DE2413211B2

DE2413211B2 - Verfahren zum Einstellen der Grunddotierung von Halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE2413211B2
Application number: DE2413211A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Dr. Burtscher; Reimer Dipl.-Phys. Dr. Emeis; Wolfgang Dr. Keller; Konrad Dipl.-Chem. Dr. 8011 Vaterstetten Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-19
Filing date: 1974-03-19
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2413211C3; DE2413211A1

Description

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*- I I

Cn»

C) min +

eingehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gewünschte Grunddotierung der Halbleiterscheiben Ci±5% von einem Halbleiterstab mit einer Schwankung der Dotierstoffkonzentration G±20% und einem G)iO,2Ci ausgegangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gewünschte Grunddotierung der Halbleiterscheiben Ci±5% von einem Halbleiterstab mit einer Schwankung der Dotierstoffkonzentration Co±50% mit Co <0,1 Ci ausgegangen wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einstellen der Grunddotierung von Halbleiterscheiben. Unter Grunddotierung versteht man die vor dem Erzeugen der pn-Übergänge vorhandene Dotierung.

Bisher wurde im allgemeinen die Grunddotierung von Halbleiterscheiben beim Tiegel- oder Zonenziehen eines Halbleiterstabes eingestellt. Es erwies sich, daß die durch Zerteilen eines solchen Halbleiterstabes hergestellten Halbleiterscheiben insbesondere in lateraler Richtung, d. h. in Richtung der Scheibenebene, makroskopische und/oder mikroskopische Dotierungsschwankungen aufweisen, die die Eigenschaften der aus diesen Halbleiterscheiben hergestellten Bauelemente nachteilig beeinflussen. Unter den mikroskopischen Dotierungsschwankungen sind in erster Linie die sogenannten »striations« zu nennen. Solche »striations« treten vorwiegend bei durch Zonenschmelzen hergestellten Einkristallen auf, wenn dotierende Substanzen verwendet werden, deren Verteilungskoeffizienten von »1« verschieden sind.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Einstellen der Grunddotierung bei Halbleiterscheiben anzugeben, durch das die Wirkungen von in Halbleiterstäben vorhandenen Dotierungsschwankungen weitgehend ausgeschaltet werden können.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in die Scheiben von einem tiegel- oder zonengezogenen Halbleiterstab einer zwischen Co max und Co min schwankenden Dotierstoffkonzentration in einem Behälter zusätzlich Dotierstoff der Konzentration Co eindiffundiert wird, bis wenigstens am Rand der Halblcitcr-

scheiben die gewünschte Grundkonzentration Ci des Dotierstoffs innerhalb der Schwankungen Ci _llliU und Ci ,„in längs der Scheibenebene erreicht ist, wobei die Beziehung

Cj max _ M) „ιιι.ϊ + Cjj
CI min Qt min + C/,

eingehalten wird.

Vorteilhafterweise wird für eine gewünschte Grunddotierung der Halbleiterscheiben Ci ±5% von einem Halbleiterstab mit einer Schwankung der Dotierstoffkonzentration Co±20% und einem C₁ <0,2 Ci bzw. mit C₀ ±50% mit C <0,1 Ci ausgegangen.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Diffusionsbehälter und

Fig. 2 und 3 den auf die Randkonzentration der Halbleiterscheiben normierten Verlauf der Dotierungskonzentration.

In der Anordnung der F i g. 1 sind in einem Behälter 1 Halbleiterscheiben 3 untergebracht, die von Stützscheiben 4 und 5 zusammengehalten werden. Der Behälter 1, der beispielsweise aus Silicium besteht, ist von einer schematisch angedeuteten Heizwicklung 6 umgeben. Er ist mittels eines Deckels 7 verschlossen, der mit dem Behälter 1 an der Stelle 8 verschmolzen ist. Der Behälter 1 kann jedoch auch aus Quarz oder aus temperaturfester Keramik bestehen. Es empfiehlt sich jedoch die Verwendung eines aus Halbleitermaterial bestehenden Behälters, da Halbleitermaterial hohe Temperaturen bis nahe an den Schmelzpunkt ohne Erweichung aushält. Im Behälter 1 ist eine Dotierstoffquelle 2 untergebracht, die den Dotierstoff, beispielsweise Aluminium, enthält.

Die Halbleiterscheiben 3 sind von einem Halbleiterstab abgeschnitten, dessen Dotierung unter der gewünschten Grunddotierung liegt.

Um wieviel die Dotierung des Stabes unter der gewünschten Grunddotierung liegt, richtet sich danach, welche Schwankungen der Grunddotierung höchstens zugelassen werden sollen und welche Schwankungen im Stab vorhanden sind. Werden für Hochleistungsthyristoren, aber auch für integrierte Schaltkreise z. B. maximale Schwankungen in Richtung der Scheibenebene von ±5% gewünscht bei einer Grunddotierung von etwa 10" Atome cm-' und hat das Ausgangsmaterial Schwankungen von ±50%, so muß ein Stab mit einer Dotierung von höchstens etwa 10¹² Atome cm -^J gewählt werden.

Hat der Stab Schwankungen von etwa ±20% und wird wie oben eine maximale Schwankung von ±5% bei einer Grunddotierung von 10" Atome cm-' gewünscht, so muß ein Stab mit einer Dotierung von höchstens 3,3 · 10¹² Atome cm-' verwendet werden. Andere Beispiele lassen sich nach der Formel

C C-X-C

*- 1 min M) min ^τ *- I)

berechnen, wobei

C₁ ,

^- I min

die maximale rekitivi: Schwankung dw gewünschten

bzw. geforderten Grunddotierung.skonzenlralion,

die maximale Schwankung der Dotierung des Stabes und Cn die zusätzliche Dotierungskonzentration ist. Die genannte Formel ergibt den Faktor, um den die Dotierung des Stabes mindestens unter der gewünschten Dotierung liegen muß.

Zur Durchführung der Diffusion wird der Behälter mit den Halbleiterscheiben erhitzt. Auf welche Temperatur die Halbleiterscheiben erhitzt werden, hängt sowohl vom Halbleitermaterial als auch vom Dampfdruck des Dotiermaterials ab. Zur Beschleunigung der Diffusion empfiehlt es sich, eine Temperatur nahe, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials zu wählen. Für Silicium kann eine Temperatur von 1400⁰C gewählt werden. Die Diffusion wird nun so lange durchgeführt, bis in den Halbleiterscheiben wenigstens am Rand die gewünschte Grunddotierung erreicht ist. Da die Diffusionsparameter bekannt sind, läßt sich die erforderliche Zeit ohne weiteres leicht berechnen.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens zum Einstellen der Grunddotierung bei Halbleiterscheiben läßt sich neben jedem beliebigen Wert der Grunddotierungskonzentration eine praktisch beliebig gute Homogenität in lateraler Richtung der Halbleiterscheiben einstellen. Nimmt man einen gewissen axialen Doiierungsgradienten in Kauf, so lassen sich erträgliche DiIfusionszeiten erreichen. In den Fig.2 und 3 ist der axiale Dotierungsgradient bei Halbleiterscheiben von 300 μ bzw. 500 μ Dicke angegeben. F i g. 2 zeigt den Fall für eine Diffusion mit Aluminium, die über 100 Stunden aufrechterhalten wurde. F i g. 3 zeigt den Fall ebenfalls für eine Diffusion mit Aluminium, die für 240 Stunden aufrechterhalten wurde. Die Dotierungskonzentration liegt im Fall der Fig.2 in der Scheibenmitte um 40% und im Fall der F i g. 3 um 50% unter der Randkonzentration der Halbleiterscheibe. Dieser axiale Dotierungsgradient an der Scheibenoberfläche kann durch Tempern der Halbleiterscheiben verringert werden. Dabei findet eine Verteilung des Dotierstoffes im ") Inneren der Halbleiterscheiben in axialer Richtung statt. Zur Beschleunigung des Temperns kann auch hier eine Temperatur nahe des Schmelzpunktes, bei Silicium z. B. 1400° C, eingestellt werden.
Die nach F i g. 2 und 3 erhaltenen Profile der

ίο Dotierstoffkonzentration erhält man, wenn in die Halbleiterscheiben allseitig Dotierstoff eingebaut wird. Bei manchen Halbleiterbauelementen, z. B. Transistoren, ist jedoch ein Dotierungsgradient z. B. in der Kollektorzone erwünscht. Dazu kann das beschriebene Verfahren so abgewandelt werden, daß die Halbleiterscheiben einseitig, z. B. durch feuchte Oxydation, maskiert werden, so daß nur in eine Seite Dotiermaterial eindiffundiert.
Das beschriebene Verfahren ist nicht an die in Verbindung mit Fig. 1 erläuterte Diffusion in einem geschlossenen Behälter gebunden. Sie kann auch bei der Diffusion im strömenden Medium verwendet werden oder bei Diffusionsverfahren, bei denen dem eigentlichen Diffundieren eine Belegung der Halbleiterscheiben mit dem Dotiermaterial vorausgeht. Eine solche Diffusion ist z. B. die Phosphordiffusion, bei der zuerst eine Belegung der Halbleiterscheiben mit Phosphor aus einer gasförmigen Phosphorverbindung, z. B. Phosphorpentoxyd P2O5 stattfindet. Das Verfahren ist praktisch

jo mit allen bekannten Dotierstoffen, beispielsweise auch mit Schwefel oder Selen durchführbar. Es kann außerdem mit der bekannten Ionenimplantation kombiniert werden, bei der die Dotierstoffe auf die Außenseite der Halbleiterscheiben angelagert werden. Das Verfah-

)5 ren ist für Halbleiterscheiben jeder Dicke verwendbar, also beispielsweise auch für integrierte Schaltkreise, die mit Schichtdicken von wenigen 10 μ arbeiten. Es wird in jedem Fall eine laterale Homogenität der Dotierstoffverteilung erreicht, die sich sehr vorteilhaft auf die Eigenschaften der damit hergestellten Bauelemente auswirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Einstellen der Grunddotierung von Halbleiterscheiben, dadurch gekennzeichnet, daß in die Scheiben von einem tiegel- oder zonengezogenen Halbleiterstab einer zwischen Ca _max und Co_mj_n schwankenden Dotierstoffkonzentration in einem Behälter zusätzlich Dotierstoff der Konzentration Cp eindiffundiert wird, bis wenigstens am Rand der Halbleiterscheiben die gewünschte Grundkonzentration Q des Dotierstoffs innerhalb der Schwankungen Ci _max und Q ,„,,, längs der Scheibenebene erreicht ist, wobei die Beziehung