DE1100820B - Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter-anordnungen durch Dotieren von Halbleiterkoerpern aus der Gasphase und Verfahren mittels einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Seit einer Reihe von Jahren sind Halbleiteranordnungen mit pn-, pnp- oder npn-Halbleiterkörpern, insbesondere Transistoren, bekannt, deren Halbleiterkörper durch Dotieren aus der Gasphase hergestellt ist. Dies geschieht in an sich bekannter Weise in einer aus dem Dotierungsstoff bestehenden Atmosphäre, in der die zu dotierenden kristallinen Halbleiterkörper einer entsprechend hohen Temperatur ausgesetzt werden. Der Dotierungsstoff wandert dann durch Diffusion von der Oberfläche in das Innere des Halbleiterkristalls und erzeugt auf diese Weise eine dotierte bzw. undotierte Oberflächenschicht. Gegebenenfalls ist auch die gleichzeitige Herstellung zweier aufeinanderliegender dünner Oberflächenschichten mit entgegengesetzter Dotierung möglich.

Bei einer Reihe von auf diese Weise hergestellten Halbleiter anordnungen kommt es auf äußerst exakte Maßhaltigkeit der Dicke der durch das Eindiffundieren des Dotierungsstoffes hergestellten Halbleiterzonen sowie der Stärke der Dotierung in den einzelnen Zonen an. Es muß deshalb für eine möglichst exakte Bemessung des Dampfdruckes des Dotierungsstoffes sowie der Dotierungstemperatur im Behandlungsgefäß als auch der Dotierungszeit Sorge getragen werden. Ferner ist es wichtig, daß während des Dotierungsvorganges keine gasförmigen Fremdstoffe, welche zu unerwünschten Verunreinigungen Anlaß geben könnten, in dem Behandlungsgefäß entstehen, können.

Die meisten bekannten Vorrichtungen zur Durchführung des Dotierungsverfahrens aus der Gasphase verwenden ein Quarzgefäß, in welchem sich die zu dotierenden Halbleiterkristalle befinden, in welchem die dotierende Gasatmosphäre erzeugt wird und das während der Dotierungsbehandlung in einen Ofen eingebracht wird. Es hat sich jedoch bei Verwendung einer solchen Vorrichtung ergeben, daß die erhitzte Quarzwand des Behandlungsgefäßes sehr häufig Anlaß für das Auftreten Undefinierter Verunreinigungen in den zu dotierenden Halbleiterkristallen gibt, die besonders dann störend sind, wenn die Dicke der zu erzeugenden bzw. umzudotierenden Schichten kleiner als 5 μ ist. -

Andere bekannte Anordnungen verlegen das Heizelement, welches die zur Dotierung erforderliche hohe Temperatur liefert, in das Innere des Behandlungsgefäßes. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art, die allerdings zum Herstellen von Halbleiteranordnungen nach dem Legierungsverfahren vorgesehen ist, befindet sich im Innern des Behandlungsgefäßes ein stromdurchflossener plattenförmiger Träger, auf dem die Halbleiterkristalle mit einer Pille des Dotierungsstoffes auf ihrer Oberseite angeordnet sind. Eine andere bekannte Vorrichtung dieser Art zum Dotieren aus der Gasphase besteht aus einem an beiden Enden

Vorrichtung

zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch Dotieren
von Halbleiterkörpern aus der Gasphase und Verfahren mittels einer solchen
Vorrichtung

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Andreas Weißfloch, München,
Otto Frodl, Kreuzstraße bei Holzkirchen,

Dr. Heinz Dorendorf, München,

und Dr. Reinhard Dahlberg, Freiburg (Breisgau),

sind als Erfinder genannt worden

nicht völlig abgeschlossenen Tantalrohr, welches von einem Quarzrohr konzentrisch umgeben ist und dieses seinerseits am einen Ende abgeschlossen und am anderen Ende an eine Evakuierungspumpe angeschlossen ist. Die zu dotierenden Halbleiterkristalle befinden sich im Innern des Tantalrohres, während der Dotierungsstoff derart angeordnet ist, daß sein Dampf, der sich beim Erhitzen des Tantalrohres oder durch Anwendung einer besonderen Wärmequelle bildet, in das Tantalrohr einströmen kann. Die Beheizung des ■Tantalrohres, welches gleichzeitig als Dotierungsofen dient, erfolgt auf induktivem Wege über eine das Ouarzrohr und damit das Tantalrohr konzentrisch umgebende Induktionsspule.

