvénient. est que, lors du pré- dépôt, le phosphore réagit chimiquement avec des couches de
SiO2 éventue.'#1ement formées pour servir de masque; et ceci in terdit.d'effectuer des diffusions profondes localisées.One of the drawbacks of the open-tube diffusion process, in particular in the case of phosphorus diffusion, is that a more or less doped phosphor glass is initially formed on the surface of the semiconductor wafer and then, in only a second step, after having removed the highly doped glass, the impurity is penetrated into the wafer during a so-called redistribution step
However, during this second stage, the quantity of phosphorus available for diffusion is initially fixed by the pre-deposit. It is therefore limited and, for very deep diffusions, it is not possible to reach significant surface concentrations or very flat nrofils. Another drawback is in the vicinity of the surface. is that, during pre-deposition, phosphorus chemically reacts with layers of
SiO2 ventue. '# 1ement formed to serve as a mask; and this in terdit. to carry out localized deep diffusions.
Il serait donc souhaitable, du moins pour l'obten- tion de certains types de structures et notamment quand la couche de type N doit être profonde et localisée, de pouvoir réaliser des diffusions de phosphore en tube scellé, en llab- sence d'oxygène . Dans les procédés de diffusion en tube scellé, on utilise souvent les impuretés dopantes à. l'état pur, ce qui limite à des impuretés à faible pression de vapeur telles que le gallium et l'aluminium.Dans le cas. du phosphore, le procédé en tube scellé semble a priori devoir être écarté étant donné que la pression de vapeur du phosphore dépasse 10 atmosphères au-delà de 3500. Les diffusions devant avoir lieu aux environs de 1250 , un éclatement du tube de quartz surviendrait bien avant que la température de diffusion soit atteinte. It would therefore be desirable, at least for obtaining certain types of structures and in particular when the N-type layer must be deep and localized, to be able to carry out phosphorus diffusions in a sealed tube, in the absence of oxygen. . In sealed tube diffusion processes, dopant impurities are often used. pure, which limits impurities with low vapor pressure such as gallium and aluminum. In the case. of phosphorus, the sealed tube process seems a priori to be discarded since the vapor pressure of phosphorus exceeds 10 atmospheres beyond 3500. Diffusions having to take place around 1250, a burst of the quartz tube would occur before the diffusion temperature is reached.
Dans l'art antérieur, on a néanmoins tenté d'effectuer des diffusions de phosphore en tube scellé en utilisant comme source de dopant du silicium dopé au phosphore. Ce procédé, qui se révèle applicable dans les cas où l'on ne souhaite faire que des diffusions de faible profondeur ou de faible concentration superficielle, ne peut être utilisé pour des applications à des diffusions profondes. à forte concentration superficielle de phosphore. En effet, la quantité de phosphore disponible est alors limi.tee et, même avec des quantités de source très importantes, ce qui constitue déjà un inconvénient, on ne peut atteindre des concentrations superficielles saturées et des profondeurs de diffusion importantes (supérieures à quelques dizaines de microns).D'autre part, des sources de silicium fortement dopé au phosphore sont difficiles à obtenir. In the prior art, however, attempts have been made to distribute phosphorus in a sealed tube using silicon doped with phosphorus as the dopant source. This method, which proves to be applicable in cases where it is desired to make only diffusions of shallow depth or of low surface concentration, cannot be used for applications to deep diffusions. with a high surface concentration of phosphorus. Indeed, the quantity of available phosphorus is then limited and, even with very large quantities of source, which is already a drawback, one cannot reach saturated surface concentrations and significant diffusion depths (greater than a few tens On the other hand, sources of highly phosphorus-doped silicon are difficult to obtain.
Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de diffusion de phosphore en tube scellé. It is therefore an object of the present invention to provide a new method for diffusing phosphorus in a sealed tube.
Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit d'utiliser comme source de. dopant un alliage de silicium. et de phosphore ou phosphure de silicium (PSi). To achieve this object, the present invention provides for using as a source of. doping a silicon alloy. and phosphorus or silicon phosphide (PSi).
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un procédé de fabrication de phosphure de silicium. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing silicon phosphide.
