DE1444536C3 - Verfahren zum Diffusionsdotieren eines Silicium-Halbleiterkristalls - Google Patents

Description

mungsgefäßes ergibt dann den Vorteil, daß verschie- tration an der Siliciumoberfläche etwa 2.1O²⁰ Bordene Behandlungsgase angewendet werden können, atome/cm³, die bereits in 2 bis 3 Minuten erreicht ohne daß dabei ein Wechseln des Behandlungsgefäßes wird. In der gleichen Zeit sind höchstens 10~³ % der erforderlich ist. Bevorzugt ist die Verwendung zweier insgesamt eingedrungenen Boratome bis zu einer Trägergase vorgesehen, wobei das eine Trägergas - 5 Tiefe von mehr als 1 μ vorgedrungen.
Argon oder ein anderes Trägergas - insbesondere Sowohl die Quelle Q als auch der Siliciumkristall 3

Sauerstoff — dazu ausersehen ist, eine für den Dotie- befinden sich entsprechend der Darstellung in Fig. 1 rungsstoff undurchdringliche Barriere an der Halblei- auf einer Verschiebevorrichtung 6, mit deren Hilfe es teroberfläche (Si- oder SiC-Oberfläche) zu erzeugen. möglich ist, den Siliciumkristall 3 nach Beendigung Anwendbar ist die Erfindung im Prinzip für alle Korn- io der Beladung an diejenige Stelle im Ofen 1 zu verbinationen von Halbleiter-Aktivatormaterialien. Als schieben, die vorher die Quelle Q innehatte. Nach-Aktivatormaterial empfiehlt sich besonders die Ver- dem nun der gereinigte Halbleiterkristall und die wendung von Bor bzw. Phosphor. Falls Verbindungen Quelle Q mittels der Verschiebevorrichtung 6 an die des dotierenden Elementes angewendet werden, müs- die Temperatur T₀ bzw. T_Q gemäß Fig. 2 aufweisensen diese so gewählt werden, daß sie unter den anzu- 15 den Stellen im Quarzrohr 2 gebracht sind, wird als wendenden Beladungsbedingungen das für die Dotie- Trägergas Argon aus der Bombe 5 durch das Quarzrung dienende chemische Element, z.B. Bor oder rohr mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise Phosphor, an den Halbleiter abgeben. Es kann auch 0,5 l/min, bei 36 mm Rohrquerschnitt durch das eine Schicht aus SiO₂ aufgedampft werden. Quarzrohr geleitet. (Die Strömungsgeschwindigkeit

Im folgenden wird die Durchführung des erfin- 20 ist an sich weitgehend beliebig.) Bei der Berührung dungsgemäßen Verfahrens an zwei Beispielen, näm- mit der Quelle 2 belädt sich das Argon mit B₂O₃, das lieh einer Bordiffusion und einer Phosphordiffusion, dann anschließend bei Kontakt mit der auf die Tem- ·>, beschrieben. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung peratur T₀ erhitzten Oberfläche des Siliciumkri- -' läßt sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen stalls 3 elementares Bor an das Silicium abgibt.
Verfahrens stets verwenden, wobei die zu einer evtl. 25 Die Temperatur T_Q der Quelle ist, wie bereits anAutomatisierung des Verfahrens erforderlichen Vor- gedeutet, nicht kritisch. Es muß nur verlangt werden, richtungen ohne große Schwierigkeiten eingesetzt daß der von ihr gelieferte Dampfdruck an B₂O₃ genüwerden können. gend groß ist, um die Sättigungskonzentration an der

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Apparatur Halbleiteroberfläche zu ermöglichen. Sekundäre sieht einen Rohrofen 1 vor, durch den ein Quarz- 30 Borquellen, z.B. das gegebenenfalls von vorangeganrohr 2 beheizt wird, welches sowohl den Siliciumkri- genen gleichartigen Diffusionsprozessen mit Bor bestall 3 als auch eine den jeweiligen Dotierungsstoff ladene Quarzrohr 2, haben dann keinen Einfluß auf abgebende Quelle Q aufnimmt. Über das eine Ende die Borkonzentration im Silicium,
des Rohres (links) können wahlweise Sauerstoff (aus Nach Beendigung der Beladung mit Bor wird der

der Bombe 4) bzw. Argon (aus der Bombe 5) dem 35 Argonstrom ausgeschaltet und der Sauerstoffstrom Quarzrohr durch Trägergas zugeführt werden. eingeschaltet (auch hier ist die Strömungsgeschwin-