Diese bekannte Vorrichtung besitzt gegenüber dem bereits Besprochenen Vorteile. Einmal wird der Raum, in welchem sich die Halbleiterkristalle befinden, nicht unmittelbar von einer Quarzwand, sondern von einer Tantalwand gebildet. Dieses Metall hat die Eigenschaft, gegen Königswasser äußerst widerstandsfähig zu sein, während andere Metalle von diesem Stoff quantitativ in kurzer Zeit gelöst werden. Das Tantalrohr läßt sich daher mit diesem Mittel vorzüglich von Resten der Dotierungsmetalle reinigen. Hierzu kommt weiterhin, daß Tantal keine Verbindung mit den Dotierungsstoffen eingeht und außerdem in gereinig-

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tem Zustand auch nicht als Dotierungsstoff wirksam ist. Weiterhin besitzt die bekannte Vorrichtung den Vorteil, daß durch Anwendung der Evakuierungspumpe der Dampfdruck des Dotierungsstoffes im Dotierungsraum genau eingestellt werden kann.

Die zu der Erfindung führenden Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß es bei induktiver Beheizung des Tantalrohres praktisch unmöglich ist, homogene Temperaturverhältnisse im Dotierungsraum einzu-

Tantalgefäßes derart angeschlossen werden, daß der aus einer Öffnung der Tantalkapsel bei Erhitzung austretende Dampf von Dotierungsstoff in das Innere des Tantalgefäßes gelangt.

Einzelheiten der Ausgestaltung und der Wirkungsweise einer Vorrichtung nach der Erfindung werden an Hand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Ein aus Tantalblech bestehendes, vorzugsweise stellen, da der in der Wandung des Tantalrohres er- io nahtloses Rohr 1 enthält die zu dotierenden Halbleiterzeugte elektrische Strom eine ungleichmäßige Dichte- kristalle 3, die auf einem aus Tantal bestehenden Geverteilung aufweist. Die induktive Beheizung, die, um stell 2 angeordnet sind. Das Tantalrohr 1 ist an beiden eine zusätzliche Quelle der Verunreinigung auszu- Enden mit je einem aus dem gleichen Metall bestehenschalten, mittels einer außerhalb des das nicht gas- den Verschluß 4 und 5 abgeschlossen, welcher den dicht abschließbare Tantalrohr umgebenden, gegen 15 Abschluß auf Grund seiner federnden Eigenschaften den Außenraum gasdicht abgeschlossenen zweiten ohne Anwendung eines abdichtenden Stoffes bewirkt. Rohres konzentrisch zu dem zweiten Rohr und dem Durch jeden der beiden Verschlüsse 4 und 5 ist ein Tantalrohr angeordneten Induktionsspule erfolgt, ver- rohrförmiger Stutzen 6 und 7 geführt, der ebenfalls langt außerdem, daß das zweite Rohr aus Isolierstoff aus Tantalblech besteht und ohne Anwendung eines besteht, wofür vor allem aus Gründen der erf order- 20 Fremdstoffes mit dem jeweiligen Verschlußverbunden liehen Temperaturbeständigkeit und Reinigungs- ist. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der möglichkeit praktisch nur Quarz in Betracht kommt. beiden Rohrstutzen 6 und 7 können an den beiden End-Im Interesse eines guten Wirkungsgrades der Induk- verschlüssen 4 und 5 Stützbügel 4' und 5' vorgesehen tionsbeheizung ist es jedoch wünschenswert, daß die _sein, die ihrerseits an den den Heizstrom liefernden, Wandung des äußeren Rohres und die Induktionsspule 25 das Tantalrohr 1 an den Enden kontaktierenden Elekdas Tantalrohr in möglichst engem Abstand um- troden 11 und 12 befestigt sind. Mindestens einer der schließen. Dies führt jedoch anderseits dazu, daß die
Wand des äußeren Rohres sich infolge der von dem
Tantalrohr abgestrahlten Wärme so stark erhitzt, daß
gasförmige Verunreinigungen aus dem äußeren Rohr 30
abdampfen und in den Gasraum und damit auch in
das Innere des Tantalrohres gelangen können. Es besteht dann trotz des Betriebes der Vakuumpumpe bei
der bekannten Anordnung die Möglichkeit, daß die

beiden Verschlüsse 4 und 5 kann zum Zwecke der Beschickung des Tantalrohres 1 mit den Halbleiterkristallen 3 herausgenommen werden.