Selon ce procédé, le phosphure de sili.cium est luimême obtenu en tusse scellé à partir d'un mélange de poudre de phosphore et de poudre de silicium. Ce mélange est élevé progressivement en température, maintenu à une température maximale, puis la température est progressivement réduite. According to this process, the silicon phosphide is itself obtained in sealed form from a mixture of phosphorus powder and silicon powder. This mixture is gradually raised in temperature, kept at a maximum temperature, then the temperature is gradually reduced.
Avec le procédé de fabrication selon la présente invention, on a pu obtenir des sources de phosphure de silicium comprenant un mélange de phosphure de silicium et de silicium avec plus de 90 % dephosuhure.D'autrepart, avec le procédé de diffusion selon la présente invention, on a pu obtenir une diffusion localisée de phosphore dans. une tranche de silicium, la profondeur de diffusion étant supérieure à 200 microns. et la concentration étant maximale et saturée (légèrement inférieure à 10 1 at/cm3) sur une profondeur de l'ordre de 130 microns. With the manufacturing method according to the present invention, it has been possible to obtain sources of silicon phosphide comprising a mixture of silicon phosphide and silicon with more than 90% of phosphorus. On the other hand, with the diffusion method according to the present invention , we were able to obtain a localized diffusion of phosphorus in. a silicon wafer, the diffusion depth being greater than 200 microns. and the concentration being maximum and saturated (slightly less than 10 1 at / cm3) over a depth of the order of 130 microns.
Ces objets, caracteristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 représente une vue schématique d'un four de diffusion utilisé dans le procédé selon la présente invention ;
la figure 2 représente la variation de température en fonction du temps appliquée à un four#pour obtenir du phosphure de silicium selon le procédé de la présente invention
les figures 3 et 4 représentent des. profils de diffusion (concentration (C) en atomes/cm3 en fonction de la profondeur de diffusion (x) en microns) illustrant des résultats obtenus par le procédé selon la présente invention ; et
les figures 5 et 6 illustrent des applications. du procédé selon la présente invention
Le procédé d'obtention d'une source de phosphure de silicium va être décrit ci-dessous en relation avec les figures 1 et 2. Un mélange intime de poudres de silicium et de phosphore 1 est disposé dans une coupelle 2. Les poudres de silicium et de phosphore sont broyées pour être aussi fines que possible et avoir un diamètre inférieur à. 100 microns. La coupelle 2 est disposée dans un tube scellé 3, couramment en quartz. Ce tube glisse à l'intérieur d'un autre tube 4, généralement également en quartz disposé à.l'intérieur d'un four de diffusion 5, de sorte que le tube scellé 3 se trouve dans une zone de température homogène a l'intérieur du four.These objects, characteristics and advantages as well as others of the present invention will be explained in detail in the following description of particular embodiments made in relation to the attached figures, among which:
Figure 1 shows a schematic view of a diffusion furnace used in the method according to the present invention;
FIG. 2 represents the variation in temperature as a function of time applied to an oven # for obtaining silicon phosphide according to the method of the present invention
Figures 3 and 4 show. diffusion profiles (concentration (C) in atoms / cm3 as a function of the depth of diffusion (x) in microns) illustrating results obtained by the method according to the present invention; and
Figures 5 and 6 illustrate applications. of the process according to the present invention
The process for obtaining a source of silicon phosphide will be described below in relation to FIGS. 1 and 2. An intimate mixture of silicon powders and phosphorus 1 is placed in a cup 2. The silicon powders and phosphorus are ground to be as fine as possible and have a diameter of less than. 100 microns. The cup 2 is placed in a sealed tube 3, commonly made of quartz. This tube slides inside another tube 4, generally also made of quartz placed inside a diffusion furnace 5, so that the sealed tube 3 is in a temperature zone which is homogeneous with the inside the oven.
Le four est initialement à une température de l'ordre de 3000C. The oven is initially at a temperature of around 3000C.