In dem Diagramm gemäß Fig. 2 ist die Tempera- digkeit innerhalb weiter Grenzen frei wählbar). Durch turverteilung im Quarzrohr 2 der Anordnung gemäß den Sauerstoff wird die Oberfläche des Siliciumkri-Fig. 1 dargestellt. Als Abszisse dient dabei in glei- stalls mit einer SiO₂-Schicht überzogen. Da die Diffuchem Maßstab wie in Fig. 1 der Abstand eines Punk- 4° sionsgeschwindigkeit von Bor in SiO₂ erfahrungsgetes im Innern des Rohres 2 von seinem linken Ende maß auch bei sehr nahe am Schmelzpunkt von Silicium am Eingang in den Ofen, während die Ordinate die liegenden Temperaturen extrem klein ist, wird das jeweilige Temperatur darstellt. Der Fig. 2 zufolge Eindringen von neuem Bor aus der den Halbleiter wird während der Beladung der Siliciumkristall 3 auf umgebenden borhaltigen Atmosphäre wirksam un- J) einer Temperatur von 950° C gehalten, während die 45 terbunden. Außerdem verlagert sich infolge der An-Quelle bei der Bordiffusion sich auf einer Temperatur wendung eines nunmehr aus Sauerstoff bestehenden von 1150⁰C befindet. Trägergases das chemische Gleichgewicht der Raktion

2B₂O₃<^4B+3O₂ zugunsten der Bildung von B₂O₃,

a) Bordiffusion so daß die Abgabe von elementarem Bor an den Halb-

Bevorzugt wird eine aus B₂O₃ bestehende Quelle Q 50 leiterkristall bereits aus diesen Gründen unterbrochen verwendet, die auf eine unterhalb ihres Siedepunktes würde. Dann wird die Schiebevorrichtung 6 im Ofen liegende Temperatur, z.B. 1150⁰C erhitzt wird. derart verschoben, daß sich der Siliciumkristall 3 an Diese Temperatur wird so hoch gewählt, daß der der Stelle befindet, die vorher die B₂O₃-Quelle Q indurch sie erzeugte Partialdruck an B₂O₃ am Ort des nehatte. Die Quelle gelangt dann bei der aus Fig. 2 zu dotierenden Halbleiterkristalls 3 genügend groß 55 ersichtlichen Temperaturverteilung auf eine Tempeist, um die Sättigungskonzentration bezüglich Bor in ratur von etwa 600° C, so daß auch aus diesen Gründer Halbleiteroberfläche in mindestens einer halben den eine weitere Dotierung unterbunden wird. Unter Stunde, vorzugsweise innerhalb weniger Minuten, zu diesen Bedingungen erfolgt das weitere Eindiffundieerreichen. Da erfindungsgemäß die Beladung bis zur ren des bereits während des Beladungsprozesses in Sättigungskonzentration auch bei den höchsten in Be- 60 das Silicium eingebrachten Bors, insbesondere bis zu tracht kommenden (unterhalb des Schmelzpunktes der vorgesehenen Eindringtiefe. Während dieser des Halbleiters liegenden) Temperaturen innerhalb Phase findet gleichzeitig eine Verstärkung der Oxidweniger Minuten abgeschlossen ist, läßt sich das Ver- haut an der Oberfläche des Halbleiterkristalls 3 statt, langte auf jeden Fall erreichen.

Wird der Siliciumkristall auf eine Temperatur von 65

950° C und die Quelle Q auf einer Temperatur von ^b) Phosphordiffusion

1150⁰C gehalten und die in Fig. 1 dargestellte An- Als Quelle empfiehlt sich die Verwendung eines

Ordnung verwendet, so beträgt die Sättigungskonzen- aus P₂O₅ und CaC hergestellten Glases, dessen

Schmelzpunkt sich aus dem Mischungsverhältnis der beiden Oxide ergibt. Dieses wird zweckmäßig so gewählt, daß bei der während der Beladung anzuwendenden Quellentemperatur T_Q, die man vorzugsweise auf 1150⁰C einstellt, das Glas flüssig ist. Sonst hat das Mischungsverhältnis keinen Einfluß auf die anzustrebende Sättigungskonzentration an der Halbleiteroberfläche, die lediglich durch die Temperatur an der Halbleiteroberfläche bestimmt wird. Beispielsweise kann man mit einer Quellenoberfläche von 10 cm² und einer Quellentemperatur T₀ von 1150° C arbeiten, wenn der Durchmesser des Quarzrohres etwa 36 mm (Innendurchmesser) und die Geschwindigkeit des Trägergases etwa 0,5 l/min beträgt.

Die Temperatur T₀ des Siliciumkristalls 3 bei der Beladung mit Phosphor beträgt zweckmäßig 1050° C. Bei dieser Temperatur ist die Sättigungskonzentration für Phorsphor in Silicium etwa 1,1.10²¹ Atome/cm³; sie wird ebenfalls in wenigen Minuten erreicht.

Die Erfindung läßt sich vor allem bei der Herstellung eines Planar-npn-Siliciumtranistors mit großem Vorteil anwenden. Dabei geht man gewöhnlich von einem η-leitenden scheibenförmigen Siliciumkristall 3 aus, in welchem man eine p-leitende Oberflächenzone durch Eindiffundieren von Bor erzeugt. Dabei kann man mit oder ohne Maskierung arbeiten. Verwendet man eine Maskierung, dann besteht diese zweckmäßig aus SiO₂. Da es nach erfolgter Bordiffusion bei der Herstellung von Planartransistoren üblich ist, die freie Siliciumoberfläche mit einer Oxidschicht zu versehen, kann die in F i g. 1 dargestellte Apparatur mit Vorteil

ίο herangezogen werden. Für die Phosphordiffusion gilt sinngemäß dasselbe. Ohne weiteres kann die Bor- und Phosphordiffusion miteinander kombiniert angewendet werden.

Die Anwendung auf Siliciumcarbideinkristalle verlangt im allgemeinen höhere Temperaturen, was insbesondere im Hinblick auf die Oxydation gilt. Sonst lassen sich die beschriebenen Verfahrensschritte ohne Schwierigkeiten übertragen.

Es ist zweckmäßig, die Beheizung des Quarzrohres 2 derart zu wählen, daß zwischen der Stelle mit der Temperatur T₀ und der Stelle mit der Temperatur Tq ein monotoner Anstieg der Temperatur stattfindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 zwischen dem Halbleiterkristall und der Quelle eine Patentansprüche: Zone niedrigerer Temperatur als die der Quelle eingeschaltet sein. Weiter ist es bekannt, an der Ober-

1. Verfahren zum Diffusionsdotieren eines fläche eines Halbleiterkristalls aus Silicium eine Silicium- oder Siliciumcarbid-Halbleiterkristalls 5 Oxydschicht zu erzeugen, welche gewisse Dotierungsin einem einen Temperaturverlauf aufweisenden stoffe von einem Eindringen in das darunterliegende rohrförmigen Behandlungsgefäß, wobei ein Trä- Halbleitermaterial abhält, während sie für andere gergas über die erhitzte Dotierungsstoffquelle und Dotierungsstoffe durchlässig ist. Dieser Unterschied anschließend über den bei einer anderen Tempe- wird dahingehend ausgenutzt, daß man durch Fenster ratur gehaltenen Halbleiterkristall geleitet und io in der Oxydschicht lokale Bereiche mit andersartiger dabei der Dotierungsstoff bei einer niedrigeren Dotierung als die der Umgebung dieser Bereiche erTemperatur nur wenig in den Halbleiterkristall zeugt, während die Dotierung der Umgebung durch eindiffundiert, dann die Diffusionsstelle der Halb- einen durch die Oxydschicht hindurchdiffundierten leiterkristalloberfläche durch Einwirkung eines Aktivator erzeugt wird.