Der eine der beiden rohrförmigen Stutzen, beispielsweise der Stutzen 6, enthält ein Thermoelemente und ist an dem gegen das Innere des Tantalrohres 1 weisenden Ende z. B. mit einer Kappe aus Tantal abgeschlossen. Der andere der beiden Stutzen, z. B. der

aus der heißen Quarzwand abdampfenden Verunrei- 35 Stutzen 7, dient zur Aufnahme einer aus Tantal be

in die Halbleiterkristalle eindiffundieren

stehenden Kapsel 9 für den Dotierungsstoff 10. Gegebenenfalls kann noch ein weiterer, gleichartiger Stutzen zwecks Unterbringung einer zweiten Kapsel für einen anderen Dotierungsstoff vorgesehen sein.

Das Tantalrohr 1 ist an beiden Enden mit je einer ringförmig berührenden Elektrode 11 und 12 aus gut wärmeleitendem Metall kontaktiert. Diese Art der Stromzuführung sorgt dafür, daß die Richtung des elektrischen Stromes praktisch unmittelbar nach dem

nigungen
können.

Die genannten Nachteile können entsprechend der Lehre der Erfindung vermieden werden, wenn die Erhitzung des Tantalrohres durch direkten Stromdurchgang erfolgt. Es bereitet dann keine Schwierigkeiten, den Stromfluß im Tantalrohr z. B. durch geeignete Kontaktierung auf ein Höchstmaß von Gleichmäßigkeit einzustellen. Hiervon ist wiederum die Folge, daß

im Innern des Tantalrohres ein nahezu gradientenloses 45 Eintritt in das Tantalrohr 1 parallel zu dessen Achse Temperaturfeld entsteht. Anderseits kann die Wan- verläuft und die Stromdichte ein Höchstmaß an dung des äußeren Rohres, ohne die Wirksamkeit der Homogenität erhält. Demzufolge sind auch die Quellen Beheizung zu beeinträchtigen, so weit von der Wand des Jouleschen Wärmeflusses in hohem Maße homogen des Tantalrohres entfernt sein, daß der Einfluß der verteilt, was die Entstehung eines nahezu gradienten-Temperaturstrahlung des Tantalrohres bedeutungslos 50 losen Temperaturfeldes im Innern des Rohres 1, minwird. Ferner kann das äußere Rohr auch aus einem destens jedoch in der Umgebung der möglichst in der hochtemperaturbeständigen Metall bestehen oder zwi- Mitte des Rohres 1 angeordneten Halbleiterkristalle, sehen dem Tantalrohr und dem äußeren Rohr dann zur Folge hat. Begünstigt wird diese homogene Temein ebenfalls aus Tantal bestehender Strahlungsschirm peraturverteilung noch durch eine sehr dünnwandige angeordnet werden. Durch Anwendung dieser Maß- 55 Ausgestaltung des Tantalrohres 1, z. B. ¹Ao mm und nähme wird eine großräumige Ausgestaltung des darunter. Gegebenenfalls können zur Erhöhung der äußeren Behandlungsgefäßes vermieden. Temperaturhomogenität im Inneren des Rohres 1 an-

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Vorrich- geordnete Blenden und Schirme vorgesehen sein, tung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch welche ebenfalls aus Tantal bestehen sollen. Zu dem Dotieren von Halbleiterkörpern aus der Gasphase. 60 gleichen Zwecke kann das die Halbleiterkristalle ent-Gemäß der Erfindung ist dabei ein aus Tantal beste- haltene Tantalrohr 1 von einem offenen, entsprechend hendes und eine Öffnung aufweisendes Gefäß durch
direkten Stromdurchgang so beheizt, daß ein nahezu
gradientenloses Temperaturfeld im Innern dieses Tantalgefäßes entsteht; in diesem Tantalgefäß sind die zu 65
dotierenden Halbleiterkörper auf einem aus Tantal
bestehenden Gestell angeordnet, das Tantalgefäß ist
von einem weiteren evakuierbaren Gefäß umgeben,
und schließlich kann eine mit dem Dotierungsstoff ge

bemessenen und als Wärmeschild dienenden zweiten Tantalrohr 4, welches die beiden Elektroden 11 und 12 nicht gleichzeitig berühren darf, umgeben sein.

Das Tantalrohr 1 befindet sich im Innern eines an eine Evakuierungspumpe 14 angeschlossenen Vakuumgefäßes 13. Dieses kann z. B. aus Quarz oder einem mit einem Beobachtungsfenster ausgerüsteten Stahlgehäuse bestehen. Das Vakuumgefäß wird gemäß einer

füllte beheizbare Tantalkapsel an die Öffnung des 70 besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens nicht

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nur vor dem Erzeugen der dotierenden Atmosphäre, beispielsweise eine Temperatur von 600° C wünsondern während des ganzen Dotierungsverfahrens sehenswert. Bei dieser Temperatur findet jedoch evakuiert. Diese Maßnahme bezweckt, wie noch näher bereits ein zu rapides Verdampfen des Arsens statt, dargelegt wird, die Einstellung einer definiert dotie- Es ist deshalb zweckmäßig, die Temperatur im Innerenden Atmosphäre. Zur Halterung des Tantalrohres 1 5 ren der Kapsel 9 möglichst unabhängig von der Beim Vakuumgefäß 13 kann ein aus Isolierstoff beste- handlungstemperatur im Inneren des Tantalrohres 1 hender, hitzebeständiger Support vorgesehen sein. zu halten und dadurch einer zu raschen Verdampfung Statt dessen können auch die gegeneinander isolierten des Dotierungsstoffes entgegenzuarbeiten. Elektroden 11 und 12 als Stützen ausgebildet sein, wie Zu diesem Zweck ist die Kapsel 9 an der Austrittses in der Figur dargestellt ist. Die elektrischen Zufüh- io stelle des Dotierungsstoffes doppelwandig ausgestaltet, rungen 15 zu den beiden Elektroden 11 und 12 sind und die zum Austritt des Dotierungsdampfes dienenebenso wie die das Thermoelement 8 mit einem GaI- den Öffnungen 9' in den beiden Wandungen sind so vanometer 17 verbindenden Leitungen 18 isoliert durch weit gegeneinander versetzt angeordnet bzw. derart die Wand des Vakuumgefäßes 13 geführt und liegen ausgestaltet, daß keine direkte Strahlung aus dem an einer Stromquelle, z. B. einem regelbaren Trans- 15 Inneren des Rohres 1 zu dem sich in der Kapsel 9 beformator 16. Falls die Vorrichtung, was in der Regel findlichen Dotierungsstoff 10 gelangen kann. Diese der Fall sein wird, während des Betriebes zu bedie- Ausgestaltung der Kapsel 9 wirkt gewissermaßen als nende, im Inneren des Vakuumgefäßes befindliche be- Schirm, der einen beträchtlichen Teil der auf die wegliche Teile aufweist, so sind sie in bekannter Weise Kapsel auftreffenden Wärmestrahlung reflektiert und entsprechend, z. B. als Drehdurchführungen, ausgebil- 20 davon abhält, zu dem im Inneren der Kapsel befinddet bzw. ausgerüstet. So kann z. B. mittels eines durch liehen Dotierungsstoff zu gelangen. Ferner kann der die Wand des Vakuumgefäßes geführten Schiebers 19 Stutzen 7 gegen den Verschluß 5 verschiebbar ausgedie Kapsel mit dem Dotierungsstoff wahlweise in den bildet sein, so daß er mehr oder weniger aus dem Ende Rohrstutzen 7 eingeführt bzw. aus ihm herausgezogen des Rohres 1 herausragt. Dadurch kann die Temperawerden. ²5 tür der Kapsel 9 und des Dotierungsstoffes 10 eben-Die Lötstelle des zur Messung und Überwachung falls verändert werden. Schließlich kann auch für die der Temperatur in der Umgebung der Halbleiter- Kapsel 9 eine besondere Temperaturregelung, z. B. kristalle 3 bestimmten Thermoelementes 8, z. B. eines eine besondere Heizspule, die in der Figur nicht dar-Platin-Indium-Elementes, soll möglichst in der Nähe gestellt ist, und auch ein besonderes Thermoelement 23 dieser Halbleiterkristalle angeordnet sein. Aus diesem 3° vorgesehen sein. Die benötigten elektrischen Zuleitun-Grunde reicht der Stutzen bis in die Nähe dieser gen können über den zu diesem Zwecke hohl gestalte-Kristalle. Da das Thermoelement 8 und die zu seiner ten Schieber 19 zu der Kapsel 9 geführt sein. Montage benötigten Isolatoren nicht mit dem Innen- Um die Wirkungsweise einer Vorrichtung gemäß raum des Tantalrohres 1 in Berührung kommen sollen, Erfindung darzulegen, ist vor allem auf folgendes hinist der rohrförmige Stutzen 6 an dem in das Innere 35 zuweisen: Die bekannten Vorrichtungen besaßen vor des Rohres 1 weisenden Ende mit einer Kappe aus allem den Nachteil, daß die Wände des Dotierungs-Tantal abgeschlossen. Die Lötstelle des Thermo- raumes selbst zu Verunreinigungen des Halbleiterelementes liegt jedoch möglichst an dieser Kappe an, materials und damit zu Undefinierten starken Streuum auf diese Weise eine möglichst exakte Bestimmung ungen der elektrischen Eigenschaften der mit ihrer bzw. Überwachung der im Inneren des Rohres herr- 4° Hilfe hergestellten elektrischen Halbleiterbauelemente sehenden Temperatur zu ermöglichen. Gegebenenfalls führten. Gemäß Erfindung besteht der Dotierungsraum kann, wie in der Figur dargestellt, die den Stutzen 6 ausschließlich aus Tantal. Andere Stoffe, mit Ausabschließende Tantalkappe einen Teil des Gestells 2 nähme der zu dotierenden Halbleiterkristalle, sollen für die Halbleiterkristalle bilden, so daß dieses von im Dotierungsraum nicht anwesend sein, da es sich dem Rohrstutzen frei getragen wird und diesen 45 gezeigt hat, daß solche Stoffe leicht zu Undefinierten gleichzeitig abschließt. Das Gestell 2 soll in diesem Verunreinigungen der Halbleiterkristalle führen, da Falle nicht mit dem gegenüberliegenden Rohrstutzen 7 sie zur Abgabe von Gasen bei erhöhten Temperaturen in Berührung kommen, da sich sonst eine Ungleich- neigen. Dementsprechend bestehen sowohl das Rohr 1 förmigkeit des Stromflusses und damit der Tempera- als auch möglichst alle an den Innenraum dieses turverteilung im Inneren des Tantalrohres 1 einstellen 5o Rohres angrenzenden Teile der Apparatur aus Tantal, würde. Die einzelnen Teile können, soweit erforderlich, mit-Der Abschluß des anderen Stutzens 7 wird durch einander verschweißt oder vernietet sein. Die Verdie Kapsel 9 für den Dotierungsstoff bewirkt. Diese Schlüsse werden vorzugsweise durch die federnde besteht ebenfalls aus Tantal und wird während des Kraft der einzelnen ineinandergefügten Teile bewirkt. Betriebes in den Stutzen 7 eingeschoben, derart, daß 55 Es wurde bereits die Anwendung eines als Wärmedie Öffnung 9' der Kapsel 9 gegen das Innere des Tan- schutz dienenden zweiten Tantalrohres 4 erwähnt, talrohres 1 weist. Die Kapsel wird ebenfalls durch welches das die Halbleiterkristalle beinhaltende Tan-Federung und ohne Anwendung von Dichtungsstoffen talrohr 1 vorzugsweise konzentrisch umgibt. Dabei gehalten. Die dabei durch Wärmeleitung übertragene wurde auf die vergleichmäßigende Wirkung eines sol-Wärme bringt dann den Dotierungsstoff zum Ver- ^6o chen Wärmeschildes auf die im Inneren des Tantaldampfen, der dann ungehindert durch die Öffnung 9' rohres 1 herrschenden Temperaturverhältnisse hingeder Kapsel 9 in das Innere des Tantalrohres 1 ein- wiesen. Dem Tantalrohr 24 kommt jedoch noch eine treten kann. weitere, mindestens ebenso wichtige Funktion zu. Es Die zur Dotierung erforderlichen Temperaturen verhindert nämlich, daß sich die Wand des Vakuumhängen von einer Reihe von Gesichtspunkten ab, von ⁶5 gefäßes 13 infolge der vom Tantalrohr 1 abgestrahlten denen die wichtigsten die stoffliche Natur der betref- Hitze zu stark erhitzt. Zu dem gleichen Zweck können fenden Halbleiterkristalle und die Diffusionsgeschwin- auch an den Enden des Tantalrohres je ein als Strahdigkeit des gewählten Dotierungsstoffes in dem betref- lungsschild dienender Tantalschirm vorgesehen sein, fenden Halbleitermaterial sind. Sollen z. B. Germani- der beispielsweise gleichzeitig die Funktion der umkristalle mit Arsen dotiert werden, so ist 70 Bügel 4' und 5' ausüben kann. Es hat sich nämlich