Cette température est amenée à croire progressivement pendant une première période comprise entre des instants t0 et tl jusqu'à ce que L'on ait atteintunetempérature maximale T1, par exemple de l'ordre de 115toc. Après cela, cette température maximale T1 est maintenue pendant une deuxième période entre les instants tl et t2.Le tube scellé 3 est ensuite amené à se refroidir au cours d'une troisième période comprise entre des instants t2 et t5. Cette troisième période peut se décomposer en 3 étapes : une première étape de refroidissement lent entre les instants t2 et t3, pour aller par exemple de la température de 11500C à une température de l'ordre de 9000C; une deuxième étape de refroidissement à une vitesse plus importante entre les instants t3 et td, pour aller par exemple de la température de 900 C à une température de 6000C ; une troisième étape de refroidissement très rapide résultant par exemple d'une trempe à l'eau du tube scellé 3 pour descendre à la température ambiante.Durant la première periode, la montée en température doit être progressive, cette période pouvant par exemple s'étaler sur douze heures (une nuit) et la vitesse de variation de température étant inférieure à 1500C par heure. En effet, si la montée en température était trop rapide, le phosphure de silicium ne se formerait pas assez rapidement et la pression de vapeur du phosphore pourrait entraider des surpressions dangereuses. La durée de la deuxième période,ou phase de maintien à la température maximale T1, ou phase d'homogénéisation, sera supérieure à douze heures, par exemple de 18 heures comme dans le cas de l'exemple représenté en figure 2.This temperature is gradually led to believe during a first period between instants t0 and tl until a maximum temperature T1 has been reached, for example of the order of 115toc. After that, this maximum temperature T1 is maintained for a second period between the instants tl and t2. The sealed tube 3 is then caused to cool during a third period between instants t2 and t5. This third period can be broken down into 3 stages: a first stage of slow cooling between the instants t2 and t3, to go for example from the temperature of 11500C to a temperature of the order of 9000C; a second stage of cooling at a greater speed between the instants t3 and td, to go for example from the temperature of 900 C to a temperature of 6000C; a third very rapid cooling step resulting, for example, from a water quenching of the sealed tube 3 to descend to ambient temperature. During the first period, the temperature rise must be gradual, this period being able, for example, to be spread over twelve hours (one night) and the temperature variation speed being less than 1500C per hour. If the temperature rise were too rapid, the silicon phosphide would not form quickly enough and the vapor pressure of the phosphorus could help dangerous overpressures. The duration of the second period, or phase of maintaining at the maximum temperature T1, or phase of homogenization, will be greater than twelve hours, for example 18 hours as in the case of the example shown in FIG. 2.
En utilisant ce procédé de formation de phosphure de silicium en tube scellé, il est possible d'obtenir des rendements relativement élevés. qui n'ont pu être obtenus par la demanderesse en essayant d'employer d'autres procédés tels que des procédés en tube scelle dans lesquels les poudres de silicium et de phosphore étaient séparées ou des procédés en tube ouvert dans lesquels une vapeur de phosphore était amenée à circuler au-dessus d'un lit de silicium en poudre. Les exemples ci-dessous: illustrent des résultats qui peuvent être obtenus par le procédé selon la présente invention Dans ces exemples, on considère que l'on s'est placé dans les conditions générales ci-dessus et seules certaines valeurs particulières seront exposées. By using this process of forming silicon phosphide in a sealed tube, it is possible to obtain relatively high yields. which could not be obtained by the applicant by trying to use other methods such as sealed tube methods in which the silicon and phosphorus powders were separated or open tube methods in which a phosphorus vapor was caused to circulate over a bed of silicon powder. The examples below: illustrate results which can be obtained by the process according to the present invention. In these examples, it is considered that one has placed oneself in the general conditions above and only certain particular values will be exposed.