oxydierenden Gases mit einer für den Dotierungs- 15 Bei allen solchen Diffusionsverfahren ist es üblich, stoff praktisch undurchlässigen Schicht bedeckt daß man ein dotierendes Gas auf den auf Diffusionsund schließlich der Dotierungsstoff bei einer temperatur erhitzten Halbleiterkristall einwirken höheren Temperatur tiefer in den Halbleiter- läßt. Dabei kann zunächst die Halbleiteroberfläche kristall eindiffundiert wird, dadurch ge- mit einem dotierungsstoffhaltigen Belag und dieser kennzeichnet, daß zunächst die Dotierungs- 20 erst mit der als Diffusionsmaske zu verwendende stoffquelle beim Maximum und der Halbleiter- Oxydschicht abgedeckt werden. Mit einer vorteilhafkristall an einer kälteren Stelle des Temperatur- ten Ausgestaltung eines solchen Diffusionsverfahren Verlaufs in dem rohrförmigen Behandlungsgefäß befaßt sich die Erfindung. ,
gehalten und dabei die Silicium- oder Silicium- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Difcarbid-Halbleiteroberfläche an Dotierungsstoff 25 fusionsdotieren eines Silicium- oder Siliciumcarbidabgesättigt wird, bevor mehr als 10% des insge- Halbleiterkristalls in einem einen Temperaturverlauf samt einzudiffundierenden Dotierungsstoffes um aufweisenden rohrförmigen Behandlungsgefäß, wobei mehr als 1 μΐη in den Halbleiterkristall eindiffun- ein Trägergas über die erhitzte Dotierungsstoffquelle diert sind, daß dann unmittelbar nach dem Ein- und anschließend über den bei einer anderen Tempetritt der Absättigung die für den Dotierungsstoff 30 ratur gehaltenen Halbleiterkristall geleitet und dabei praktisch undurchlässige Schicht erzeugt und daß der Dotierungsstoff bei einer niedrigeren Temperatur schließlich nach Ausbildung dieser Schicht der nur wenig in den Halbleiterkristall eindiffundiert, Halbleiterkristall / an die Stelle des Maximums dann die Diffusionsstelle der Halbleiterkristalloberdes Temperaturverlaufs im Behandlungsgefäß ge- fläche durch Einwirkung eines oxydierenden Gases bracht wird. 35 mit einer für den Dotierungsstoff praktisch undurch-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- lässigen Schicht bedeckt und schließlich der Dotiekennzeichnet, daß bei Verwendung von B₂O₃ als rungsstoff bei einer höheren Temperatur tiefer in den Quelle für das — mit einem Edelgas zu vermi- Halbleiterkristall eindiffundiert wird.

sehende — dotierende Gas die Absättigung der Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß zuOberfläche des Silicium-Halbeiterkristalls bei 40 nächst die Dotierungsstoffquelle beim Maximum und einer Temperatur der Quelle von etwa 1150⁰C der Halbleiterkristall an einer kälteren Stelle des und einer Temperatur des Silicium-Halbleiter- Temperaturverlaufs in dem rohrförmigen Behandkristalls von etwa 950° C innerhalb von zehn lungsgefäß gehalten und dabei die Silicium- oder Minuten, vorzugsweise in etwa sieben Minuten, Siliciumcarbid-Halbleiteroberfläche an Dotierungsvorgenommen wird. ₄₅ stoff abgesättigt wird, bevor mehr als 10% des ins-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gesamt einzudiffundierenden Dotierungsstoffes um gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Absät- mehr als 1 μΐη in den Halbleiterkristall eindiffundiert tigung der Oberfläche des Silicium-Halbleiterkri- sind, daß dann unmittelbar nach dem Eintritt der stalls das Edelgas durch Sauerstoff ersetzt, die Absättigung die für den Dotierungsstoff praktisch Temperatur des Silicium-Halbleiterkristalls auf 50 undurchlässige Schicht erzeugt und daß schließlich etwa 115O⁰C erhöht und die der Quelle auf nach Ausbildung dieser Schicht der Halbleiterkristall 600° C oder weniger abgesenkt wird, indem an die Stelle des Maximums des Temperaturverlaufs durch Betätigung einer Verschiebevorrichtung die im Behandlungsgefäß gebracht wird.
Dotierungsstoff quelle aus dem Bereich maximaler Hierdurch wird erreicht, daß eine definierte reTemperatur entfernt und der Silicium-Halbleiter- ₅₅ produzierbare Menge an Dotierungsstoff in den Halbkristall statt dessen in diesen Bereich gebracht leiter eingebracht und während des eigentlichen Dif^w*^r"· fusionsprozesses weder zusätzlicher Dotierungsstoff

in den Halbleiter eindringen noch aus demselben ab-

dampfen kann. Man kann also den Siliciumkristall

60 während der eigentlichen Diffusionsbehandlung auch in einem neutralen Gas oder unter Vakuum anordnen. Im Gegensatz zu den Verfahren bekannter Art

Es ist bekannt, Halbleiterkristalle aus der Gas- bringt das erfindungsgemäße Verfahren den zusatz-

phase durch thermische Diffusion von Donatoren liehen Vorteil, daß alle Arbeitsgänge ohne großen

und/oder Akzeptoren zu dotieren und dabei für den 65 technischen Aufwand in einer einzigen Apparatur

Dotierungsstoff eine räumlich von dem Halbleiter- vorgenommen werden können.

kristall getrennte Quelle zu verwenden, welche den An sich besteht die Möglichkeit, das dotierende Gas

Dotierungsstoff an die Gasphase abgibt. Dabei kann auf verschiedene Weise zu erzeugen. Bei der Durch-