herausgestellt, daß auch bei ständigem Betrieb der Vakuumpumpe 14 die aus der Wand des Vakuumgefäßes 13 infolge einer solchen Erhitzung austretenden Gasspuren zu einer Beeinträchtigung der erzielten Dotierung führen können. Durch die beschriebenen Maßnahmen kann jedoch eine solche Erhitzung weitgehend vermieden werden, ohne daß eine großräumige Ausgestaltung des Vakuumgefäßes-13 und die hiermit verbundenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Wie erkannt wurde, besitzt Tantal bei den_: in, Frage kommenden Behandlungstemperaturen eine gewisse Fähigkeit, gasförmige Stoffe bei höheren Temperaturen zu absorbieren, die es erst bei noch wesentlich höheren Temperaturen wieder abgibt. Es besteht deshalb keine Gefahr, daß bei den üblichen Dotierungstemperaturen die Apparatur gasförmige, zu einer Verunreinigung des Halbleiters führende Verunreinigungen abspaltet. Tantal hat ferner die Eigenschaft, gegen heißes Königswasser unempfindlich zu sein. Dies gibt die Möglichkeit, die Oberfläche der verwendeten Tantalapparatur vor jedem neuen Dotierungsprozeß auf höchste Reinheit zu bringen, indem sie zunächst einige Zeit in Königswasser gekocht und anschließend im Vakuum geglüht wird.

Der Betrieb einer Vorrichtung gemäß der Erfindung gestaltet sich folgendermaßen: Zunächst werden die aus Tantal bestehenden Teile der Apparatur durch Behandlung mit einem flüssigen organischen Lösungsmittel entfettet, dann in Königswasser ausgekocht und anschließend mit einem Gemisch aus destilliertem Wasser und Alkohol gewaschen. Anschließend werden sie längere Zeit unter Vakuum geglüht. Es ist ferner zweckmäßig, auch die im Inneren des Väkuumgefäßes befindlichen Teile der Apparatur sowie die Innenwand des Vakuumgefäßes 13 soweit wie möglich zu säubern und durch an sich bekannte Mittel, z. B. durch Erwärmen oder durch Anwendung einer Gasentladung, von Gas- und Feuchtigkeitsresten möglichst zu befreien.

Das Tantalrohr wird dann mit den zu dotierenden Halbleiterkristallen bestückt und mit den Verschlüssen 4 und 5 abgeschlossen. Die Kapsel 9 wird mit dem hochreinen Dotierungsstoff gefüllt. Es empfielt sich jedoch, die Kapsel 9 erst nach Beendigung der folgenden Arbeitsschritte in den Stutzen 7 einzuführen:

Nachdem das Tantalrohr 1 im Vakuumgefäß 13 montiert, die erforderlichen elektrischen Anschlüsse hergestellt und das Vakuumgefäß 13 verschlossen ist, wird die Evakuierungspumpe 14 eingeschaltet und im Inneren des Vakuumgefäßes ein Innendruck von etwa ΙΟ"⁵ bis ΙΟ-" Torr erzeugt. Da das Tantalrohr nicht gasdicht abgeschlossen ist, stellt sich auch in seinem Inneren ein entsprechend niedriger Druck ein. Da, wie bereits bemerkt, die Kapsel 9 mit dem Dotierungsstoff 10 während dieser Phase des Verfahrens nicht in den Stutzen 7 eingeführt ist, wird die Evakuierung des Tantalrohres 1 keinen zusätzlichen zeitlichen Aufwand bedingen. Falls eine regelbare Blende vorgesehen ist, empfiehlt es sich, diese aus dem gleichen Grund während des Evakuierens der Anordnung zu öffnen. Nach dem Erreichen des gewünschten Unterdruckes im Vakuumgefäß 13 wird das Tantalrohr 1 mittels des von der Stromquelle 16 gelieferten Stromes erhitzt. Dabei soll vor dem Einregeln der gewünschten Dotierungstemperatur ein »Ausheizen« der Halbleiterkristalle bei höherer Temperatur, z. B. 800° C bei Germaniumkristallen, vorgenommen werden, um die Halbleiteroberfläche von Oxydspuren und anderen verdampfbaren Verunreinigungen zu säubern und ein einwandfreies Funktionieren des Diffusionsvorganges zu ermöglichen. Die Ausheizzeit ist von der Natur der betreffenden Halbleiterkristalle abhängig und beträgt bei Germaniumkristallen etwa Va bis 1 Stunde.
Nach dem Ausheizen der_ Halbleiterkristalle wird die gewünschte Dotierungstemperatur eingeregelt. Anschließend wird die Kapsel 9 mit dem Dotierungsstoff 10. in den Stutzen 7 mittels des Schiebers 19 eingeführt. Durch Wärmeübertragung wird sich dann in den meisten Fällen. der DotierungsstofF so weit erhitzen, daß ein merklicher Teil verdampft. Der Dotierungsdampf gelangt über die öffnungen 9' in das Innere des Tantalrohres 1 und damit in Berührung mit den zu dotierenden Halbleiterkristallen. Um den Druck der dotierenden Atmosphäre möglichst unabhängig von der Behandlungstemperatur im Inneren des Tantalrohres 1 variieren zu können, kann eine regelbare Blende vorgesehen sein, die über eine Drehdurchführung 22 betätigt werden kann. Durch Einstellung ihrer lichten Öffnung kann der Einfluß der Vakuumpumpe 14 auf das Innere des Rohres 1 stärker oder schwächer auch während des Ablaufes des Dotierungsvorganges eingestellt werden.

Da sich außerdem, wie bereits bemerkt, durch entsprechende Anordnung der Kapsel 9 im Stützen 7, die Kapsel kann sich z. B. am inneren oder am äußeren Ende des Stutzens befinden, und des Stutzens 7 in bezug auf das Rohr 1, der Stutzen kann weit in das Rohr hineingeschoben und er kann aber auch ganz herausgezogen sein, die Wärmeübertragung an den Dotierungsstoff in weiten Grenzen regeln läßt, ergibt sich ein weiteres Mittel, um die Dichte der im Rohr 1 herrschenden Atmosphäre unabhängig von der Behandlungstemperatur in diesem Rohr einzustellen.

Schließlich kann die Kapsel 9 noch, falls erwünscht, zusätzlich geheizt werden.

Insbesondere kann man bei Verwendung einer zusätzlichen Heizung für die Kapsel 9 den zugehörigen Rohrstutzen möglichst erst aus dem Rohr herausziehen und die Kapsel am äußeren Ende anordnen. Dadurch wird erreicht, daß die Temperatur in der Kapsel weitgehend unabhängig von der Temperatur im Inneren des Tantalrohres wird.

Eine Vorrichtung gemäß Erfindung gestattet, wenn sie entsprechend den soeben gegebenen Lehren betrieben wird, Halbleiterkristalle mit großer Gleichmäßigkeit zu dotieren bzw. umdotierte Halbleiterschichten an der Oberfläche von Halbleiterkristaüen mit gut reproduzierbarer Dicke und Gleichmäßigkeit ihrer elektrischen Eigenschaften herzustellen. Dies beruht einmal darauf, daß es bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß Erfindung gelingt, die Halbleiterkristalle in einem besonders hohen Maße definiert zu erhitzen, zum anderen, weil störende, undefinierbare Verunreinigungen mit größter Sicherheit vermieden, und schließlich, weil die die Einstellung des Druckes der dotierenden Atmosphäre bestimmenden Einflüsse mit hoher Exaktheit reproduzierbar eingestellt werden können.

Zu dem letzten Punkt ist noch folgendes zu bemerken: Bekanntlich ist der Dampfdruck eines Dotierungsstoffes eine ausschließliche Funktion seiner Temperatur. Falls das Tantalrohr 1 auf die gleiche Temperatur erhitzt wird, wird auch die Kapsel 9 bei gleicher Stellung zu diesem Rohr in gleichem Maße erwärmt, falls keine der Kapsel zugeordneten zusätzlichen Wärmequellen in Betrieb sind. Das Thermoelement 22 gestattet überdies eine genaue Einstellung und Überwachung dieser Temperatur. Damit ist aber auch eine reproduzierbare Verdampfungsquote des

Dotierungsstoffes bei den Wiederholungen des Verfahrens gesichert, wenn bei diesen Wiederholungen, vorausgesetzt, der gleiche Dotierungsstoff findet Verwendung, die Evakuierung im gleichen Maße durchgeführt wird, zum anderen, wenn bei gleicher Temperatur im Tantalrohr 1 auch in der Kapsel 9 die gleiche Temperatur erzeugt wird. Durch gleiche Einstellung der Blende 22 und der Diffusionsdauer muß bei gleichmäßigen Abmessungen der zu dotierenden Halbleiterkristalle ein Höchstmaß an Reproduzierbarkeit der erzielten Dotierung und damit der elektrischen Eigenschaften der Halbleiteranordnungen gesichert sein. Da außerdem die Evakuierung während des gesamten Dotierungsprozesses und auch während der sich anschließenden Abkühlung aufrechterhalten wird, ist die saubere Durchführung der Dotierung gesichert.

Mitunter empfielt es sich, nach Beendigung der Dotierung die Dotierungskapsel wieder aus dem Stutzen 7 herauszunehmen, die Evakuierungs- und Temperaturverhältnisse hingegen unverändert beizubehalten, ao Dann findet ein Abdampfen von Dotierungsstoffen aus der dotierten Oberfläche statt, welches zu einem unter Umständen vorteilhaften Profil der Störstellenverteilung führt.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch Dotieren von Halbleiterkörpern aus der Gasphase, dadurch gekennzeichinet, daß ein aus Tantal bestehendes und eine öffnung aufweisendes Gefäß durch direkten Stromdurchgang so beheizt ist, daß ein nahezu gradientenloses Temperaturfeld im Innern dieses Tantalgefäßes entsteht, daß in diesem Tantalgefäß die zu dotierenden Halbleiterkörper auf einem aus Tantal bestehenden Gestell angeordnet sind, daß das Tantalgefäß von einem weiteren evakuierbaren Gefäß umgeben ist, daß eine mit dem Dotierungsstoff gefüllte beheizbare Tantalkapsel an die öffnung des Tantalgefäßes derart angeschlossen werden kann, daß der aus einer Öffnung der Tantalkapsel bei Erhitzung austretende Dampf von Dotierungsstoff in das Innere des Tantalgefäßes gelangt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tantalgefäß mit einem aus Tantal bestehenden federnden Verschluß und ohne Anwendung eines Dichtungsstoffes abgeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tantalgefäß zwei Verschlüsse an den beiden Enden aufweist und daß in jedem der beiden Verschlüsse ein ebenfalls aus Tantal bestehender rohrförmiger Stutzen eingelassen ist, von denen der eine ein Thermoelement enthält und an dem ins Innere des Tantalrohres weisenden Ende abgeschlossen ist und der andere die Tantalkapsel für den Dotierungsstoff aufnimmt und an beiden Enden offen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tantalgefäß aus einem dünnwandigen Tantalrohr besteht und daß beide Enden des Tantalgefäßes mit je einer Elektrode in Form eines längs eines senkrecht zur Rohrachse stehenden und ringförmig die Enden des Tantalrohres umschließenden Streifens kontaktiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tantalkapsel für den Dotierungsstoff an der Austrittsstelle des Dotierungsdampfes doppelwandig ist und daß die zum Austritt des Dotierungsdampfes dienenden, in beiden Wandungen vorgesehenen öffnungen so weit gegeneinander verschoben bzw. derart ausgestaltet sind, daß die aus dem Inneren des rohrförmigen Tantalgefäßes auf die Tantalkapsel auffallende Wärmestrahlung nicht direkt zu dem im Inneren der Tantalkapsel befindlichen Dotierungsstoff gelangen kann.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tantalkapsel für den Dotierungsstoff ebenfalls mit einem Thermoelement, gegebenenfalls auch mit einer elektrischen Heizvorrichtung, ausgestattet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Tantalgefäß von einem Wärmeschild in Gestalt eines zweiten konzentrischen Tantalrohres umgeben ist, welches eine starke Erhitzung des evakuierbaren Gefäßes verhindert.

8. Verfahren mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dotierenden Halbleiterkörper im Tantalgefäß montiert werden, daß in evakuierbarem Gefäß ein Vakuum von 10~⁵ bis 10~^e Torr hergestellt und aufrechterhalten wird, daß die Halbleiterkörper bei einer oberhalb der Dotierungstemperatur liegenden Temperatur aufgeheizt werden und daß dann die Halbleiterkörper auf die für die Dotierung vorgesehene Temperatur gebracht werden und daß das Tantalgefäß durch Kopplung mit der gegebenenfalls vorgeheizten Tantalkapsel für den Dotierungsstoff, insbesondere, durch eine mit Wärmeübertragung verbundene Kopplung, mit dem Dampf des Dotierungsstoffes gefüllt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tantalkapsel für den Dotierungsstoff mit dem die Halbleiterkörper enthaltenden Tantalgefäß durch Einschieben in einen an dem Tantalgefäß angebrachten, nach dem Inneren des Tantalgefäßes offenen, vorzugsweise in seinem lichten Querschnitt der Tantalkapsel angepaßten Rohrstutzen aus Tantal gekoppelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Tantal bestehenden Teile der Vorrichtung vor jedem Gebrauch mit heißem Königswasser gewaschen und anschließend unter Vakuum geglüht werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 040 799;
deutsche Patentanmeldung S 30275, VIIIc/21g (bekanntgemacht am 30. 9. 1954);

französische Patentschrift Nr. 1 174 076;
USA.-Patentschrift Nr. 2 742 383.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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