EXEMPLE 1
3 g de silicium en poudre ont été mélangés à 4 g de phosphore en poudre et placés dans un creuset disposé dans un four, en tube scellé. La température maximale T1 était de l'ordre de 11500C La durée de la deuxième période ou période d'homogénéisation entre les instants tl et t2 était de 17 heures. Entre les instants t2 et t5, on a procédé à un refroidissement à l'air comprimé du tube scellé 3.On a ainsi obtenu une masse totale dans le creuset après traitement de 5,80 g d'un mélange de phosphure de silicium et de silicium, la masse de phosphure de silicium étant de 5,42 g, soit un rendement de 86 % (ce rendement correspondant à la masse de SiP obtenue en réalité par rapport à. celle qui aurait du être obtenue si, de façon stoechiométrique, 3 g de silicium avaient réagi avec 3,308 g de phosphore). On notera que, dans cet exemple, la quantité de phosphore est plus importante que la quantité stoechiométrique, qui aurait été comme on lla dit cidessus de 3,308 g.En effet, une partie du phosphore est fixée par le quartz constituant 1 1enceinte du tube scellé
EXEMPLE 2
5,002 g de silicium en poudre ont été mélangés à 6,1146 g de phosphore en poudre (alors que la proportion stoechiométrique aurait été de 5,516 g de phosphore). La température maximale était de 11500C ; la durée d'homogé- néisation a été de 18 heures ; le refroidissement s'est effectué à 300C par heure entre 11500C et 8750C, puis de façon naturelle entre 8750C et 6000C et enfin, par trempe à l'eau entre 6000C et la température ambiante.On a ainsi obtenu 10,3357 g de mélange de phosphure de silicium et de silicium sous forme d'une poudre très fine, marron foncé, mate, dans laquelle était compris 10,1982 g de phosphore, soit un rendement de 96,3 %.EXAMPLE 1
3 g of powdered silicon were mixed with 4 g of powdered phosphorus and placed in a crucible placed in an oven, in a sealed tube. The maximum temperature T1 was of the order of 11500C. The duration of the second period or period of homogenization between the instants tl and t2 was 17 hours. Between instants t2 and t5, the sealed tube 3 was cooled with compressed air. A total mass was thus obtained in the crucible after treatment of 5.80 g of a mixture of silicon phosphide and silicon, the mass of silicon phosphide being 5.42 g, ie a yield of 86% (this yield corresponding to the mass of SiP obtained in reality relative to that which should have been obtained if, stoichiometrically, 3 g of silicon had reacted with 3.308 g of phosphorus). Note that, in this example, the amount of phosphorus is greater than the stoichiometric amount, which would have been as we said above of 3.308 g. Indeed, part of the phosphorus is fixed by the quartz constituting the enclosure of the sealed tube
EXAMPLE 2
5.002 g of powdered silicon were mixed with 6.1146 g of powdered phosphorus (whereas the stoichiometric proportion would have been 5.516 g of phosphorus). The maximum temperature was 11500C; the duration of homogenization was 18 hours; cooling was carried out at 300C per hour between 11500C and 8750C, then naturally between 8750C and 6000C and finally, by water quenching between 6000C and room temperature. This gave 10.3357 g of mixture of silicon phosphide and silicon in the form of a very fine powder, dark brown, mat, in which was included 10.1982 g of phosphorus, ie a yield of 96.3%.
EXEMPLE 3
Dans les mêmes conditions que l'exemple 2, on a choi
Si une durée d'homogénéisation, entre les instants tl et t2, de 53 heures. Le rendement n'a été que de 81,9 %. Il ressort de cet exemple 3 que quand-la durée de la température d'homogénéisation augmente, le rendement diminue, vraisem bablement par fixation du phosphore avec la surface en quartz de l'enceinte.EXAMPLE 3
Under the same conditions as Example 2, we chose
If a homogenization time, between instants tl and t2, of 53 hours. The yield was only 81.9%. It emerges from this example 3 that when the duration of the homogenization temperature increases, the yield decreases, probably by fixing the phosphorus with the quartz surface of the enclosure.
Le procédé de diffusion en tube scellé au moyen d'une source de phosphure de silicium telle qu'obtenue par le procédé décrit ci-dessus est mis en oeuvre en employant les techniques classiques de la diffusion en tube scellé. De façon très schématique, on peut considérer que cette diffusion est réalisée en employant un appareillage tel qu'illustre en figure 1, l'enceinte de quartz scellée 3 comprenant d'une part le phosphure de silicium en poudre disposé dans un creuset, d'autre part un certain nombre de tranches de silicium. The method of diffusion in a sealed tube by means of a source of silicon phosphide as obtained by the method described above is implemented using the conventional techniques of diffusion in a sealed tube. Very schematically, it can be considered that this diffusion is achieved by using an apparatus as illustrated in FIG. 1, the sealed quartz enclosure 3 comprising on the one hand the powdered silicon phosphide placed in a crucible, on the other hand a number of silicon wafers.
Dans le cas où l'on veut effectuer des diffusions localisées, on pourra utiliser comme masque de diffusion de la silice ou de préférence du nitrure de silicium.In the case where it is desired to carry out localized diffusions, it will be possible to use as diffusion mask silica or preferably silicon nitride.
