DE3430009C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitersubstraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren von Halbleitersubstraten mit Dotierstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Einer der wichtigsten Schritte bei der Herstellung von Halbleitern besteht in der Diffusion von Dotierstoffen bzw. von Fremdatomen in ein Halbleitersubstrat. Einer der ersten üblichen Schritte des Verfahrens besteht in der Ablagerung einer bestimmten Menge des Dotierstoffes in einer dünnen Oberflächenschicht des Halbleiters. Die Dotierstoffe werden sodann verteilt und als Ergebnis einer bei hoher Temperatur stattfindenden Festkörperdiffusion in den Halbleiter eingetrieben. Während der zweite Schritt im wesentlichen definiert und beherrschbar ist, ist dies beim ersten Schritt, nämlich der Ablagerung der Dotierstoffe auf der Oberfläche des Substrats nicht der Fall.

Das verbreitetste Verfahren zur Ablagerung der Dotierstoffe auf der Oberfläche der Substrate besteht darin, daß diese auf einem Träger angeordnet in einen Ofen gestellt werden. Der offene Ofen wird von einem Spülgas bestimmter Zusammensetzung durchspült. Die Dotierstoffe bzw. Fremdatome werden in Gas- oder Dampfform dem Spülgas zugegeben und zwar in einer bestimmten Konzentration. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der US-PS 3 753 809 beschrieben. Dort wird zusätzlich mit einer turbulenten Strömung des Spülgases gearbeitet, wodurch bewirkt wird, daß alle Substratplatten, unabhängig von ihrem Ort im Ofen, gleichmäßig beschichtet werden. Das in der US-PS 3 753 809 beschriebene sowie die dazu verwandten Verfahren arbeiten im Bereich atmosphärischen Luftdrucks, eine Einstellung oder Regelung des Drucks ist nicht vorgesehen.

Eine allgemein akzeptierte Erklärung der Verfahren besteht darin, daß aktive Dotierstoffmoleküle rasch mit der Halbleiteroberfläche reagieren und demzufolge oberhalb der Halbleiteroberfläche sich ein Gasfilm bildet, der im wesentlichen frei von Dotierstoffen ist. Der Niederschlag der Moleküle auf der Oberfläche tritt auf als Ergebnis einer Diffusion durch den Oberflächengasfilm. Dieser stehende Oberflächengasfilm, der im wesentlichen frei von Dotierstoffen ist, beeinflußt den Diffusionsprozeß wodurch die Dotiergeschwindigkeit bestimmt wird durch eine komplizierte Funktion von Temperatur, Zusammensetzung und Fluideigenschaften des Gases sowie den Oberflächeneigenschaften des Halbleiters. Eine gleichzeitige Steuerung all dieser Parameter ist schwierig. Demzufolge ist die Steuerung des gesamten Dotierprozesses nicht optimal. Infolge der üblicherweise sehr hohen Konzentration der Dotierstoffatome auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers können Störungen des Kristallgefüges auftreten, die dazu führen, daß der Halbleiterkörper nicht die gewünschten elektronischen Eigenschaften aufweist.

Ein alternatives Verfahren zu den vorerwähnten Diffusionsverfahren besteht in der Ionenimplantation. Bei diesem Verfahren werden die Dotierstoffatome ionisiert und in Form eines hochenergetischen Ionenstrahles beschleunigt, der auf die Halbleiteroberfläche gerichtet wird. Hierbei dringen die Ionen in die Oberfläche in eine Tiefe ein, welche proportional ist zu der Energie des Ionenstrahls. Durch Steuern der Ionenstrahlintensität ist es möglich, beim Halbleiter die gewünschte Dotierstärke und die gewünschte Dotierstofftiefenverteilung zu erhalten.

