CH497200A - Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdstoffen in Halbleiterkörper - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdstoffen in Halbleiterkörper
Bekanntlich können durch   Eindliffundieren    von Fremdstoffen Teilbereiche eines Halbleiterkörpers höher dotiert oder umdotiert oder mit Rekombinationszentren angereichert werden. Nach dem sogenannten  Ampullenverfahren  werden mehrere Halbleiterkörper zusammen mit einer Dotierungsstoffquelle in eine Quarzampulle eingebracht, die evakuiert, zugeschmolzen und anschliessend auf eine vorgeschriebene Diffusionstemperatur erwärmt und auf dieser Temperatur so lange gehalten wird, bis der Dotierungsstoff auf eine gewünschte Tiefe in die Halbleiterkörper eingedrungen ist. Quarzampullen haben bei den besonders für Siliziumkörper günstigen hohen Diffusionstemperaturen den Nachteil, dass sie unerwünschte Verunreinigungen in das Innere gelangen lassen und keine genügende mechanische Festigkeit mehr besitzen.

  Ausserdem wurde an so behandelten Siliziumscheiben die Bildung einer oxydierten Oberflächenschicht beobachtet, die wahrscheinlich den Diffusionsprozess beeinträchtigt. Mit der Erfindung können die geschilderten Nachteile beseitigt werden.



   Demgemäss betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdstoffen in Halbleiterkörper für elektronische Halbleiterbauelemente durch Erhitzen in einer neutralen Atmosphäre oder im Hochvakuum, mit einem Gefäss zur Aufnahme der Halbleiterkörper und der Fremdstoffe, und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gefäss verwendet wird, das auf der Innenseite eine Oberflächenschicht aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die zu diffundierenden Halbleiterkörper aufweist. Während des Diffusionsprozesses kann das Gefäss evakuiert oder mit einem inerten Schutzgas, z. B. Argon, gefüllt sein.



   Als weiterer Vorteil hat sich gezeigt, dass mit einem solchen Diffusionsgefäss unter Umständen eine bestimmte Eindringtiefe in wesentlich kürzerer Zeit erreicht wird als mit einer Quarzampulle. Beispielsweise wird beim Eindiffundieren von gasförmigen Aluminium in Siliziumkörper mit einer Quarzampulle bei einer Diffusionstemperatur von 12500 C und einer Diffusionszeit von 30 Stunden eine Eindringtiefe von etwa 80 erreicht, während mit einem   Siliziumgefäss    unter denselben Bedingungen eine Eindringtiefe von etwa 150    c    festgestellt wurde. Dies lässt sich damit erklären, dass sich in Quarzampullen bei der Diffusion stets eine Oxydschicht auf dem Siliziumkörper bildet. Das Aluminium hat aber im Oxyd eine begrenzte Löslichkeit, die geringer als im Silizium ist.

  Diese geringere Löslichkeit bestimmt die Randkonzentration des Aluminiums in dem unter der Oxydschicht befindlichen Silizium.



  Deshalb wird in Quarzampullen maximal eine Randkonzentration von ungefähr   4. 1015    Atomen Alumi   nium/cm3    erzielt. Im Siliziumgefäss bildet sich dagegen auf den Siliziumkörpern keine Oxydschicht. Infolgedessen wird eine   Randkonzentration    von etwa   103     Atomen Aluminium/cms erreicht. Ausserdem kann, da Silizium eine grössere Temperaturfestigkeit als Quarz hat, bei Verwenden eines Siliziumgefässes die Diffusionstemperatur über 12500 C hinaus bis dicht unter den Schmelzpunkt des Siliziums, beispielsweise bis aus 13500 C, gesteigert und dadurch die Diffusionszeit weiter verkürzt werden.



   Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Vorteile näher beschrieben und erläutert.



   Die Fig. 1 und 3 zeigen Teile je einer Ausführungsform.



   Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in einer schematischen Übersicht.



   Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Gefässes.



   In Fig. 1 ist mit 2 ein Stapel von scheibenförmigen Halbleiterkörpern bezeichnet, der sich zusammen mit einer Fremdstoffquelle 3 in einem Gefäss 4 befindet.



  Die Halbleiterscheiben enthalten neben Fremdstoffen.



  die während der Herstellung in das Halbleitermaterial gezielt eingebracht wurden und die einen bestimmten Leitfähigkeitstyp erzeugen, in geringerer Anzahl zusätzliche unerwünschte und nicht vermeidbare Verun  reinigungen. Das Material des Gefässes 4 und seines Deckels 5 soll keine grössere Konzentration an derartigen Verunreinigungen aufweisen als die Halbleiterscheiben, d'a die Verunreinigungen durch eine Wärmebehandlung in das Gefässinnere verdampfen und die Halbleiterscheiben verunreinigen. Es besteht daher wenigstens eine Oberflächenschicht der Innenseite des Gefässes aus Material derselben Art wie die Halbleiterscheiben. Die Halbleiterscheiben und das Gefäss 4 bestehen beispielsweise aus Silizium, das durch pyrolytische Zersetzung einer gasförmigen Siliziumverbindung gewonnen und gegebenenfalls in einem oder mehreren Zonenschmelzdurchgängen gereinigt sein kann.