La figure 3 illustre divers profil de diffusion obtenus dans des plaquettes de silicium en utilisant le procédé selon la présente invention. Des essais ont été effectués en disposant 5 tranches de silicium initialement dopées de type
P avec une concentration de l'ordre de 1014 at/cm . FIG. 3 illustrates various diffusion profiles obtained in silicon wafers using the method according to the present invention. Tests were carried out by placing 5 initially doped silicon wafers of the type
P with a concentration of the order of 1014 at / cm.
Dans le cas de la courbe 10, la quantité de source était de l'ordre de 1 mg ; on obtient alors une concentration superficielle de l'ordre de 3 x 1020 at/cm3 et un profil analogue à celui que l'on obtiendrait par d'autres procédés de diffusion, par exemple par le procédé en tube ouvert ou par le procédé en tube scellé en utilisant comme source du silicium dopé au phosphore. Mais, bien entendu, dans le cas -de l'utilisation d'une telle source de silicium dopé au phosphore en tube scelle, la quantité de source devrait être beaucoup plus importante (de l'ordre de 50 fois d'après les essais effectués par la demanderesse). In the case of curve 10, the amount of source was of the order of 1 mg; one then obtains a surface concentration of the order of 3 x 1020 at / cm3 and a profile similar to that which one would obtain by other diffusion methods, for example by the open tube method or by the tube method sealed using phosphorus doped silicon as the source. But, of course, in the case of the use of such a source of silicon doped with phosphorus in a sealed tube, the quantity of source should be much greater (of the order of 50 times according to the tests carried out by the plaintiff).
Dans le cas des courbes 11 et 12; les quantités de source étaient respectivement de l'ordre de 50 et de 100 mg, respectivement On notera dans le cas de ces courbes, un profil de diffusion particulier. En effet, dans la zone supérieure représentée en pointillés, il se produit une diffusion anormale avec un profil très. plat. On peut dire que la source de phosphure de silicium est sursaturante.Et il se produit vraisemblablement des dislocations dans le réseau dans la zone sursaturée représentée en pointillés, mais ceci a peu peu d'importance pratique car ces couches de type N ne sont pas destinées à former des jonctions mais à reprendre des contacts et seules leurs caractéristiques de conductibilité importent comme on le verra dans les exemples d'application ci-après
Ce phénomène de sursaturation est encore mieux représenté dans un essai illustre en figure 4 au cours duquel la diffusion a été poursuivie à 12600 pendant une durée de 350 heures. On a ainsi obtenu une profondeur de diffusion de l'ordre de 220 microns, la zone sursaturée ayant une épaisseur de l'ordre de 135 microns et la diffusion #étant particulièrement abrupte.Ce caractère abrupt de la diffusion peut s'expliquer du fait que, par suite des. dislocations introduites dans la partie superficielle du silicium, la diffusion y est particulièrement rapide, ce qui modifie le profil.In the case of curves 11 and 12; the source quantities were respectively of the order of 50 and 100 mg, respectively. In the case of these curves, a particular diffusion profile will be noted. In fact, in the upper area shown in dotted lines, there is an abnormal diffusion with a very profile. dish. The source of silicon phosphide can be said to be supersaturated, and dislocations are likely to occur in the network in the supersaturated area shown in dotted lines, but this is of little practical importance since these N-type layers are not intended to form junctions but to resume contacts and only their conductivity characteristics matter as we will see in the application examples below
This supersaturation phenomenon is even better represented in an experiment illustrated in FIG. 4 during which the diffusion was continued at 12,600 for a period of 350 hours. A diffusion depth of the order of 220 microns was thus obtained, the supersaturated zone having a thickness of the order of 135 microns and the diffusion # being particularly abrupt. This abrupt character of the diffusion can be explained by the fact that , as a result of. dislocations introduced into the surface part of the silicon, diffusion is particularly rapid there, which modifies the profile.
