DE1904790A1 - Verfahren zum Eindiffundieren von Stoerstellen in Halbleiterkoerper - Google Patents

Description

• "Verfahren zum Eindiffundieren von Störstellen in Halbleiterkörper" Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindiffundieren von Störstellen in einen Halbleiterkörper und besteht erfindungsgemäß darin, daß die zu diffundierenden Halbleiterkärper in einer Kühl- und Erhitaungsverrichtungen enthaltenden Vakuumkammer mit Störstelleiwiaterial enthaltenden Quellkörpern in Berührung gebracht werden, und daß das in der Kammer bestehende Hochvakuum während der Diffusion aufrechterhalten wird.
• In der Halbleitertechnik ist man in den vergangenen Jahren bei der Fertigung von Halbleiterbauelemnate:- mehr und mehr zu der Anwendung der Planartechnik übergegangen. Mit Hilfe dieser bekannten Technik werden in eine Halbleiterscheibe gleichzeitig eine Vielzahl von SHalbleiterbauelementen eindiffundiert, wobei sich alle in der Halbleiterscheibe untergebrachten Halbleiterzonen vorzugsweise zu einer Oberflächenseite der Haibleiterscheibe hin erstrecken. Als diffussionshemmende Maskierungsschicht ist bei den erforderlichen Diffuaionsprozessen eine Oxyd- oder Nitridschicht auf der Halbleiteroberfläche angeordnet, die mit Hilfe der bekannten Photolack- und Maskierungstechnik vor jedem Diffusionsvorgang jeweils in gewinschter Weise strukturiert wird.
• Störstellen können aus der festen1 flüssigen oder gasförmigen Phase in die Halbleiterkörper eindiffundiert werden. In jüngster Zeit ist vielfach die Ampullendiffusion bekannt geworden, bei der in einer vakuumdicht abgeschlossenen Ampulle die zu diffundierenden Halbleiterscheiben und als Störstellenquellmaterial mit Störstellen dotiertes, pulverförmiges Halbleitermaterial verwendet wird. Dieses Verfahren ermöglicht die sehr exakte Einhaltung der gewünschten Diffusionsparameter, ist aber nachteiligerweise sehr aufwendig und teuer. Bei der Pulverdiffusion m'iß vor jedem Diffusionsvorgang eine möglichst nicht verunreinigte Quarzglasampulle bis auf einen sehr n.edor rigen Innendruck abgepumpt und danach zugeschmolzen werden0 Nach dem Diffusionsvorgang, bei dem die Ampulle beispielsweise in einem rohrförmigen Diffusionsofen herkömmlicher Art untergebracht wird, muß die Ampulle zerschlagen oder aufgeschnitten werden, wobei zumindest Teile der sehr teuren Glavampulle wnbrauchbar werden.
• Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich dagegen der Diffusionsvorgang sehr exakt steuern, ohne daß irgendwelche Teile der zur Diffusion erforderlichen Vorrichtungseinrichtung unbrauchbar würden. Auf diese Weise werden Glaskosten eingespart. Hinzu kommt, daß bei dem erfindungsgemäßen Diffusionsverfahren im Inneren der Vakuumkanier Heiz- und Kühlvorrichtungen untergebracht sind, mit deren Hilfe eine stufenlose Temperaturvariation in einem großen Temperaturbereich vor und während der Diffusion möglich ist. Durch die erreichbaren kurzen Abkühlzeiten wird eine gute zeitliche Ausnützung der Diffusionseinrichtung gewährleistet.
• Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auf die zu diffundierenden Halbleiterscheiben als Quellkörper vorzugsweise Halbleiterscheiben aufgelegt, die nit einer bestinmten Dotierungskonzentration das gewünschte Störstellennaterial enthalten. Als diffusionshemmende Maskierungsschicht eignet sich, vor allem bei der Verwendung von Siliziunhalbleiterscheiben, Siliziumnitrid. Während der Aufheisast der Halbleiterscheiben findet in der Hochvakuumka T er ein Druckanstieg statt, der jedoch durch die während allen Arbeitsprozessen stets an die Hochvakuumkammer angeschlossenen Diffusionspumpe sofort wieder ausgeglichen wird.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nach dem Unterbringen der Halbleiterscheiben in der Hochvakuumkammer diese bis auf einen Druck von ca. 10-6 Torr zu evakuieren. Danach wird der Diffusionsraum mittels einer in der Hochvakuumkammer untergebrachten Erhitzungsvorrichtung auf ca. 12000C aufgeheizt. Durch die Verwendung eines zur Heizeinrichtung zusätzlichen Kühlsystems läßt sich während der Diffusionsdauer die Temperatur im Diffusionsraum gut konstant halten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung mit dessen Hilfe das angegebene Diffusionsverfahren in vorteilhafter Weise durchgeführt werden kann, wird anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
• Die Figur t zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau der Diffusionsvorrichtung. Sie besteht im wesentlichen aus einer Hochvakuumkammer 1, die sich ihrerseits aus einem Bodenteil 2 und einer abhebbaren glockenförmigen Haube 3 zusammensetzt. In der Hochvakuumkammer ist die Diffusion.
