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Verfahren zum Herstellen dotierter Halbleiterkörper Es ist bekannt,
daß in einer elektrischen Gasentladung eine Zerstäubung der negativen Elektrode
durch Auftreffen.der positiven Ionen des Gases erfolgt. Die Größe der Zerstäubung
hängt dabei von der Größe der auftreffenden Ionen, also der Art des Gases, dem Gasdruck,
der Entladungsspannung,'der Entladungsstromstärke und dem Abstand .der Elektroden
ab.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das
Dotierungsmaterial durch Zerstäubung einer wenigstens teilweise aus den; Dotierungsmaterial
bestehenden Elektrode in einer Gäsentladung auf den Halbleiterkörper aufgebracht
und in diesen eindiffundiert wird.
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Dieses Verfahren hat vor allem den Vorteil, daß durchentsprechende
Einstellungen der oben angeführten die Zerstäubung beeinflussenden Größen und der
Zeitdauer der Bestäubung die Dotierung gesteuert werden kann und damit eine reproduzierbare
Dotierung des Halbleiterkörpers ermöglicht wird. Mit besonderem Vorteil kann das
Verfahren gemäß der Erfindung bei der Dotierung von Halbleiterkörpern mit Störstoffen,
die einen sehr hohen Schmelzpunkt wie z.B. Bor aufweisen, angewendet werden.
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Wird das Verfahren gemäß der Erfindung gemäß einer Auuführungsform
mit einem als Gegenelektrode geschalteten Halbleiterkörper in einer Gleichstromentladung
durchgeführt7 so kann zu Beginn des Verfahrens der Halbleiterkörper auch kurzzeitig
als Kathode geschaltet werden, so daß#die Oberfläche des Halbleiterkörpers durch
Zerstäubung gereinigt und von Unebenheiten befreit wird und damit
das
bei Umpolung aufgebrachte Dotierungsmetall gleichmäßig in den Halbleiterkörper eindiffundiert
und eine'gleichmäßig dotierte-Oberflüchenschicht in, Halbleiterkörper erzeugt wird.
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Dabei kann der Halbleiterkörper auf die zur Eindiffusion des Dotierungsmaterials
notwendige, unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiterkörpers liegende Temperatur
durch die Gasentladung erhitzt werden, da nur bei sehr niedrigen Stromdicht'en die
Anode, also der Halbleiterkörper, kalt bleibt (normale Glimmentladung), während
bei hohen Stromdichteng also bei der sogenannten anormalen Glimmentladung, auch
eine Erwärmung der Anode, also des Halbleiterkörpers, erfolgt. Die Erwärmung des
Halbleiterkörpers auf'die zur Eindiffusion notwendige Temperatur kann aber auch
durch eine zusätzliehe Beheizung erfolgen.
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Ebenso wie eine Gleichstromentladung kann das Verfahren gemäß der
Erfindung auch mit einer Wechselstromentladung durchgeführt werden. Es ist
dabei allerdings darauf zu achteng-daß bei der Ausführungsform des Verfahrens, bei
der der Halbleiterkörper als Gegenelektrode geschaltet ist, während der Periode
der Wechselspannung, während der der Halbleiterkörper als Kathode geschaltet ist,
der Wert
der Spannung so gering gehalten wird9 daß keine nennenswerte
Abtragung des Halbleiterkörpers erfolgt.
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Wird ein Halbleiterkörper verwendet, d essen Ausdehnung größer
als die der negativen Elektrode ist., so wird er #mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
an der Elektro de vorbeigeführt. Ist ein Störstellenprofil erwUnscht, so
kann dies z.B. durch Änderung der Geschwindigkeit während des Vorbeiführens erzielt
werden. Ein Störstellenprofil wird aber auch dann erreicht, wenn, wie weiter unten
an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird, eine negative Elektrode verwendet
wird, deren Abstand von dem zu dotierenden Hal#leiterkörper verschieden groß istz
Soll die ganze freie Oberfläche den Halbleiterkörpers dotiert werden, so kann dieser
während der Bestäubung auch gedreht werden. Dies empfiehlt sich besonders bei stabförmigen
Halbleiterkörpern, die über ihren ganzen Umfang dotiert werden sollen, um nachfolgend
als Seelen beim Aufwachsen von insbesondere einkristallinem dotierten Halbleitermaterial
aus der Gasphaso verwendet werden sollen. Um eine gleichmäßige Verteilung
des Dotierungsstoffe;s über den ganzen Stabquerschnitt zu erhalten, kann
der Halbleiterstab nach erfolgter Dotierung in dbr Gasentladung auch einem insbesondere
tiegellosen Zonenzichverfahren unterworfen werden.