On va donner ci-après quelques exemples d'applications dans- lesquels la possibilité d'obtenir des profils de diffusion du type représenté en figure 4 et en figure 3 courbes 11 et 12, trouve des avantages particuliers qui n'étaient obtenus par aucun des procédés de diffusion de phosphore connus dans l'art antérieur. We will give below some examples of applications in which the possibility of obtaining diffusion profiles of the type represented in FIG. 4 and in FIG. 3 curves 11 and 12, finds particular advantages which were not obtained by any of the phosphorus diffusion methods known in the prior art.
La première application illustrée en relation avec la figure 5 concerne l'obtention de transistors de puissance. The first application illustrated in relation to FIG. 5 relates to obtaining power transistors.
Des transistors de puissance sont des structures semiconductri ces à 3 couches de types de conductivité alternés dont le profil est représente en figure 5 La première couche superficielle 20 est de type N, elle est suivie d'une couche de type P 21, d'une couche N 22 et d'une couche de type N+ 23. Power transistors are semiconductor structures with 3 layers of alternating conductivity types, the profile of which is shown in FIG. 5 The first surface layer 20 is of type N, it is followed by a layer of type P 21, of a layer N 22 and a layer of type N + 23.
Le procédé classique et le plus simple de formation de telles structures, consiste à partir d'un substrat (22) de type N, à former sur l'une de ses faces une diffusion de type P (21), puis ensuite à. effectuer sur les deux faces des diffusions de type N . Néanmoins, si l'on cherche à optimiser les dimensions des couches, on notera que la profondeur xl de la diffusion de type P doit être de l'ordre de 40 microns et que, pour des transistors de puissance devant supporter des tensions relativement élevées, l'épaisseur de la couche de type N ou couche de substrat doit être de l'ordre de 20 à 60 microns pour des tenues en tension de 200 à 400 volts.Ainsi, si l'on suivait ce procédé, étant donné que les procédés de diffusion antérieurs ne permettaient pas d'atteindre des profondeurs de diffusion supérieures à une soixantaine de microns, on obtenait 40 microns pour la couche P 21 + 30 à 60 microns pour la couche
N 22 + 60 microns pour la couche N+ 23 soit une épaisseur totale comprise entre 130 et 160 microns. Une telle épaisseur n'est en fait pas utilisable industriellement car les plaquettes trop fines seraient trop fragiles, d'autant plus qu'il s'agit de dispositif de moyenne puissance dont les diverses étapes de fabrication comprennent une étape de sillonnage qui affaiblit encore les plaquettes.Cette fragilité des plaquettes est d'autant plus gênante que l'on tend actuellement à fabriquer des composants électroniques sur des plaquettes de diamètres de plus en plus importants (jusqu'à 15 cm ou 6 pouces). Il serait donc souhaitable que la couche 23 de type N+ soit plus épaisse. Pour atteindre ce résultat, dans l'art antérieur, on a utilisé un procédé de fabrication consistant à partir d'un substrat 23 de type N+ sur lequel on formait une couche de type N épitaxiée qui devait avoir une épaisseur de l'ordre de 7G à 100 microns. La réalisation de couches épitaxiées aussi épaisses est technologiquement très délicate.Ainsi, le procédé selon la présente invention qui permet de partir d'un substrat de type N 22 et de diffuser une couche 23 profonde pouvant avoir une profondeur de diffusion allant jusqu'à 150 à 250 microns permet de résoudre le problème technologique qui se posait.The conventional and simplest method of forming such structures consists in starting from an N-type substrate (22), forming on one of its faces a P-type diffusion (21), then in. perform N-type diffusions on both sides. However, if one seeks to optimize the dimensions of the layers, it will be noted that the depth xl of the P-type scattering must be of the order of 40 microns and that, for power transistors having to withstand relatively high voltages, the thickness of the N-type layer or substrate layer must be of the order of 20 to 60 microns for voltage withstand from 200 to 400 volts. Thus, if this method were followed, since the methods of previous diffusion did not allow to reach depths of diffusion higher than about sixty microns, one obtained 40 microns for the layer P 21 + 30 to 60 microns for the layer
N 22 + 60 microns for the N + 23 layer, ie a total thickness between 130 and 160 microns. Such a thickness is in fact not usable industrially because the too thin wafers would be too fragile, especially since it is a medium power device whose various manufacturing steps include a sampling step which further weakens the This fragility of platelets is all the more annoying as there is currently a tendency to manufacture electronic components on plates of increasingly large diameters (up to 15 cm or 6 inches). It would therefore be desirable for the N + type layer 23 to be thicker. To achieve this result, in the prior art, a manufacturing process was used consisting of starting from an N + type substrate 23 on which an epitaxial N type layer was formed which should have a thickness of the order of 7G at 100 microns. Producing such thick epitaxial layers is technologically very delicate. Thus, the method according to the present invention which makes it possible to start from an N 22 type substrate and to diffuse a deep layer 23 which can have a diffusion depth of up to 150 at 250 microns solves the technological problem that arose.
