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Verfahren zum Eindiffundieren von Fremdstoffen in einen Halbleiterkörper
zur Herstellung einer elektrischen Halbleiteranordnung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Halbleiteranordnungen aus Germanium,
Silizium oder ähnlichen Halbleitern durch Diffusion von die Leitfähigkeit oder den
Leitungstyp verändernden oder bestimmenden Fremdstoffen in den Halbleiterkörper.
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Es ist bereits bekannt, elektrische Halbleiteranordnungen aus Silizium,
Germanium oder anderen Halbleitern durch Eindiffundieren von die Leitfähigkeit oder
den Leitungstyp verändernden Fremdstoffen herzustellen. Beim Eindiffundieren werden
Temperaturen verwendet, bei denen mindestens ein Teil der beteiligten Substanzen,
auf jeden Fall der Halbleiter, in fester Form vorliegen. Die Störstellen bildenden
Fremdstoffe dringen bei dieser Temperatur bis zu einer gewünschten Tiefe in den
Halbleiterkörper ein. Das Diffusionsverfahren hat gegenüber dem ebenfalls bekannten
Legierungsverfahren den Vorteil, daß glatte Diffusionsfronten erzielt werden und
die Eindringtiefe der Fremdstoffe genau bemessen werden kann. Die durch Diffusion
hergestellten pn-Übergänge haben bei gleicher Sperrspannung geringere Feldstärke
als durch Legieren hergestellte.
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Ein Nachteil des Diffusionsverfahrens gegenüber dem Legierungsverfahren
ist die höhere und längere Erhitzung bei der Herstellung der Halbleiteranordnung.
Die Gefahr der Verunreinigungen des Halbleiterkörpers steigt mit steigender Temperatur
stark an, und auch die längere Erhitzungsdauer erhöht die Gefahr der Verunreinigung
wesentlich. Besonders schädlich sind dabei geringe Mengen von Gold, Kupfer und Nickel.
Durch die eingewanderten VerunreinigungenentstehenRekombinationszentren,welche die
Lebensdauer der beweglichen Ladungsträger erheblich verkürzen. Außerdem ist die
Dicke der Basiszone bei doppelt diffundierten Transistoren sehr gering, nämlich
1 bis 2 [t, während bei den durch Diffusion hergestellten Leistungsgleichrichtern
sehr dünne Halbleiterplättchen (von etwa 60 bis 100 [. Dicke) erforderlich sind.
Infolge dieser geringen Schichtdicke können Störstoffe in kurzer Zeit den ganzen
Halbleiterkörper bzw. eine ganze Zone durchdringen und teilweise eine Änderung des
Leitungstyps herbeiführen. Wahrscheinlich sind auch die beim Betrieb der bisher
bekannten Diffusionsgleichrichter und -transistoren auftretenden Alterungserscheinungen
auf das Vorhandensein von derartigen Störstoffen zurückzuführen.
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Da es bisher noch nicht gelungen ist, Halbleiterstoffe nachträglich
von Verunreinigungen zu befreien, ohne sie nochmals zu schmelzen, muß während des
Herstellungsverfahrenspeinlich daraufgeachtetwerden, daß die ursprünglich verwendeten
sehr reinen Halbleiterkristalle nicht während der Herstellung von Halbleiteranordnungen
verunreinigt werden. Wie bereits dargelegt wurde, ist diese Gefahr besonders beim
Diffusionsverfahren gegeben, da hierbei hohe Temperaturen und lange Erhitzungszeiten
erforderlich sind.
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Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen
durch Diffusion wird der Halbleiterkörper in einem Rohr aus reinstem Quarz erhitzt
und der Einwirkung des einzudiffundierenden Fremdstoffes ausgesetzt.
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So wird beispielsweise in dem Quarzrohr ein Rohr aus Tantal angeordnet,
in dem sich der Halbleiterkörper befindet. In einem Ansatz dieses Tantalrohres ist
die einzudiffundierende Substanz angeordnet. Das Tantalrohr wird durch Induktionsheizung
erhitzt, wodurch der Halbleiterkörper auf die entsprechende Diffusionstemperatur
gebracht wird. Gleichzeitig wird der Ansatz des Tantalrohres erhitzt, so daß die
Dotierungssubstanz zum Halbleiterkörper strömt und in diesen eindiffundiert.
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Man hat auch den zu behandelnden Halbleiterkörper durch eine im Rohr
angeordnete Widerstandsheizung erhitzt und so auf die entsprechende Temperatur gebracht.
Schließlich wurde auch der Halbleiterkörper mit der einzudiffundierenden Substanz
in ein gemeinsames Gefäß eingeschmolzen und dieses von außen erhitzt. Bei der Oberflächenoxydation
von
Silizium wurden auch Strahlungsheizer aus Graphit verwendet.
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Es hat sich jedoch gezeigt, das bei allen diesen bekannten Verfahren
störende Fremdstoffe in den Halbleiterkörper gelangen, die von außen durch die Quarzwandung
in den Diffusionsraum eingedrungen sein müssen. Durch eingehende Untersuchungen
wurde festgestellt, das Quarz in heißem Zustande für solche störenden Substanzen
durchlässig ist, während es in kaltem Zustande keine störenden Fremdstoffe hindurchläßt.
Man muß daher beim Diffusionsverfahren heiße Quarzwandungen, die den. Halbleiterkörper
von der Außenwelt trennen, vermeiden.
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Die beim Diffusionsverfahren auftretenden Schwierigkeiten durch Einwandern
von störenden Fremdstoffen sind insbesondere auf die dabei verwendeten hohen Temperaturen
und langen Erhitzungszeiten zurückzuführen. Die Indüktionsheizung bietet hier Vorteile,
weil die Quarzwandung hierbei nicht direkt erhitzt wird.
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Andererseits hat jedoch die Induktionsheizung auch gewisse Nachteile.
Diese zeigen sich besonders, wenn der Halbleiterkörper durch Induktionsheizung direkt
erhitzt wird. Da der Halbleiterkörper in kaltem Zustande nur eine sehr geringe Leitfähigkeit
hat, muß er erst durch eine geeignete Unterlage aus leitendem Material mittelbar
auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt werden, bis die Leitfähigkeit so groß
ist, das er aus dem elektrischen Feld selbst genügend Energie aufnimmt.
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Die Erhitzung des Halbleiterkörpers läßt sich auf diese Weise jedoch
nicht ohne weiteres in dem gewünschten Umfange steuern, da je nach der Temperatur
die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers verschieden ist und er teils durch die Strahlungswärme
der Unterlage erhitzt wird, teils durch das direkt einwirkende Feld.
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In jedem Falle wird aber das umgebende Quarzrohr durch die dabei entstehende
Wärmestrahlung erhitzt, so das störende Fremdstoffe durch die Quarzwandung in den
Diffusionsraum eindringen und den Halbleiterkörper in unerwünschter Weise beeinflussen
können.
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Diese Schwierigkeiten werden durch die Erfindung vermieden.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Eindiffundieren
von Fremdstoffen in einen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder ähnlichen
Halbleitermaterialien zur Herstellung einer elektrischen Halbleiteranordnung.
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Erfindungsgemäß werden der Halbleiterkörper und die Fremdstoffe in
einem direkten Stromdurchgang oder induktiv erhitzten abgeschlossenen Rohrofen aus
leitendem Material z. B. aus spektralreinem Graphit, zusammen auf die Diffusionstemperatur
erhitzt, der Rohrofen wird ganz in einem zweiten Rohr aus Quarz oder Metall angeordnet,
der Zwischenraum wird von einem inerten Gas. z. B. Edelgas, durchströmt, und das
zweite Rohr wird während des Diffusionsvorganges gekühlt.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird in wirksamer "'eise das
Eindringen von unerwünschten störenden Fremdstoffen verhindert. Dies geschieht einmal
dadurch, das der Halbleiterkörper in einem abgeschlossenen Rohrofen angeordnet wird.
Da der Halbleiterkörper durch den ihn allseitig umschließenden Rohrofen erhitzt
wird, wird auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Halbleiterkörper erzielt,
und die Temperatur läßt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand steuern. Durch
das zwischen dem Rohrofen und der Umhüllung strömende Gas werden eventuell eingedrungene
störende Fremdstoffe laufend fortgeführt, so das nicht die Gefahr besteht, das diese
durch die Wandung des Rohrofens zum Halbleiterkörper gelangen. Schließlich verhindert
die Kühlung des den Rohrofen umgebenden zweiten Rohres, das durch dieses während
der Diffusion Fremdstoffe hindurchdringen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil großer Einfachheit
und geringen Aufwandes. Gleichzeitig kann der Halbleiterkörper auf beliebige, definierte
Temperaturen gebracht werden.
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Zweckmäßigerweise wird zur Erhitzung des Hall)-leiterkörpers ein Rohrofen
aus spektralreinem Graphit verwendet, das durch direkten Stromdurchgang erhitzt
wird. Es können jedoch für den Rohrofen auch Metallrohre aus Wolfram, Molyl)däti
oder Tantal verwendet werden.
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Die einzudiffundierenden Substanzen werden z. B. vor dem Einbringen
des Halbleiterkörpers in den Rohrofen auf irgendeine bekannte Weise in dünner Schicht
auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht, z. B. durch Aufdampfen. Es
besteht aber auch die Möglichkeit, die einzudiffundierende Substanz erst während
des Erhitzens mit dem Halbleiterkörper zusammenzubringen, z. B. indem man ein inertes
Gas mit einer dotierenden Substanz belädt und durch den Rohrofen strömen läßt. Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, im Rohrofen ein Stück der einzudiffundierenden
Substanz anzuordnen und ein inertes Gas während der Erhitzung so durch den Rohrofen
zu leiten, das der entstehende Dampf der Dotiersubstanz mit dem durchströmenden
inerten Gas an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gebracht wird.
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Bei Verwendung eines Rohrofens aus Graphit ist die Abwesenheit von
Sauerstoff oder anderen oxydierenden Substanzen erforderlich. Deshalb wird der Ofen
in einem geeigneten inerten rulcnnden oder strömenden Gas, z. B. einem Edelgas,
angeordnet.
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Um das Schutzgas für den Graphitrohrofen von der den Halbleiterkörper
umgebenden Atmosphäre zu trennen, ist es weiter vorteilhaft, im Graphitrohr ein
Quarzrohr anzuordnen, in dem sich die zu behandelnden Halbleiterplättchen befinden.
Auf diese Weise können auch oxydierende Gase als Atmosphäre, in der der Halbleiterkörper
erhitzt wird, verwendet werden.
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Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens näher erläutert werden. In Fig. 1 ist eine entsprechende
Vorrichtung im Schnitt dargestellt, während in Fig. 2 eine andere Form des Erhitzers
perspektivisch dargestellt ist.
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In einem doppelwandigen Quarzrohr 1, das von einer geeigneten Kühlflüssigkeit
durchströmt ist, befindet sich das Graphitrohr 2, dessen Enden 2a verstärkt sind.
Dadurch wird eine zu starke Erhitzung der Rohrenden vermieden. Der Kühlmantel kann
aber auch aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie Silber oder Gold, bestehen. Sogar
Kupfer kann dafür verwendet werden, ohne das eine Verunreinigung des Halbleiterkörpers
eintritt. Wesentlich ist in jedem Falle eine gute Kühlung des Mantels. An den verstärkten
Enden des Graphitrohres 2 sind hohle, wassergekühlte Anschlusschellen 4 befestigt,
deren Zu- und Ableitungsrohre 5 gleichzeitig als Stromanschlüsse dienen. Das Rohr
5 ist, wie aus Fig. 1 a entnommen werden kann, so unterteilt, das die Kühlflüssigkeit
zwangläufig die ganze Anschlusschelle 4 durchströmt. In dem Heizrohr 2 ist eine
Haltevorrichtung 6 angebracht,
die zur Lagerung der Halbleiterplättchen
7 dient. Die Halterung 6 kann beispielsweise aus Quarz bestehen, und die Halbleiterplättchen
7 können, wie in Fig. 1 dargestellt, darauf liegen. Es sind aber auch andere Formen
der Halterung möglich oder erforderlich, beispielsweise solche, bei denen die Halbleiterplättchen
7 senkrecht angeordnet sind oder so gelagert sind, daß die einzudiffundierende Substanz
von beiden Seiten in den Halbleiterkörper eindringen kann. Wie bereits erwähnt,
können die Halbleiterplättchen auch in einem Quarzrohr angeordnet sein, das koaxial
durch das Graphitrohr verläuft.
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Wenn die Halbleiterplättchen 7 bereits mit einer dünnen Schicht der
einzudiffundierenden Substanz überzogen sind, werden die Rohrenden des Graphitrohres
2 zweckrnäßigerweise durch lose eingesetzte Verschlußstücke 3 aus Graphit verschlossen.
Dadurch soll verhindert werden, daß der Dampf der Dotiersubstanz sich außerhalb
des Rohres 2 ausbreitet und gegebenenfalls von einem strömenden inerten Gas fortgeführt
wird. Durch die eingezeichneten Pfeile soll angedeutet werden, daß ein geeignetes
Gas durch den Zwischenraum zwischen Heizrohr und gekühltem Quarzmantel strömt.
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Wenn die Dotiersubstanz in gasförmiger Form zugeführt wird, so kann
man entweder dem durchströmenden inerten Gas die Dotiersubstanz in geeigneter Menge
zusetzen und dabei die Verschlußstücke 3 weglassen, oder die Dotiersubstanz kann
verdünnt oder unverdünnt durch ein zu dem äußeren Quarzmantel konzentrisches Rohr
direkt durch den Heizofen hindurchgeleitet werden. Der Diffusionsprozeß wird in
der Weise ausgeführt, daß die Halbleiterplättchen 7 eine entsprechende Zeitdauer
in der Vorrichtung auf eine definierte Temperatur erhitzt werden, so daß die Dotiersubstanz
bis zu der gewünschten Tiefe in den Halbleiterkörper eindringt. Da der äußere Quarzmantel
kalt bleibt, können keine Störstoffe während des Diffusionsprozesses in die Vorrichtung
eindringen. Es können natürlich auch mehrere Dotiersubstanzen verwendet werden,
beispielsweise solche, die verschieden schnell in den Halbleiterkörper diffundieren.
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Das Graphitrohr hat z. B. einen Außendurchmesser von 40 mm, einen
Innendurchmesser von 30 mm und eine Länge von 500 mm. Ein solches Rohr braucht etwa
2 bis 3 kW zur Heizung. Es kann beispielsweise eine Spannung von 4 bis 6 Volt und
eine Stromstärke von 400 bis 600 Ampere verwendet werden.
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Um die Verwendung von derart hohen Stromstärken zu vermeiden, kann
das Graphitrohr spiralförmig eingesägt sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Einschnitte 2 b verlaufen spiralförmig der ganzen Länge nach, so daß sich nach
dem Einsägen eine Spirale aus Graphit ergibt. Der Heizkörper hat dann die Form der
bekannten Hochohmwiderstände. Die schmalen Einschnitte stören jedoch nicht die gleichmäßige
Temperaturverteilung im Heizofen.
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Weitere Vorteile, insbesondere die Vermeidung der unbequem hohen Heizstromstärken,
werden bei gleicher Heizleistung erzielt, wenn die Einschnitte so angeordnet sind,
daß sich eine bifilare Graphitspirale ergibt.
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Es wurde bereits erwähnt, daß an Stelle von Graphit auch andere Substanzen
als Material für den Heizkörper in Frage kommen. Natürlich kann auch die Halterung
6 aus einem anderen Material als Quarz bestehen, sofern diese Substanz genügend
rein ist und bei der in Frage kommenden Temperatur keine nachteiligen Einwirkungen
auf den Halbleiterkörper hat.
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Schließlich ergibt auch die Induktionsheizung in Verbindung mit einem
ungeschlitzten Graphitheizrohr Vorteile, und der Nachteil der schwierigen Temperatursteuerung
ist vermieden. Im Graphitrohr ist dann kein elektrisches Feld vorhanden, so daß
der Halbleiterkörper ausschließlich durch Wärmestrahlung des Graphitrohres erhitzt
wird.