Beim Verfahren
gemäß der Erfindung kann dic negative Elektrode entweder ganz aus dem Dotierungorietall,
viie z.B. Antimon, Aluminium oder Bor bestehen oder diesec kann auf die Oberfläche
einer aus anderem Material bestehenden Elektrode in einer Schicht ausreichender
Dicke aufgebracht werden. Weiter kann als Material für die zu zerstäubende Elektrode
auch eine Verbindung des Halbleitermaterials, aus dem der zu dotierende Halbleiterkörper
besteht, und dem Dotierungsmaterial verwendet werden.
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Die Anode bzw..Gegenelektrode der Gasentladung kann aber auch aus
einem beliebigen Material bei Anwendung einer Viechselstromentladung, vorzugsweise
aus den, gleichen Material wie die andere Elektrode gebildet sein und der zu dotierende
Halbleiterkörper zviischen der zu zerstäubenden Elektrode und der Gegenelektrode
bzvi. Anode angeordnet werden.
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Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger
besonders günstiger Ausführungsbeispiele gegeben.
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In Figur 1 ist ein Reaktionsgefäß dargestellt, das aus einer
Quarzhaube 1 und einer z.B. ebenfalls aus Quarz
bestehenden
Grundplatte 29 die mit der Quarzhaube vakuumdicht verbunden ist, besteht. Durch
eine Dich-' tung 4 ist die zu zerstäubende, bei Anwendung einer Gleichstromentladung
als Kathode geschaltete Elektrode 5e die z.B. aus Aluminium, Antimon oder Bor besteht,
in das Reaktionsgefäß hineingeführt. Die Gegenelektrode ist bei einer Gleichspannungsentladung
als Anode geschaltet und besteht aus dem mit einer Halterung 6 versehenen,
z.B. aus ein- oder polykristallinem Germanium oder Silizium bestehenden Halbleiterkörper
7, der z.B. die Forn, einer Platte oder eines Stabes hat. Die Ausdehnung der Elektrode
5 kann dabei so groß wie der ihr gegenüberliegende Teil der Oberfläche des
Halbleiterkörpers gewählt worden. Es kann aber auch ein dünner Draht als negative
Elektrode verwendet werden, dessen Durchmesser mit der freien Weglänge der zerstäubenden
Teilchen vergleichbar ist und auf diese Weise die Rückdiffusion auf die negative
Elektrode sehr gering gehalten und damit eine sehr große Zerätäubung erzielt werden.
Das Reaktionsgefäß ist mit einem Gas, wie z.B. Argon oder Wasserstoff gefüllt. Wegen
der größeren Ionen wird bei einer Gasfüllung mit Argon die Zerstäubung größer als
bei einer En-;'.lr-.dung, die unter denselben Bedingungen, aber mit Wasserstoff
durchgeführt wird. Die beiden Elektroden sind über einen regelbaren Widerstand,
der zur Stabilisierung der Entladun*g und zum
Einatellen der Entladungestromotärke
dient$ mit einer oder Wechselspannungequelle verbunden. Außerdem sind in den Str'omkreie
ein Meßgerät für den Strom und ein Spannungemeßgerät eingeschaltet. Durch Verschieben
der Elektroden kann der Abstand, den sie gegeneinander aufweisen, varii,-#-ert werden.
Sind die Elektroden über eine Wechselspannungsquelle miteinander verbundent so muß
diese, wie bereits oben beschrieben, so ausgestaltet sein, daß zwischen dem Halbleiterkörper
und der zu zerstätibenden Elektrode eine-hohe Spannung liegt, wenn dieser als Anode
ge schalte-t st und eine wesentlich niedrigere Spannung, wenn dieser als Kathode
geschaltet ist, um die Abtragung deb Halbleiterkörpers in dieser-Periode der Wechselspannung
gering zu halten. Die Frequenz der Wechselsp-annung kann dabei praktisch beliebig
gewählt worden und z.B. zwischen etwa 500 Hz oder 10 YHZ liegen.
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Ist die zu zerstäubende Elektrode als Kathode geschaltett so wird
das infolge des Aufpralls der Gasionen in feinverteiltem Zustand losgelösite Dotierungsmetall
oder eine Verbindung desselben mit dem Halbleitermaterial, aus dem der Halbleiterkörper
besteht, in der Gasentladung ionisiert und gelangt an die Oberfläche des HalbleiterkörVers,
in den es eindiffundiert. Die Entladungsbedingungen werden dabei vörzugsweise so
gewählt, d.aß die Gasentladung selbst die Quelle für die zu einer merklichen Eindiffusion
des
Dotierungsmaterials notwendige Erwärmung des Halbleiterkörpers
darstellt. Der Halbleiterkörper kann
werden, daß die Gegenelektrode kalt bleibt (normale Glimmentladung) durch eine Zusatzheizung
aufgeheizt vierden, Z.B. mittels einer Indukstionsepule, die innerhalb des Reaktionsgefäßes
oder, falle der Halbleiterkörper nahe genug en die Gefäßwand herangeführt wird,
auch außerhalb desselb en auf der der zu zerstäubenden Kathodeabgewandten Seite
des Halbleiterkörpers angeordnet ist und sich auf dieser Seite längs lies Halbleiterkörpers
erstreckt.
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Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist in der Weise abgeändert,
daß die zu zerstäubende Elektrode 8
so ausgebildet ist, daß ihr Abstand längs
des Halbleiterkörpers verschieden groß ist. Auf diese Weise kann, da die
Zerstäubung in der Gasentladung mit dem Abstand der Elektroden voneinander abnilmmt,
ein Störstellenprofil im Halbleiterkörper erzeugt werden.
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Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausfühtungsbeispiel wird zwischen
den Elektroden 9 und 103 die mittels Dichtungen 14 und 16 in
das mit einem Gas gefüllte Reaktionagefäß eingefühet sind, eine Gasentladung, in
der bereits an Hand der Figur 1-näher erläuterten
Weise, aufrechterhalten.
Zwischen den Elektroden ist der zu dotierende, z.B. stabförmig ausgebildete Halbleiterkörper
11, der z.B. wieder aus ein-oder polykristallinem Germanium oder Silizium
besteht, angeordnet und mittels der Halterungen 12 und 13 durch die Dichtungen
15 und 28 aus dem Reaktionsgefäß hera'usge±ührt. Der Abstand der Elektroden
vom Halbleiterkörper kann durch mechanische nicht dargestellte Mittel variiert werden.
Die zu zerstäubende Elektrode 9 besteht aus dem Dotierungsmetall oder enthält
dieses z.B. auch in Form einer Oberflächenschicht. Die Gegenelektrode kann, und
dies empZiehlt sich vor allem bei einer Wechselstromentladung, aus demselben Material
bestehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem der Halbleiterkörper nicht
als eine Elektrode der Gasentladung geschaltet ist, kann der Wert der Wechselspannung
in jeder Pertode gleich groß sein, da in keiner Periode eine-Abtragung
des Halbleiterkörpers stattfindet.
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Um eine gleichmäßige Dotierung um den ganzen 'Umfang des Halbleiterkörpers
zu erhalten, ist es günstigt diesen z.B. in Richtung der Pfeile 29 und
30 zu drehen. Die Aufheizung des Halbleiterkörpero auf die zum Erzielen einer
m - erklichen Eindiffusion notwendige Temperatur kann z.B. durch direkten
Stromdurchgang erfolgen. Die Halterungen 12 -und 13 können dann gleich#zeitig
als Stromzuführungen dienen_ und sind mit einer Spannungsquelle verbunden. Reicht
dabei
wegen des hohen Reinheitsgrades des Halbleiterkörpers
1
die normale Netzspannung zur Erhitzung des Halbleiterkorpers nicht aus,
so werden die Stromzuführungen zunächst mit einer Hochspannungsquelle verbunden.