Die Ionenimplantation weist gegenüber dem Diffusionsverfahren eine Reihe von Vorteilen auf, indem die Verfahrensparameter von außen gut steuerbar sind, während das Diffusionsverfahren gekennzeichnet ist durch unveränderbare physikalische Bedingungen wie beispielsweise durch die Diffusionskonstante der Störstoffe im Halbleitermaterial. Bei der Ionenimplantation ist jedoch nachteilig, daß die Halbleiterkristallstruktur durch das Eindringen der Ionen mit hoher Energie beschädigt wird. Weiter ist von Nachteil, daß der Elektronenstrahl Unreinheiten von auf der Halbleiteroberfläche haftendem Gas in die Oberfläche eintreibt.

Während der Anfänge der Halbleiterfertigung war es bekannt, die Dotierung in einem geschlossenen Rohr vorzunehmen. Hierbei wurde das Halbleitersubstrat und der im festen Zustand vorliegende Störstoff in ein Rohr eingebracht, das verschlossen und evakuiert wurde. Sodann wurde das Rohr auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, was zum Verdampfen des Dotierstoffes und seiner Diffusion in die Halbleiteroberfläche führte. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE-PS 12 61 487 beschrieben. Dabei werden Dotierstoffkonzentration und -eindringtiefe durch die eingestellte Temperatur sowie durch die Behandlungsdauer bestimmt.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß Temperatur und Behandlungsdauer die einzigen Prozeßvariablen sind. Der Gasdruck im Rohr sowie die Dotierstoffkonzentration lassen sich nicht unabhängig davon einstellen. Die Dotierstoffkonzentration ließe sich höchstens durch die eingegebene Dotierstoffmenge beeinflussen, was aber praktisch nicht möglich ist, weil die Prozeßbedingungen nicht exakt reproduzierbar sind und auf diese Weise keinerlei Regelung während des Prozesses stattfinden kann. Außerdem wird während der Abscheidung Dotierstoff verbraucht, so daß dessen Konzentration mit der Zeit abnimmt. Aus diesen Gründen ist das Verfahren weder für den Laborbereich noch für eine Massenproduktion geeignet.

Alle bekannten Verfahren zum Diffundieren aktiver Dotierstoffe in ein Halbleitersubstrat weisen den Nachteil auf, daß es nicht möglich ist, eine optimale Dotierstoffkonzentration und -verteilung zu erhalten und unerwünschte Verunreinigungseinschlüsse im Halbleitersubstrat zu eliminieren. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren ist darin zu sehen, daß es nicht möglich ist, genau und präzise gesteuert gleichzeitig zwei oder mehrere Dotierstoffe aufzubringen. Das gleichzeitige Aufbringen von zwei oder mehreren Dotierstoffen ist beispielsweise nötig bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen, welche Halbleiterschichten mit sehr hohen Dotierstoffkonzentrationen bei hoher Ladungsträgerlebenszeit aufweisen sollen. Es handelt sich hier beispielsweise um bipolare Transistoren mit hochwirksamen Emittern oder um Solarzellen.

Es besteht die Aufgabe, das eingangs genannte Verfahren so weiterzubilden, daß es möglich ist, die jeweils gewünschten Dotierstoffkonzentrationen in der gewünschten Tiefe zu erhalten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Mit dem Verfahren und den Vorrichtungen ist es nicht nur möglich, eine optimale Dotierstoffkonzentration und -verteilung im Halbleitersubstrat zu erhalten, sondern es ist auch möglich, unerwünschte Verunreinigungseinschlüsse zu eliminieren. Das Verfahren ermöglicht weiterhin eine genaue Steuerung der gleichzeitigen Dotierung von zwei oder mehr Dotierstoffen, wobei das Dotieren jeweils zu keiner Veränderung oder Beschädigung des Kristallgefüges der Halbleiterkristallstruktur führt. Das Verfahren zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß es für eine Massenproduktion geeignet ist.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Grundaufbau eines Geräts, welches geeignet ist, eine Fremdatomschicht in einen Halbleiterkörper zu diffundieren;

Fig. 2 eine modifizierte Ausführungsform, wobei das Diffundieren ausgeführt wird in Anwesenheit eines zusätzlichen reaktiven Gases und

Fig. 3 eine weitere alternative Ausführungsform, bei welcher das Diffundieren ausgeführt wird durch zwei Dotierungsgase in Anwesenheit eines zusätzlichen reaktiven Gases.

Gemäß Fig. 1 wird ein Halbleitersubstrat 1 in einer Vakuumkammer 2 angeordnet, die aus geeignetem Material besteht, das feuerbeständig ist. Nach dem Einbringen des Halbleitersubstrats 1 in die Kammer 2 wird der Verschluß 3 luftdicht verschlossen und die Kammer 2 wird mittels einer Vakuumpumpe evakuiert. Hierzu ist ein Drucksteuertor 4 vorgesehen. Das Substrat 1 wird sodann mindestens auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher eine Oberflächenreaktion zwischen dem Dotierstoff und dem Substrat auftritt. Ein gas- oder dampfförmiger Störstoff wird dann von einem Behälter 6 in die Kammer 2 eingeleitet. Die Einleitung erfolgt gesteuert durch eine Durchflußsteuervorrichtung 7 mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit. Der Gasdruck des Dotierstoffes in der Kammer 2 wird durch die Druckmeßvorrichtung 8 erfaßt. Gasdruck und Substrattemperatur werden über eine bestimmte Zeitdauer hinweg derart verändert, daß eine bestimmte Dotierung erreicht wird.

Eine Möglichkeit des Verfahrens besteht darin, daß irgendeine Anzahl von Dotierstoffquellen verwendet werden kann. Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist ein zweiter Dotierstoffbehälter 9 gezeigt, in welchem ein zweiter Dotierstoff in Dampf- oder Gasform bevorratet wird und der in die Kammer 2 eingeführt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Dotierstoffes wird gesteuert durch die Durchflußsteuervorrichtung 10.

Der Dotierstoff kann entweder in elementarer Form verwendet werden, falls sein Dampfdruck ausreichend ist oder er ist gebunden in einer chemischen Verbindung. Im letztgenannten Fall muß die chemische Verbindung mit der Oberfläche des Substrats 1 so reagieren, daß eines der Reaktionsprodukte der elementare Dotierstoff ist.

Auf der Oberfläche des Substrats 1 niedergeschlagener elementarer Dotierstoff diffundiert in das Substratmaterial ein in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Festkörperdiffusion, d. h. abhängig von der Zeit und der zeitlich veränderten Temperatur.

Die Geschwindigkeit des Niederschlags und die Geschwindigkeit der Diffusion des Dotierstoffs oder der Fremdatome in das Substrat 1 kann auf diese Weise unabhängig voneinander gesteuert werden, wobei der Gesamtbetrag des in das Substrat diffundierten Dotierstoffs bestimmt wird durch die Zeitdauer des gesamten Verfahrens.

Durch Wahl des Gasdrucks in der Kammer 2 als ein unabhängiger Parameter und der Wahl der Temperatur des Substrats 1 als anderer Parameter werden verschiedene Dotierstoffkonzentrationen und -verteilungen verwirklicht. Ein hoher Gasdruck und eine niedere Substrattemperatur führen zu einer hohen Dotierungskonzentration in einer dünnen Oberflächenschicht des Substrats 1. Ein geringerer Gasdruck und eine erhöhte Substrattemperatur führen dagegen zu einer geringeren Dotierungskonzentration, jedoch zu einer tiefer dotierten Schicht. Voneinander unabhängige Veränderungen des Gasdrucks und der Substrattemperatur oder die Variation beider Parameter während des Verfahrens ermöglichen die Schaffung von Dotierungsprofilen, welche unterschiedlich sind zu den Profilen, die bei den bekannten Diffusionsmethoden erreicht werden.

Die Fig. 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Geräts, wobei beim Verfahren ein zusätzliches Reaktionsgas verwendet wird. Falls der Dotierstoff in einer chemischen Verbindung vorliegt, welche nicht direkt mit der Oberfläche des Substrats 1 reagiert oder falls es notwendig ist, die Oberflächenreaktion von Reaktionsprodukten zu modifizieren, dann wird ein zusätzliches Reaktionsgas der Kammer 2 zugeführt. Das Reaktionsgas reagiert mit der Dotierstoffverbindung, so daß sich entweder der elementare Dotierstoff oder eine chemische Zwischenverbindung auf dem Substrat niederschlägt, wobei letzteres dann mit der Substratoberfläche reagiert und hierbei den elementaren Dotierstoff erzeugt. Ein Reaktionsgas, wie Sauerstoff ist notwendig, um beispielsweise Silicium mit Phosphor zu dotieren.

Das Reaktionsgas ist in einem Behälter 11 enthalten und strömt von dort über die Steuervorrichtung 12 gesteuert in die Kammer 2 ein und zwar gleichzeitig mit dem Fremdatomgas aus dem Behälter 6. Das Verhältnis zwischen Fremdatomgas und Reaktionsgas wird gesteuert durch die Steuervorrichtungen 7 und 12. Das Dotierstoffgas und das Reaktionsgas reagieren miteinander, wodurch der elementare Dotierstoff oder eine Zwischenverbindung erzeugt werden, wobei letztere wiederum mit der Oberfläche des Substrats reagiert, wobei der elementare Dotierstoff gebildet wird. Dieser reagiert sodann mit dem Substrat 1 wie zuvor beschrieben. Durch die Verwendung eines Reaktionsgases ist es möglich, eine hohe Dotierstoffkonzentration im Halbleiter mit einer niedrigen Defektstellenkonzentration zu erhalten.

Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei der Dotierung mehrerer Halbleiter. Hierbei ist eine druck- und temperaturgesteuerte Mehrfachdotierung in Anwesenheit eines Reaktionsgases möglich. Eine Reihe von Halbleiterscheiben 13 ist angeordnet auf einer rechteckigen Quarzstange, die als Boot bezeichnet wird. Das Boot befindet sich in einer Unterdruckkammer 14. Ein Ende der Kammer 14 ist durch eine Türe 16 verschlossen. Das andere Ende der Kammer ist verbunden mit einer Vakuumpumpe 17. Der Druck in der Kammer 14 wird eingestellt durch ein Drucksteuerventil 18 zwischen der Vakuumpumpe 17 und der Kammer 14. Als erstes wird die Kammer bei voll geöffnetem Drucksteuerventil 18 durch die Vakuumpumpe 17 evakuiert. Sodann wird die Kammer 14 und die darin befindlichen Halbleiterscheiben 13 durch einen Ofen 15 erhitzt. Ein erster Dotierstoff, beispielsweise eine Arsenverbindung wie AsCl₃ im Behälter 19 wird durch eine Heizvorrichtung 20 erhitzt, damit sich ein Dampfdruck ergibt, der ausreichend groß ist, damit sich eine erste kontinuierliche Dampfströmung zur Kammer 14 ergibt. Diese Dampfströmung wird gesteuert durch ein Ventil 21 und eine Strömungssteuervorrichtung 22. Ein zweiter Dotierstoff, beispielsweise eine Phosphorverbindung wie POCl₃, im Behälter 23 wird erhitzt durch die Heizvorrichtung 24, damit ebenfalls ein Dampfdruck entsteht, der ausreichend groß ist, daß eine zweite kontinuierliche Dampfströmung entsteht. Die zweite Dampfströmung wird gesteuert durch ein Ventil 25 und eine Durchflußsteuervorrichtung 26. Weiterhin wird ein Reaktionsgas wie beispielsweise Sauerstoff über ein Ventil 27 und eine Durchflußsteuervorrichtung 28 der Kammer 14 zugeführt. Sobald sich ein Temperaturgleichgewicht in der Kammer 14 eingestellt hat, werden diese Ventile 21, 25 und 27 geöffnet und die Gase strömen in vorbestimmter Menge in den Behälter 14 ein, wobei die Mengen bestimmt werden durch die Durchflußsteuervorrichtungen 22, 26 und 28. Der Gasdruck in der Kammer 14 wird durch ein Manometer 29 erfaßt. Der Gasdruck und die Temperatur der Halbleiterscheiben werden unabhängig voneinander verändert, um ein bestimmtes Dotierprofil zu erzeugen. Eine kontrollierte Gasatmosphäre wird in der Kammer 14 beibehalten, bis ein bestimmter Betrag der Dotierstoffe in die Halbleiterscheiben diffundiert ist. Sodann werden die Ventile 21, 25 und 27 geschlossen und die Gasfüllung durch Evakuieren der Kammer 14 entfernt. Letztlich wird das Ventil 18 geschlossen und die Kammer 14 gefüllt mit einem inerten Trägergas, beispielsweise mit Stickstoff, der über das Ventil 30 zugeführt wird.

Claims (12)

1. Verfahren zum Dotieren von Halbleitersubstraten mit einem dampf- oder gasförmigen Dotierstoff, gekennzeichnet durch die aufeinander folgenden Verfahrensschritte:

• (a) Einbringen der Substrate in eine Reaktionskammer und Verschließen der Reaktionskammer;
• (b) Evakuieren der Reaktionskammer;
• (c) Erhitzen der Substrate auf mindestens die Reaktionstemperatur mit dem Dotierstoff;
• (d) Kontinuierliches Hindurchleiten einer dosierten Menge des gas- oder dampfförmigen Dotierstoffes durch die Reaktionskammer;
• (e) Einwirkenlassen des Dotierstoffs über eine bestimmte Zeitdauer, während der sowohl der Druck in der Reaktionskammer als auch die Substrattemperatur unabhängig voneinander verändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Siliciumsubstrats und von Phosphorwasserstoff die Temperatur etwa 700°C bis 1200°C und der Druck etwa 400 mTorr beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Germaniumsubstrats die Temperatur etwa 500°C bis 900°C beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff Teil einer gas- oder dampfförmigen Verbindung ist, in die Kammer weiterhin eine bestimmte Menge eines Reaktionsgases kontinuierlich eingebracht wird und hierbei die Temperatur in einem Bereich gehalten wird, in welchem die Verbindung mit dem Reaktionsgas reagiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Siliciumsubstrats, von Phosphorwasserstoff und von Sauerstoff der Phosphorwasserstoff mit etwa 10 ml/min und der Sauerstoff mit etwa 40 ml/min der Kammer zugeführt werden, die etwa eine Stunde bei einem Druck von etwa 400 mTorr auf etwa 800°C gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Siliciumsubstrats, von Arsentrichlorid, von Phosphoroxychlorid und von Sauerstoff das Arsentrichlorid mit etwa 15 ml/min, das Phosphoroxychlorid etwa 15 ml/min und der Sauerstoff mit etwa 50 ml/min der Kammer zugeführt werden, welche etwa 20 Minuten erhitzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Galliumarsenid und von Diäthylzink die Temperatur etwa 400°C bis 700°C beträgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumbehälter (2) vorgesehen ist, der an eine Vakuumpumpe (5, 17) über ein verstellbares Drucksteuerventil (4, 18) angeschlossen ist, am Vakuumbehälter (2) eine steuerbare Heizquelle (15) vorgesehen ist, im Vakuumbehälter (2) mindestens ein zweiter Behälter (6, 9, 11, 19, 23) mündet und zwischen dem Vakuumbehälter (2) und dem zweiten Behälter (6, 9, 11, 19, 23) eine Durchflußsteuervorrichtung (7, 10, 12, 22, 26) geschaltet ist, die die zeitliche Durchflußmenge des im zweiten Behälter (6, 9, 11, 19, 23) befindlichen gas- oder dampfförmigen Dotierstoffs bestimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuumbehälter (2) eine ein Reaktionsgas führende Leitung mündet, in welchem eine die zeitliche Durchflußmenge bestimmende Durchflußsteuervorrichtung (28) geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Behälter (6, 9, 11, 19, 23) eine Heizvorrichtung (20, 24) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumbehälter (2) aus Quarz besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Durchflußsteuervorrichtung (7, 10, 12, 22, 26, 28) ein Durchflußventil (21, 25, 27) zugeordnet ist.