  Als Fremdstoffquelle 3 kann beispielsweise ein Stück hochreines Aluminium verwendet werden, von dem ein Teil verdampft und in die   Silizinrnscheiben    allseitig eindiffundiert werden soll.



   Aus einem Stab von beispielsweise 35 mm Durchmesser sei ein Stück von 80 mm Länge geschnitten, aus dem durch Ausbohren bzw. Ausfräsen das becherförmige Gefäss 4 hergestellt ist. Von demselben Stab sei der Deckel 5 abgeschnitten. Zur Erzielung eines so dichten Abschlusses, dass zwar das Gefäss 4 evakuiert werden kann, aber unerwünschte Fremdstoffe, die etwa aus der Kammer 6 herausdiffundieren, nicht in das Gefäss 4 gelangen können, werden die sich berührenden Flächen des Gefässes 4 und des Deckels 5 vorteilhaft plangeläppt. Dadurch, dass die Achse des Gefässes lotrecht ausgerichtet ist, können die Halbleiterscheiben aufeinandergestapelt werden, ohne dass besondere Mittel zum Haltern und Abstützen der Halbleiterscheiben erforderlich sind.



   Das Gefäss 4 ist von Abstandshaltern, z. B. Quarzstäbchen 8, gestützt in einer Kammer 6, z. B. aus Aluminiumoxyd, mit allseitigem Abstand von den Kammerwandungen untergebracht. Nach Fig. 2, in der das Ausführungsbeispiel im Ganzen dargestellt ist, hat die Kammer 6 die Form eines einseitig geschlossenen Rohres, dessen unterer Teil mit lotrechter Achse im Schacht eines schematisch angedeuteten vertikalen elektrischen Widerstandsheizofens 10 angeordnet ist. Die untere   Öffnung    des   Äviderstandsheizofens    ist mit einem Kera   mikpfropfen    24 und mit   wänneisolierendem    Material, z. B. Steinwolle 25, verschlossen. An die Wand der Kammer 6 sind in der Nähe ihres oberen offenen Endes, das aus dem Ofen herausragt,   Metallringe    11, z.

  B. aus Aluminium, angepresst, die als Schirm gegen die aus dem Ofen austretende Wärme und als Kühlkörper dienen. Die Kammer 6 ist mittels eines Schliffes oder einer   Quetschdichtung    7 an ein T-Rohr 9 angeschlossen, dessen oberes Ende mit einem Dichtungsring 12 und einer Glasscheibe 13 vakuumdicht verschlossen ist und dessen horizontaler Schenkel zu einer Vakuumpumpe führt. Das Rohr 9 und die Dichtung 7 sind mittels Kühlschlangen 14 gekühlt. Die Vakuumpumpe saugt ständig die Verunreinigungen ab, die aus der Kammerwand; und den Abstandhaltern 8 ausdampfen. Aus diesem Grunde ist es unschädlich, dass die Kammer 6 und die Abstandshalter 8 aus weniger reinen Materialien bestehen, z.B. aus Aluminiumoxyd bzw. aus Quarz, wie erwähnt.

  Bei Verwenden des hitzebeständigen Aluminiumoxyds kann eine Diffusionstemperatur gewählt werden, die dicht unter dem Schmelzpunkt von Silizium liegt.



   Die in einer solchen Vorrichtung behandelten Siliziumscheiben mögen zu Beginn des Diffusionsprozesses n-dotiert sein mit einer gleichmässigen Dotierungskonzentration von etwa   1 014/cm.    Als Fremdstoff werde Aluminium eindiffundiert. Nach einer Zeit von 15 Stunden bei einer Temperatur von 12500 C ist dann etwa eine 90   ,n    dicke Schicht an der Oberfläche der Halbleiterscheiben durch Eindiffusion von Aluminium umdotiert.



   In Fig. 3 sind Teile einer anderen Ausführungsform dargestellt. Die Darstellung ist im wesentlichen auf die Teile beschränkt, die sich von den entsprechenden Teilen der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 unterscheiden. Mit 4 ist wiederum ein Gefäss bezeichnet, das aus Halbleitermaterial von derselben Art wie die in dem Gefäss enthaltenen Halbleiterscheiben 2 besteht.



  Das Gefäss 4 ist mit einem Kolben 18 in gewünschter Weise verschlossen, der in dem Gefäss 4 mit einem Dorn 19 befestigt ist. Dieser Dorn 19 ist durch eine Bohrung in dem verdickten Ende 20 eines Stabes 21 geführt. Das obere Ende dieses Stabes weist eine Verdickung 22 auf, die ebenfalls durchbohrt ist. In dieser Bohrung steckt ein Dorn 15, der in einer Nut in einem Flansch 17 am oberen Ende des Rohres 9 gelagert ist.



  Der Kolben 18, der Dorn 19 und der Stab 21 bestehen aus demselben Material wie das Gefäss 4. Das Gefäss 4 werde nicht mit einem Heizofen, sondern mittels einer Induktionsheizspule 23 beheizt, die mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist wird und die Kammer 6 in Höhe des Gefässes 4 umgibt. Da eine induktive Erhitzung von hochreinem Silizium bei Raumtemperatur nur schwer möglich ist, muss das Gefäss 4, wenn es vollständig aus hochreinem Silizium besteht, vorgeheizt werden, z. B. durch Strahlung. Das   SilZziumgefäss    4 kann auch rein induktiv beheizt werden, wenn es mit einer leitfähigen Schicht, z. B. aus Graphit, umgeben ist. Es ist auch möglich, wenigstens einen Teilbereich des   Siliziumgefässes    durch eingebrachte Verunreinigungen bei Raumtemperatur leitfähig zu machen.

  Eine solche Beschaffenheit des Siliziumgefässes ergibt sich durch die Benutzung von selbst, da nach Beendigung eines Diffusionsvorganges nicht nur die Halbleiterscheiben, sondern auch die Innenseiten des Gefässes 4 und des Deckels 5 mit einer dotierten leitfähigen Schicht umgeben sind.



   Bei induktiver Beheizung ist zu beachten, dass zur Temperaturüberwachung die Temperatur des Siliziumgefässes erfasst werden muss. Die Temperatur wird in diesem Falle vorteilhaft mit einem Pyrometer gemessen.



  Dazu muss aber die Vakuumkammer durchsichtig sein.

 

  Als Material kommt dafür praktisch nur Quarz in Frage. Das ist in diesem Falle zulässig, weil die Quarzkammer gekühlt werden kann, z. B. mittels eines Luftstromes.

 

   In Fig. 3 ist eine andere Gefässform dargestellt, bei der der Deckel 5 des Gefässes becherförmig ist und über das Gefäss gestülpt wird, wodurch ebenfalls ein geeigneter Verschluss erzielt wird.



   Für geringere Ansprüche an den Reinheitsgrad der Halbleiterscheiben genügt es unter Umständen, das Gefäss 4 aus einem weniger reinen Material, z. B. aus Graphit, herzustellen und seine Innenwände mit einer Schicht aus hochreinem Halbleitermaterial zu überziehen.



   Die aus der vorstehenden   Beschreibung-    oder/und die aus der zugehörigen Zeichnung - entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen sind, soweit nicht vorbekannt, im einzelnen, ebenso wie ihre  hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander, als wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdstoffen in Halbleiterkörper für elektronische Halbleiterbauele- meute durch Erhitzen in einer neutralen Atmosphäre oder im Hochvakuum, mittels eines Gefässes zur Aufnahme der Halbleiterkörper und der Fremdstoffe, d'adurch gekennzeichnet, dass ein Gefäss verwendet wird, das auf der Innenseite eine Oberflächenschicht aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die zu diffundierenden Halbleiterkörper aufweist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gefäss verwendet wird, das Zylinderform hat und zur Aufnahme eines Stapels von Halbleiterscheiben mit vertikaler Zylinderachse in einer die neutrale Atmosphäre umschliessenden Kammer untergebracht ist 2. Verfahren nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Gefäss verwendet wird, das in einer Vakuumkammer mit ständig angeschlossener Hochvakuumpumpeinrichtung untergebracht ist.

   3. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass'ein Gefäss verwendet wird, das in einer Kammer aus Aluminiumoxyd mit allseitigem Abstand von den Kammerwandungen untergebracht ist, und dass ein elektrischer Widerstands ofen zur Aufnahme und Beheizung der Kammer vorgesehen ist.

   4. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gefäss verwendet wird, das in einer Kammer aus Quarz mit allseitigem Abstand von den Kammerwandungen untergebracht ist, und dass eine Spule zur induktiven Beheizung des Gefässes sowie eine Einrichtung zur künstlichen Kühlung der Quarzkammer vorgesehen sind.

   5. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gefäss verwendet wird, das auf seiner Aussenseite mit einer Graphitschicht ummantelt ist.