Hat durch zunehmende Erwärmung die Leitfähigkeit des H.albleitermaterials
genügend zugenommen, so kann Uhmschaltung auf die normale Netzepannung erfolge n.
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Die so hergestelben Halbleiterstübe eignen sich besonders als einkristalline
Seele zum Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der Gasphase. Um eine gleichmäßige
Verteilung des Dotierungcntoffes über den ganzen Stabquerschnitt zu erhalten, undg
falls ein polykristalliner Halbleiterkörper verwendet wird, einen Einkristall herzustellen,
kann dieser nach dem Dotieren durch Katho" denzerstäubung noch einen Zonenziehverfahren
unterworfen werden.
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In der Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt"bei
der zwischen den Elektro-,den 2.0 und 22 eine Gleich- oder Wechselopannungsentladung
aufrechterhalten wird. Auch bei dieser Ausführungeform ist bei Anwendung einer Wechoelspannungsentladung
derf Wert der Spannung unabhängig davon zu wählen, ob die Mektroden gerade als Kathode
oder als Anode geschaltet sind. Die zu zerstäubende Elektrode 20
i-st
als'Hohlelektrode ausgeführt. Sie kann z.B. aus -Aluminium bestehen und der Hohlraum
kann mit einer Schicht 27 aus Bor versehen werden4 Die Ergiebigkeit einer
Hohlelektrode ist besonders groß, daß die Ionen im Hohlraum hin- und herreflektiert
vierden.-Die Gegenelektrode 22 kann aus beliebigem Material bestehen. Bei Anwendung
einer Wechselspaannung empfiehlt es sich, die Gegenelektrode 22 in der gleichen
Porn als Hohlelektrode und aus dem gleichen Material wie die Elektrode 20, auszubilden.
Die Elektroden -sind mittels Dichtungen 23'und 24 in das Reaktionsgefäß hineingeführt.
Der z.B. stab- oder plattenförmige Halbleiterkörper 21 ist durch Dichtungen
25
und 26 aus dem Reaktionsgefäß herausgeführt. Der Abstand der Elektroden
vom Halbleiterkörper kann durch eine nicht dargestellte mechanische Vorrichtung
variiert werden. Um eine Dotierung längs d eu ganzen Stabes zu erhalten, ist z.B.
die Halterung 38 als Zahnstange ausgebildet, in der ein Zahnrad
19, das über ein Getriebe mit einem Motor verbunden ist, läuft. Der Stab
wird an den Elektroden mit z.B.-gleichbleibender Geschwindigkeit entlanggeführt.
Die Geschwindigkeit kann aber auch während des Entlangführens geändert und damit
ein Störstellenprofil im Halbleiterkörper erzeugt werden. Die Aufheizung den Halbleiterkörpers
auf die zur Eindiffusion notwendige Temperatur kann z.B. wieder, wie im Zusammenhang
mit-Figur 7., beschrieben, durch-direkten Stromdurchgang erfolgen. Die
Einrichtung
zum Entlangführen des Stabes an der zu zerstäubenden Elektrode kann auch so ausgebildet
sein, daß der Halbleiterkörper gleichzeitig um seine Achse, vorzugsweise mit gleichbleibender
Geschwindigkeit, gedreht werden kann.
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Das Verfahren gemäß der Er£indung eignet sich auch zum Dotieren von
anderem Halbleitermateriali wie z.B. zum Dotieren von Siliziumkarbid oder
A Iii B v-Verbindungen. Diehach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten,
-mit einer dotierten OberflächenGchicht verschenen Halblefterkörper können in eiz)zelne
Plättchenz.,rteilt und durch Anbringen von Elektrodenanschlüosen oder durch Einlegieren
und/oder Eindiffundieren weiterer Störstoffe zur Bildung weiterer dotierter Zonen
zu Halbleite rbauelementen wie Dioden, Transistoren oder Solarelementen weiterverarbeitet
werden.
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Die zu zerstäubende Elektrode kann auch aus einem Material bestehen,
das gleichzeitig Donatoren und Akzeptoren bildenden'Störstellenmaterial mit unterschiedlicher
Diffusionsgeschwindigkeit enthält. Dadurch kann in dem Halbleiterkörper eine Oberflächenschicht
des einen Leitungstyps und eine tiefer liegende Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps
erzeugt worden.