Une autre application du procédé selon la présente invention est illustrée en figure 6 qui représente de façon fort schématique une structure de thyristor à conduction inverse. La partie gauche de la figure comprend une structure à 4 couches de types de conductivité alternés 31, 32, 33 et 34
Pour obtenir la conduction inverse, on cherche à diffuser dans une partie de la surface inférieure de la plaquette, à partir de la couche 34, une zone diffusée de même type que la couche 33 (type N). Cette couche doit avoir une profondeur de l'ordre de 60 microns. Ceci est réalisable par le procédé selon la présente invention comme l'illustrent les divers exemples d'application exposé précédemment. On souli#gnera dans ce cas particulier, l'intérêt de la compatibilité du procédé de diffusion selon la présente invention avec la prévision de couches de masquage.Another application of the method according to the present invention is illustrated in FIG. 6 which very schematically represents a thyristor structure with reverse conduction. The left part of the figure includes a 4-layer structure of alternating conductivity types 31, 32, 33 and 34
To obtain the reverse conduction, it is sought to diffuse in a part of the lower surface of the wafer, starting from layer 34, a diffused zone of the same type as layer 33 (type N). This layer must have a depth of the order of 60 microns. This is achievable by the method according to the present invention as illustrated by the various examples of application explained above. In this particular case, the importance of the compatibility of the diffusion method according to the present invention with the provision of masking layers will be emphasized.
Bien entendu, de nombreuses autres applications du procédé selon la présente invention pourront être envisagées. Of course, many other applications of the method according to the present invention may be envisaged.
L'obtention des profils particuliers illustrés dans les courbes 11 et 12 de la figure 3 et dans la figure 4 ne constituant que l'un des avantages de la présente invention Hême dans le cas tel qu'illustré par la courbe 10 de la figure 3 où le procédé selon la présente invention fournit des résultats analogues à ceux des procédés de l'art antérieur, ce procédé pourra être considéré comme préférable. En effet, en comparaison des procédés en tube ouvert, il permettra d'utiliser des équipements plus simples, et en comparaison du procédé antérieur en tube scellé avec utilisation d'une source de silicium dopé au phosphore, il présente l'avantage que la source de phosphure de silicium est plus simple et plus rapide à obtenir et peut être utilisée en quantité beaucoup moins importante.Obtaining the particular profiles illustrated in curves 11 and 12 in FIG. 3 and in FIG. 4 constituting only one of the advantages of the present invention. Even in the case as illustrated by curve 10 in FIG. 3 where the method according to the present invention provides results analogous to those of the methods of the prior art, this method could be considered preferable. Indeed, in comparison with the open tube processes, it will allow the use of simpler equipment, and in comparison with the previous sealed tube process with the use of a phosphorus doped silicon source, it has the advantage that the source silicon phosphide is simpler and faster to obtain and can be used in much smaller quantities.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits ci-dessus elle en inclut les diverses variantes et généralisations comprises dans le domaine des revendications ci-après. The present invention is not limited to the embodiments which have been explicitly described above, it includes the various variants and generalizations thereof included in the field of claims below.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7930725A FR2471668A1 (en) | 1979-12-14 | 1979-12-14 | Diffusing phosphorus into semiconductors via silicon phosphide - which is made by heating mixt. of silicon and phosphorus powders in sealed tube |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7930725A FR2471668A1 (en) | 1979-12-14 | 1979-12-14 | Diffusing phosphorus into semiconductors via silicon phosphide - which is made by heating mixt. of silicon and phosphorus powders in sealed tube |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2471668A1 true FR2471668A1 (en) | 1981-06-19 |
FR2471668B1 FR2471668B1 (en) | 1983-06-17 |
Family
ID=9232797
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR7930725A Granted FR2471668A1 (en) | 1979-12-14 | 1979-12-14 | Diffusing phosphorus into semiconductors via silicon phosphide - which is made by heating mixt. of silicon and phosphorus powders in sealed tube |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2471668A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2868678A (en) * | 1955-03-23 | 1959-01-13 | Bell Telephone Labor Inc | Method of forming large area pn junctions |
US3473980A (en) * | 1966-10-11 | 1969-10-21 | Bell Telephone Labor Inc | Significant impurity sources for solid state diffusion |
FR2011964A1 (en) * | 1968-06-21 | 1970-03-13 | Philips Nv | |
DE2012459A1 (en) * | 1969-04-01 | 1970-10-08 | International Business Machines Corp., Armonk, N.Y. (V.St.A.) | Process for the production of a doping st of f que He |
-
1979
- 1979-12-14 FR FR7930725A patent/FR2471668A1/en active Granted
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2868678A (en) * | 1955-03-23 | 1959-01-13 | Bell Telephone Labor Inc | Method of forming large area pn junctions |
US3473980A (en) * | 1966-10-11 | 1969-10-21 | Bell Telephone Labor Inc | Significant impurity sources for solid state diffusion |
FR2011964A1 (en) * | 1968-06-21 | 1970-03-13 | Philips Nv | |
DE2012459A1 (en) * | 1969-04-01 | 1970-10-08 | International Business Machines Corp., Armonk, N.Y. (V.St.A.) | Process for the production of a doping st of f que He |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
CA1973 * |
EXBK/66 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2471668B1 (en) | 1983-06-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0887843B1 (en) | Method of manufacturing a transistor with a silicon-germanium gate | |
EP0008661B1 (en) | Process for the preliminary heating of semiconductor bodies in view of subsequently increasing their internal gettering effect | |
JP2004537161A (en) | Control of thermal donor generation in high resistivity CZ silicon | |
EP0780889B1 (en) | Method of selective deposition of refractory metal silicide on silicon | |
JP2005522879A (en) | A method to control the denuded zone depth in ideal oxygen-deposited silicon wafers | |
US20090130824A1 (en) | Arsenic and phosphorus doped silicon wafer substrates having intrinsic gettering | |
US4290830A (en) | Method of selectively diffusing aluminium into a silicon semiconductor substrate | |
JPS6057214B2 (en) | Method of manufacturing electroluminescent materials | |
US4507157A (en) | Simultaneously doped light-emitting diode formed by liquid phase epitaxy | |
EP0092266A1 (en) | Process for manufacturing GaAs field effect transistors by ion implantation, and transistor made by this process | |
FR2471668A1 (en) | Diffusing phosphorus into semiconductors via silicon phosphide - which is made by heating mixt. of silicon and phosphorus powders in sealed tube | |
FR3040529A1 (en) | ||
JPH05234927A (en) | Method of forming diffusion region of semiconductor device by solid-phase diffusion | |
EP0897024B1 (en) | Process for epitaxy on a silicon substrate containing zones highly doped with arsenic | |
JPH0616501B2 (en) | Device manufacturing method | |
FR2688344A1 (en) | PROCESS FOR PRODUCING A SEMICONDUCTOR DEVICE OF A II-VI COMPOUND COMPRISING MERCURY | |
FR2813707A1 (en) | Fabrication of a bipolar transistor incorporating carbon implantation and annealing stages prior to the formation of a multi-layer monocrystalline semiconductor base by epitaxy | |
FR2581795A1 (en) | Method for manufacturing a continuous insulating layer embedded in a semi-conducting substrate by ionic implantation | |
FR2532335A1 (en) | Monocrystalline and highly doped semiconductor materials | |
US4266990A (en) | Process for diffusion of aluminum into a semiconductor | |
FR2463825A1 (en) | METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR DEVICE IN A SIMULATED EPITAXIAL LAYER | |
KR100745312B1 (en) | Control of thermal donor formation in high resistivity cz silicon | |
EP1879224A2 (en) | Process for controlling denuded zone depth in an ideal oxygen precipitating silicon wafer | |
JPH04328878A (en) | Manufacture of light emitting diode epitaxial wafer | |
JPH06305900A (en) | Heat processing of compound semiconductor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |