DE1719563C2 - Verfahren zur Eindiffusion von Phosphor in Siliciumhalbleiterscheiben. Ausscheidung aus: 1280821 - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eindiffu- bei auf etwa 1260°C steigender Temperatur, die dann sicm von Phosphor in Halbleiterscheiben aus Silicium etwa 13 Stunden erhalten wird, nur Sauerstoff durch mit p'n- oder p'p-Struktur, wobei die Dotierung der das Diffusionsrohr geleitet wird,
ρ'-Zone durch Eindiffusion von Bor erzeugt wurde Man erreicht durch das erfindungsgemäße Vcrfah- und als Dotiersubstanz für die Phosphordiffusion 5 ren, daß auf der Oberfläche der Siliciumhalbleiter-Phosphorhalogenid verwendet und einem Trägergas scheibe Oxidschichten entstehen, die den Austritt von beigemischt wird, das ein Diffusionsrohr durchströmt, Boratomen aus den p'-Zonen und den Eintritt in die in dem sich ein die Scheiben enthaltendes, teilweise η-Seiten verhindern. Die vor der Oxydation durchoffenes Gefäß befindet. geführte Phosphorprädeposition läßt sich so bc-

Das Verfahren nach der Erfindung wird insbeson- io messen, daß η'-Zonen entstehen, die an die urspriing-

dere zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus liehen η-Seiten angrenzen, während die ursprüng-

Silicium mit p+nn+- oder p^fpn+-Struktur angewendet, 'ichen p'-Zonen nirgends umdotiert werden. Es zeigt

die in Leistungsgleichrichtern weit verbreitete Verwen- sich, daß die Phosphordiffusion nach der Erfindung zu

dung finden. keiner wesentlichen Veränderung der Trägerlebens-

Die Verwendung von Phosphorhalogeniden als 15 dauer führt und daß sich »harte« Sperrkennlinien er-Dotiersubstanzen für die Eindiffusion von Phosphor geben. Die Ursache hierfür liegt vermutlich darin, daß in Silicium ist bekannt und vorteilhaft, weil .sich in den praktisch während des ganzen Diffusionsprozesses diffundierten Scheiben verhältnismäßig hohe Träger- Getterproze^se ablaufen, und zwar Halogen-Gettelebensdauern in der Größenordnung von 10 μβεο er- rung während der Phosphorprädeposition und angeben. Außerdem zeigen die pn-Übergänge, die durch so schließend Glas-Getterung durch die bor- und phosdie Phosphordiffusion erzeugt wurden oder schon vor- phorhaltigen Siliciumoxidschichten.
her vorhanden waren, »harte« Sperrkennlinien. Von An Hand der F i g. 1 bis 4, die in zum Teil schema-Nachteil ist dagegen, daß Phosphcrhalogenide bei den tischer Darstellung Ausführungsbeispiele für das Verhohen Temperaturen der Diffusionsprozesse Silicium fahren nach der Erfindung zeigen, sei diese näher erstark angreifen, indem sie eine Gasätzung der Silicium- 35 läutert,
scheiben in dem phosphorhaltigen Trägergas bewirken. F i g. 1 zeigt ein Diffusionsrohr mit Mischtrommel

Die F i g. 1 unr! 2 zeigen Vorrichtungen, die weiter und

unten näher beschrieben werden und in denen die F i g. 2 ein Diffusionsrohr mit einseitig offener

Diffusion in geeigneter Wiise vci'genommen werden Ampulle;

kann. Die Verwendung eintr derartigen Vorrichtung 30 F i g. 3 zeigt die Gasversorgung für die Phosphorermöglicht, die Gasätzung weitgehend zu unter- diffusion,

drücken und auch bei hohen Temperaturen von etwa F i g. 4 die Phosphorchloridquelle.
1260°C und langen Diffusionszeiten von etwa 10 Stun- Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind Siliciumden einen phosphorhalogenidhaltigen Trägergasstrom scheiben 1 in eine Mischtrommel 2 aus Quarz einfür die gesamte Dauer des Diffusionsprozesses auf- 35 gebracht, die in einem Diffusion= r^hr 3, ebenfalls aus rechtzuerhalten, ohne daß die Siliciumscheiben stark Quarz, untergebracht ist. Die Mischtrommel hat angegriffen werden. Die Scheibendicke wird dabei nur Löcher zum Gasdurchlaß und Noppen als Mitnehmer um etwa 1 μπι verringert. für die Scheiben. Das Rohr 3 ist mit einem Gascinlaß-

Es erweist sich jedoch als nachteilig, den phosphor- stutzen 4 und einem Gasauslaßstutzen 5 zur Hindurchhalogenidhaltigen Trägergasstrom für die gesamte 40 führung des phosphorhalogenidhaltigen Trägergases Dauer des Diffusionsprozesses aufrechtzuerhalten, bzw. des Sauerstoffs versehen. Der Diffusionsofen 6 wenn p'n- oder p'p-Scheiben, bei denen die Dotierung dient zur Aufheizung der Siliciumscheiben auf die gedcr ρ'-Zone durch Eindiffusion von Bor erzeugt wurde, wünschte Temperatur. Zum Verschluß der Einfülldurch die Phosphordiffusion eine p'nn¹- bzw. p'pn'- öffnung in der Mischtrommel ist ein Stempel 7 vorStruktur erhalten sollen. Es treten dann Dotierungs- 43 gesehen, der in der zylindrischen Achse 8 der Mischstörungen auf, die besonders auffällig sind, wenn man trommel angebracht ist. Diese ist so in das Diffusionsvon p'n-Scheiben ausgeht. Man erhält dann häufig rohr 3 eingesetzt, daß eine Rotation möglich ist. Zur an Stelle der p^fnn^f-Struktur eine p'npn^f-Struktur Bewegung des Stempels 7 zur Mischtrommel hin kann oder gar eine p⁺np'-Struktur. Als Ursachen dieser in oder an seiner Achse ein Eisenstück 9 befestigt wer-Dotierungsstörungen können folgende Vorgänge an- 5° den, so daß der Stempel 7 über eine außerhalb des gesehen werden: Diffusionsrohres liegende Magnetspule 10 in Achs-Aus den p'-Zonen der eingesetzten Scheiben werden richtung bewegt werden kann.

teils durch Ausdiffusion, teils durch die nicht völlig In F i g. 2 sind die mit F i g. 1 übereinstimmenden unterdrückte Gasätzung Boratome frei und diffundie- gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, ren zusammen mit den Phosphoratomen in die n-Sei- 55 Sie unterscheidet sich von der Anordnung nach F i g. 1 ten der p'n-Scheiben ein. Da nun Bor etwas schneller durch Ersatz der rotierenden Mischtrommel 2 durch diffundiert als Phosphor, kann bei genügend hoher eine einseitig offene Ampulle 11, in der die Slilicium-Bordotierung wegen der gemeinsamen Eindiffusion scheiben 1 eng gestapelt eingesetzt sind, wobei die von Bor und Phosphor in die ursprüngliche η-Seite Stapelachse parallel zur Achse des Diffusionsrohres sich eine p^fnpn^f· oder sogar eine p+np⁺-Struktur er- 60 liegt. Zur Stapelhalterung ist ein Quarzstab 12 vorgeben, gesehen,

Diese Dotierungsstörungen werden bei einem Ver- Zum Einführen der Mischtrommel 2 oder der offenen

fahren zur Eindiffusion von Phosphor in Halbleiter· Ampulle 11 ist vorteilhaft das Ende des Diffusions'

scheiben aus Silicium mit p+n- oder p^fp-Struktur er* rohrcs mit einem Schliff 13 versehen, auf den die

flndungsgernäß dadurch vermieden, daß der phosphor· 6s Kappe 14 gasdicht aufgesetzt ist.

halogenidhaltige Trägergasstrom nur während des Die Phosphordiffusion kann sowohl in der Anord-

fitwa 90minutigen Aufheizens der Halbleiterscheiben nung nach F i g, 1 als auch in der Anordnung nach

ftiu etwa 1200°C aufrechterhalten und anschließend F i g. 2 erfolgen. Im folgenden Beispiel wird die Um·

Wandlung yon p'n-Scheiben in ρ'nn¹ -Scheiben durch Phosphordiffusion in der Anordnung nach F i g. I beschrieben.

Die Diffusionscharge besteht aus p'n-Scheibcn mit einer Bor-OberflächenkonzeiUration von etwa 10^äft Atome · cnT^a. Die Dicke der ρ ^r-Zone beträgt etwa 35 μΐυ, die Ladungsträgerlebensdauer in der rt-Zone etwa 30 μβες. Die ursprünglich n-leitendcn Scheiben hatten durch Bordiffusion eine ρ *np -Struktur und dann durch Abläppen einer ρ -Zone eine p⁺n-Struktur erhalten.

Die Diffusionscharge wird gereinigt, in die Mischtrommel 2 eingefüllt imd dann in das Diffusionsrohr 3, das sich in dem kalten oder auf etwa 600° C gehaltenen Ofen 6 befindet, eingesetzt. Die Trommel wird mit etwa 10 Umdrehungen je Minute gedreht, wobei etwa alle 30 Sekunden der Drehungssinn umgekehrt wird. Als Dotiersubstanz wird Phosphorpentachlorid und »ls Trägergas für das Phosphorpentachrorid Sauerstoff verwendet. Es kann jedoch auch ein inertes Gas, z. B. Argon, an die Stelle von Sauerstoff als Trägergas Ireten.

Nach F i g. 3 wird Sauerstoff über ein Rotameter 15 und einen Dreiwegehahn 16 zur Phosphorchloridquelle 17 und von dort zum Gaseinlaß 4 des Diffusionsrohres 3 geleitet. Zur Absperrung der Phosphorchloridquelle ist eine Umwegleitung 18 vorgesehen, durch die reiner Sauerstoff in das Diffusionsrohr fließt. In F i g. 4 ist die Phosphorchloridquelle 17 dargestellt. In einen Behälter 19, z. B. aus Aluminium, ist das düsenförmige Gefäß 20 zur Aufnahme des Phosphorpentachlorids eingesetzt. Durch eine Heizplatte 21 kann der Behälter 19 erwärmt werden. Der Sauerstoff wird durch den Stutzen 22 eingeführt und verläßt den Behälter 19 über das Rohr 23 unter Mitnahme von vdrdainpiendem Phosphorpentachlorid.

Die Phosphordiffusion erfolgt derart, daß die Phosphorpentachloridquelle zunächst auf 110^cC eihitzt wird. Die Charge in dem Diffusionsrohr 3 wird etwa 3 Stunden lang mit einem Sauerstoffstrom von 20 Litern je Stunde über die Umwegleitung 18 (F i g. 3) gespült. Dann wird der Hahn 16 umgestellt, die aufgeheizte Phosphorpentachloridquelle in Betrieb genommen und das Diffusionsrohr 3 aufgeheizt. Nach etwa 90 Minuten ist ,im Ort der Mischtrommel während des Aufheizvorganges eine Temperatur von 12CO⁰C erreich*. Nun wird die Phosphorpentachloridquelle abgesperrt und die Charge nunmehr mit reinem Sauerstoff bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Litern je Stunde behandelt, während innerhalb von 30 Minuten die Temperatur am Ort der Mischtrommel auf I2iil) C ansteigt und etwa 13 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird. Zur Beendigung de., Diffusionsprozesses wird der Ofen 6 abgeschaltet. Während der Abkühlungsperiode wird weiterhin Sauerstoff durch dns Diffusionsrohr geleitet. Nach Abkühlung auf etwa 600 C wird die Diffusionsciiarge

ίο aus dem Ofen herausgenommen.

Bei Siliciumscheiben, die nach diesem Verfahren behandelt werden, beträgt die Dicke der η -Zone etwa 30μηι .und die Phosphoroberflächenkonzentration etwa 10¹⁹ Atome · cm ³. Die ursprünglichen ρ •-Seiten sind nicht umdotiert.

Es ist auch möglich, während der Zeit der Phosphorprädeposition statt Säuerst. T Argon zu verwenden. Während der anschließenden Piffusionszeit wird die Charge jedoch, wie oben beschrieben, mit Sauerstoff behandelt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Eindiffusion von Phosphor in Halbleiterscheiben aus Silicium mit p⁺n- oder

as pp-Struktur, wobei die Dotierung der p^f-Zonc durch Eindiffusion von Bor erzeugt wurde und als Dotiersubstanz für die Phosphordiffusion Phosphorhalogenid verwendet und einem Trägergas beigemischt wird, das ein Diffusionsrohr durchströmt, in dem sich ein die Scheiben enthaltendes, teilweise offenes Gefäß befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der phosphorhalogenidhaltige Trägergasstrom nur während des etwa 90minutigen Aufheizens der Halbleiterscheiben auf etwa 12C0°C aufrechterhalten und anschließend bei auf etwa 12£0'C steigerder Temperatur, die dann etwa 13 Stunden gehalten wird, nur Sauerstoff durch das Diffu.sionsrohr geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekcnnzeichnet, daß als Trägergas Sauerstoff oder ein inertes Gas, z. B. Argon, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Phcsphorhalogenid Phosphorpentachlorid verwendet wird.

4. Verfahren nach Arspruch 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß das Phosphorpentachlorid aus einer auf etwa 110⁰C gehaltenen Quelle dem oas beigemischt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen