DE1544245A1

DE1544245A1 - Diffusionsverfahren zum Erzeugen eines Gebietes veraenderter elektrischer Eigenschaften in einem Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE1544245A1
Application number: DE19661544245
Authority: DE
Inventors: Norman Goldsmith
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-05-10
Filing date: 1966-05-10
Publication date: 1969-01-30
Also published as: BR6679397D0; GB1136304A; ES326459A1; NL149714B; NL6606296A; US3374125A; DE1544245B2; SE334946B

Description

6250-66-Kö/E

RCA 55 421

Ser.No. 454,4?4

Convention date: May 10, I965

Radio Corporation of America New York N.Y., V.St.A.

Diffusionsverfahren zum Erzeugen eines Gebietes veränderter

elektrischer Eigenschaften in einem Halbleiterkörper

Die Erfindung befaßt sich mit Diffusionsverfahren auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren, nach dem Silicium und Germanium Kit P-leitenden Verunreinigungen oder Aktivatorstoffen dotiert werden können. Ein· bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens umfaßt, kurz gesagt, die folgenden Schritte: Es wird (Schritt 1} in einer nichtoxydierenden Atmosphäre eine Scheibe mit einer Oberflächenschicht aus einem Oxyd des Bors, Galliums, Indiums oder Aluminiums neben und in geringem, im wesentlichen parallelen Abstand von der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterkörpers angeordnet, und es werden (Schritt 2} die Scheibe und der Halbleiterkörper auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Metalloxyd verdampft und das Metall des Oxydes in den Halbleiterkörper eindiffundiert.

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ORlGlNAi INSPECTED

Die Dotierungsscheibe kann aus oberflächenoxydiertem Metallnitrid bestehen. Man kann für die Dotierungsscheibe entweder einen Preßkörper aus Pulver oder festes Metalloxyd, einen oberflächenoxydierten Metallnitrid-Preßling oder dotiertes Halbleitermaterial verwenden. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht von in einem Ofen zwischen Dotierungsscheiben angeordneten Körpern aus Halbleitermaterial;

Figur la eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines zu dotierenden Körpers aus Halbleitermaterial;

Figur Ib eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Halbleiterkörpers nach Figur la mit einem eindiffundierten Gebiet veränderter elektrischer Eigenschaften;

Figur 2 ein Diagramm!, das den spezifischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Dotierungszeiten bei Siliciumkörpern unter Verwendung von oxydiertem Bornitrid als Dotierungsstoff veranschaulicht und

Figur 3 ein Diagramm, das den spezifischen Wider-

} stand in Abhängigkeit von der Zeit für Silieiumkörperi die bei verschiedenen Temperaturen dotiert sind, veranschaulicht.

Figur 1 zeigt einen Ofen 10 für die Verwendung im Verfahren zum Erzeugen eines Gebietes 12 veränderter elektrischer Eigenschaften in einem Halbleiterkörper 14 aus z.B. monokristallinem Silicium oder Germanium (Figur la und Ib). Der Körper 14 hat vorzugsweise die Form eines Scheibchens. Der Ofen 10 besteht aus einem Quarzrohr 16, das an seinem einen

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Ende l8 nach außen offen Ist. Das andere Ende 20 des Rohres 16 ist mit einem wärmeisolierenden Stopfen 22 abgedichtet. Durch den Stopfen 22 sind zwei Qüarzröhren 24 und 26 hindurehgeführt, um Sauerstoff bzw. ein nichtoxydierendes Gas durch das Rohr 16 zu schicken, wie noch erläutert werden wird. Ventile 28 und 30 sowie Strömungsmesser 32 und 34 sind hintereinander in die Röhren 24 bzw. 26 eingeschaltet, um die durch das Rohr 16 zu schickenden Gasströme zu regulieren und zu dosleren. Auf dem Rohr 16 ist eine Heizspule 36 sowie eine Isolierhülle 38 angeordnet, um das Rohr und seinen Inhalt in bekannter Weise auf eine gewünschte Temperatur erhitzen zu können.

Als Quelle des in den Halbleiterkörper 14 einzudiffundierenden T"srunreinigungs- oder Dotierungsstoffes dient ein Oxyd eines Metalls der Gruppe III des Periodischen Systems wie Bor, Gallium, Indium oder Aluminium. Einige dieser Metalloxyde wie Boroxyd sind bei den in Frage kommenden Diffusionstemperaturen im flüssigen Zustand. Da es im Hinblick auf eine gleichmäßige Dotierung wünschenswert ist, daß sämtliche Punkte der einen Hauptfläche 40 des Halbleiterkörpers 14 gleichen | Abstand von der Dotierungsstoffquelle haben, sind Maßnahmen getroffen, um die eine Oberfläche des Metalloxydes im wesentlichen parallel zur Hauptfläche 40 des Halbleiterkörpers 14 anzuordnen. Bei einer Ausfuhrungsform wird ein Nitrid eines Metalls der Gruppe III, beispielsweise Bornitrid, in die Form von Scheiben 42 gebracht, die annähernd gleiche Gestalt, vorzugsweise jedoch etwas größere Abmessungen haben als der

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Halbleiterkörper l4. Mehrere solche Scheibchen 42 aus Bornitrid werden senkrecht in alternierenden Schlitzen 42a ein. V-förmigen Quarzwanne 44 angeordnet. Die Wanne 44 wird sodann durch das offsne Ende 18 in das Rohr 16 des Ofens 10 eingebracht.

Die Oberflächen des Bornitridscheibchens 42 werden oxydiert, indem man sie ungefähr eine Stunde lang in einem durch die Röhre 24, das Ventil 28 und den Strömungsmesser J2 eingespeisten Sauerstoffstronl· auf ungefähr 955 °C erhitzt, ^ Ende dieses Erhitzungsvorganges ist jedes der Bornitr-Msc- κ.: chen 42 mit einem dünnen Belag 46 aus Boroxyd überzogen. Die im Ofen 10 stattfindende Reaktion verläuft nach der folgenden Gleichung:

2 BN + 5/2 0₂-4 B₂O, + N₂

Nunmehr wird das Ventil 28 geschlossen, da eine weitere Oxydation der Scheibchen 42 nicht erforderlich ist. Die Oxydie-' rung der Seheibchen 42 erfolgt in Abwesenheit der Halbleiterkörper 14.

TJm in den Halbleiterkörper 14 ein P-leitendes Gebiet 12 einzudiffundieren, werden zunächst in den einzelnen mit den Schlitzen 42a alternierenden Schlitzen 14a der Wanne 44 je zwei Halbleiterkörper 14 Rücken an Rücken angeordnet. Dadurch wird die Hauptfläche 40 der einzelnen Körper 14 jeweils in parallelem Abstand neben der HauptflHche 48 eines

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oberfläehenoxydierten Hitridscheibchens 42 angeordnet. Die Flächen 4ö der Halbleiterkörper 14 sollten die Flächen 48 der Scheibehen 42 nicht berühren, da andernfalls narbenartige Bildungen mit unerwünschten Dotierungen auf dem Halbleiterkörper 14 entstehen würden. Andererseits sollte die Fläche der einzelnen Halbleiterkörper 14 von der benachbarten Fläche 48 des entsprechenden oxydierten Scheibchens 42 einen Abstand von nicht mehr als 6,35 mm (250 Mil) haben.

Wenn der Durchmesser der Ofenrohres 16 z.B. ungefähr 5,O8 cm (2 Zoll) beträgt, können öle einzelnen Halbleiterkörper 14 einen Durchmesser von je ungefähr 2,54 - 3,8l cm (l - 1 1/2 Zoll) haben. Die oxydierten Bornitridseheibchen 42 können einen Durchmesser von je ungefähr 2,54 - 4,45 cm (l - 1 3/4 Zoll) haben. Die Dicke der Halbleiterkörper 14 kann 0,1 - 0,51 mm (4 - 20 Mil) betragen. Die Dicke der oberflächenoxydierten Bornitridseheibehen 42 kann 0,51 - 2,54 mm (20 - 100 Mil) betragen. Typische Diekeabraessungen des Halbleiterkörpers 14 und des oxydierten Bornitridscheibchens 42 sind 0,254 mm (.10 Mil) bzw, 1,524 mm (60 Mil). Bei einem Körper 14 und einem I

Scheibohen 42 der genannten Art beträgt der Abstand zwischen der Fläche 40 des Halbleiterkörpers 14 und der Fläche 48 des oxydierten Scheibchens 42 typischerweise ungefähr 1,02 mm (40 Mil).

Die Diffusion des Bors dureh die Oberfläche 40 der Halbleiterkörper 14 erfolgt durch Erhitzen der alternierend angeordneten, parallelen Körper 14 und Scheibchen 42 im Ofen

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ίο auf eine Temperatur zwischen 700 und 1200 ⁰C. in einer nichtoxydierenden Atmosphäre. Um eine solche nichtoxydierende Atmosphäre bereitzustellen, wird ein Inertgas, beispielsweise Argon, Stickstoff, Helium oder Pormiergas (lO % Wasserstoff und 90 % Stickstoff) mit einer Durchsatzrate von ungefähr 0,085 m je Stunde (35 Standardkubikfuß je Stunde) durch das Rohr 16 geschickt. Die Durchflußmenge oder der Durchsatz an Inertgas durch das Rohr 16 wird durch das Ventil j50 und den

k Strömungsmesser j>4 reguliert. Obwohl der Belag 46 aus Boroxyd bei diesen Diffusionstemperaturen flüssig ist, ist dieser Belag 46 verhältnismäßig dünn und benetzt lediglich die Oberfläche des Bornitridscheibchens 42, ohne abzulaufen. Die Flächen 40 der einzelnen Halbleiterkörper 14 werden daher im wesentlichen gleichmäßig dotiert. Sämtliche Flächen 40 haben im wesentlichen den gleichen parallelen Abstand von der jeweils benachbarten oxydierten Fläche 48 der Boroxydquelle. Das Boroxyd des Belages 46 verdampft im Temperaturbereich zwischen 70Q und 1200 ⁰C in so ausreichendem Maße, daß Bor in die

" Fläche 40 der einzelnen Halbleiterkörper 14 elndiffurrLert und dort das P-leitende Gebiet 12 erzeugt, wie in Figur Ib gezeigt. Die Tiefe des P-leitenden Gebietes 12 hängt von der Temperatur und der Zeitdauer des Erhitzungsvorganges ab. Eine Zeltdauer von mindestens 20 Minuten ist erwünscht, um eine gute Kontrolle der Dotierung des Halbleiterkörper 14 zu ermöglichen.

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Das Diagramm nach Figur 2 zeigt die Änderung des spezifischen Widerstandes des Gebietes 12 in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Behandlungszeiten. Beispielsweise erhält man durch 20 Minuten langes Erhitzen von alternierend und parallel angeordneten Siliciumkörpern 14 und oxydierten Bornitridseheibchen 42 bei 900 °c i_n Argon ein Gebiet 12 mit einem spezifischen Widerstand von 200 Ohm/Quadrat, bei nicht meßbarer Abweichung über den Bereich der Fläche 40 des Körpers 14 oder von Körper zu Körper. Bei diesem Verfahren ^ hängt die Änderung der spezifischen Widerstände der Körper 14 hauptsächlich von der Temperatur ab. Hält man die Temperatur im Ofen 10 im wesentlichen konstant, so hängt der spezifische Flächenwiderstand von der Zeitdauer des Aufbringens oder der Diffus ions dauer ab, wie im Diagramm nach Figur j5 gezeigt. Für die Anfertigung der Diagramme nach Figur 2 und j5 wurde N-leitendes Silicium mit einem Grunddotierungspegel von β χ 10 Ladungsträgern verwendet.

Das Bor des dotierten Gebietes 12 kann nach irgendwelchen bekannten Methoden bis zu einer beliebigen Tiefe in den Körper 14 eingebracht werden. Dies kann z.B. in der Weise erfolgen, daß man die oberflächenoxydierten Scheibehen 42 aus dem Ofen 10 entfernt und die Halbleiterkörper 14 im Ofen 10 solange auf eine Temperatur zwischen 700 und 1200 ⁰C erhitzt, bis die Aktivierungsstoffe eine gewünschte Diffusionstiefe erreicht haben. Besteht der Körper 14 ursprünglich aus N-leitendem Halbleitermaterial» so ist der zwischen dem diffun-

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dierten P-Gebiet 12 und dem N-Halbleitermaterial gebildete Übergang 50 -ein PN-Übergang mit gleichrichtenden Eigenschaften.

Statt oberflächenoxydierter Bornitridscheibchen 4--kann man als Dotierungsquelle für die Halbleiterkörper 14 auch oberflächenoxydierte Scheibchen aus Galliumnitrid, Indiumnitrid oder Aluminiumnnitrid verwenden. Wenn die erwähnt-. Nitride nur in Pulverform zur Verfügung stehen, kann man die | Pulver nach bekannten Methoden durch Anwendung von Hitze und hohem Druck in die Form der Scheibchen 42 verpressen. i;as so erhaltene Scheibchen 42 braucht für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren nicht den theoretischen Dichtewert aufzuweisen. Galliumnitrid- und Indiumnitridscheibchen 42 können zwecks Bildung eines Belages 48 aus Galliumoxyd bzw. Indiumoxyd in der Weise oxydiert werden, daß man die Scheibchen 15 Minuten lang im Ofen 10 in einem Sauerstoffstrom bei ungefähr 700 ⁰C erhitzt. Die Oxydierung eines Alumlniumnitridscheibchens 42 zwecks Herstellung eines Belages 48 aus Aluminiumoxid kann durch ungefähr einstündiges Erhitzen des Nitridscheibchens bei 955 ⁰C erfolgen.

Das Eindiffundieren von Gallium und Indium als Dotierungsstoffe in die Halbleiterkörper 14 mittels oberflächenoxydierter Gallium- bzw. Indiumnitrldscheibchen 42 kann in der Weise erfolgen, daß man die alternierend und parallel in der Wanne 44 angeordneten Scheibchen 42 und Körper 14 im Ofen 10 mindestens 20 Minuten lang auf eine Temperatur zwischen 600 und 1100 ⁰C erhitzt. Das Dotieren der Halbleiterkörper 14

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mit Aluminium kann in der Weise erfolgen, daß man die alternierend und parallel in der Wanne 44 angeordneten oxydierten Aluminiumnitridscheibehen 42 und Halbleiterkörper 14 im Ofen 10 mindestens 20 Minuten lang auf eine Temperatur zwischen 1100 und 1300 ⁰C erhitzt.

In Fällen, wo der Metalloxydfcelag 46 bei den angewendeten Diffusionstemperaturen nicht flüssig ist, wie z.B. im Falle eines Belages 46 aus Aluminiumoxyd, und in Fällen, wo das betreffende Metalloxyd als zu einem Scheibchen verformbarer Feststoff erhältlich ist, kann man als Dotierungsquelle ein Seheibchen 42 aus dem reinen Metalloxyd verwenden. Aluminiumoxyd steht gewöhnlich in Feststofform zur Verfügung, so daß man für die Durchführung des erwähnten Diffusionsverfahr ens an Stelle des oxydierten Nitridscheibchens 42 ein geeignet geformtes Scheibciien aus Aluminiumoxyd verwenden kann.

Statt die Oberflächen der Nitridscheibchen 42 in einem Säuerstoffstrom im Ofen 10 zu oxydieren, kann das Oxydieren auch auf andere Weise erfolgen, wobei dann die Seheibchen 42 für den DiffusionsVorgang in der in Figur 1 gezeigten | Weise alternierend und parallel mit den Halbleiterkörpern 14 angeordnet werden. Beispielsweise kann die Oberflächenoxydation eines Scheibchens aus Bornitrid 42 durch halbstündiges Kochen des Scheibchens in einer verdünnten basischen Lösung erfolgai. Als verdünnte basische Lösung kann man Natriumhydroxyd verwenden. Das Oxydieren der Oberfläche eines Bornitrldscheibchens 42 kann auch durch. Waschen des Scheibchens in heißem

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Wasser oder durch Erhitzen des Scheibchens in Wasserdampf bis zum Sichtbarwerden des Boroxydbelages 46 erfolgen.

Sobald der Boroxydbelag 46 auf dem Nitridscheibchen 42 gebildet ist, sind keine weiteren aktiven Verfahrensschritte zum Oxydieren der Oberfläche des Scheibchens 42 mehr erforderlich, da die Spuren von Sauerstoff, die in dem beim Diffu-' sionsvorgang verwendeten Inertgas vorhanden sind, ausreichen, um das während des DiffusionsVorganges verdampfte Oxyd auf dem Belag 46 zu ersetzen. Auch findet eine ausreichende Oxydation des Scheibchens 42 statt, wenn die Wanne 44 aus dem Ofen 10 herausgenommen wird, um die dotierten Halbleiterkörper 14 zu entfernen. Das Nitridscheibchen 42 bildet daher gewissermaßen eine sich selbst ergänzende Dotierungsstoffquelle. Die Scheibchen 42 sind unter den genannten Bedingungen praktisch unerschöpflich, und es wird für das erfindungsgemäße Diffusionsverfahren weit weniger Dotierungsstoff verwendet als bei den erwähnten vorbekannten Verfahren.

Wenn die Halbleiterkörper 14 aus Germanium sind, sollte die Temperatur des Ofens 10 während des DiffusionsVorganges unterhalb des Schmelzpunktes des Germaniums {9J>6 ⁰C) gehalten werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Diffusionsverfahren zum Erzeugen eines Gebietes veränderter elektrischer Eigenschaften in einem Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet", daß der Halbleiterkörper (l4) mit seiner Oberfläche im wesentlichen parallel neben einem Scheibchen (42) angeordnet wird, dessen dem Halbleiterkörper zugewandte Oberfläche (40) durch einen Belag aus einem Verunreinigungsstoff, der die f elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers verändern kann, gebildet wird, und daß das Scheibchen auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der der Verunreinigungsstoff von der Scheibchenoberfläche verdampft und durch die benachbarte Oberfläche des Halbleiterkörpers in diesen unter Bildung des Gebietes (12) veränderter elektrischer Eigenschaften eindiffundiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- g kennzeichnet, daß das Scheibchen aus einem Nitrid des Bors, Galliums, Indivrjs oder Aluminiums bestent.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag auf dem Scheibchen aus einem Oxyd eines der genannten Elemente besteht.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch

ge kenn.ze lehnet., daß der Oxydbelag durch Oxydieren des Scheibchens gebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch I₃ dadurch ge kennzeichnet, daß das Eindiffundieren durch Erhitzen des Haroleiterkörpers und des Scheibchens in einer

ηichtoxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 6OO und 1200 ⁰C erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5» d a d u ν c h gekennze lehnet, daß das Erhitzen mindestens 20 Minuten lang erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß der Halbleiterkörper und das Scheibchen in einem gegenseitigen Abstand von nicht mehr als 6,35 mm (25Ο Mil) angeordnet werden.

8. Formkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Scheibchen aus einem Nitrid des Bors, Indiums, Galliums oder Aluminiums mit einem dünnen Peststoffbelag aus einem Oxyd des betreffenden Elementes besteht.

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9. Formkörper nach Anspruch 8, dadurch gekenn ze ichnet, daß er aus Bornitrid mit einem dünnen Peststoffbelag aus Boroxyd besteht.

10. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Scheibchen aus einem Nitrid des Bors, Indiums, Galliums oder Aluminiums angefertigt und zwecks Bildung eines dünnen Peststoffbelages eines Oxydes des betreffenden EIementes oxydiert wird.

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