• kanuier 4 untergebracht, die sich aus einem Aufnahmeraum für die Halbleiterscheiben, Heiz- und Kühlvorrichtungen zusamiensetzt. Die Hochvakuumkammer ist über ein Plattenventil 5 an eine Vakuuzvorpu pe 6 und an eine Diffusionspumpe 7 angeschlossen. Die Ziffern 8 und 9 bezeichnen Druckmessinstrumente. In die Diffusionskammer 4 führt von außen ein Temperaturfühler lo. Die Heizplatten in der Diffusionskammer werden über einen Trafo 11 aufgeheizt, den eine Steuereinheit 12 vorgeschaltet ist. Zur Beschleunigung des Abkühlvorganges kann die Hochvakuumkammer mit Argon oder Wasserstoff aufgefüllt werden. Hierzu ist ein Argonbehälter 13 vorgesehen, der über ein Plattenventil 14 mit dem Innenraum der Hochvakuumkai-ier verbunden ist.
• In der Figur 2 ist der Aufbau der Diffusionskammer im einzelnen dargestellt. Zwei Quarzglasplatten 15 und 16 bilden die Boden- bzw. Deckplatte eines für die Aufnahme der Halbleiterscheiben vorgesehenen Raumes 4. Unter der Bodenplatte 16 bzw. über der Deckplatte 15 ist eine mäanderförmig geschnittene Kohle-Heizplatte 17 bzw. 18 nngeordnet, an deren Enden elektrische Zuleitungsstifte 19 aufgsetzt sind. Der Diffusionsraum 4 ist zur Wärmeisolation gegenüber dom umgebenden Raum der Hochvakuumkammer allseitig mit geschichteten Metallblechen 20 umgeben, wobei jeweils zwei benachbarte Metallbleche einen vorgegebenen Abstand voneinander haben und damit einen bestimmten Raum umschließen. Die Bleche bestehen vorzugsweise aUF Molybdän; es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, für die äußersten Metallbleche 21 hochglänzendes Nickel zu verwenden. Auf den parallel zu den Heizplatten liegenden Mussersten Metallplatten 22 ist ein Kühlsysten 23 angeordnet, das mit einer Kühlflüssigkeit beschickt wird.
• Zur Eindiffusion von Störstellen in Halbleiterscheiben wird nun in den Diffusionsraum 4 ein Stapel von Halbleiterscheiben, beispielsweise aus Silizium, eingebracht, wobei zu diffundierende Scheiben, die gegebenenfalls mit einer strukturierten und diffusionihemmenden Maskierungsschicht bedeckt sind und Störstellenquellscheiben alternierend angeordnet sind. Die Hochvakuumkammer wird nach dem Einbringen der Halbleiterscheiben bis auf ca. 10-6 Torr evakuiert und danach auf 1200°C hochgeheizt. Die Aufheizzeit beträgt ca. 30 Minuten. Während der Aufheizzeit sorgen die angeschlossenen Vakuumpuapeinrichtungen für die Einhaltung eines vorgegebenen Drucks in der Hochvakuukammer. Die schließlich erreichte Temperatur von 1200°C wird beispielsweise eine Stunde aufrechterhalten. Danach wird der Diffusionsraum beispielsweise innerhalb von 1 1/2 Stunden auf ca. 300°C abgekühlt. Zur Beschleunigung des Abkünlvorganges wird die Hochvakuumkammer zusätzlich mit Argon gefüllt.
• Es werden z.B. n-dotierte Siliziumhalbleiterscheiben mit Bor dotiert. Hierzu werden Bor-dotierte Quellscheiben Mit einer Störstellenkonzentration von 10+19 Atomen pro cm³ verwendet. Bei einer Diffusionsdauer von einer Stunde bei 1200 C erhält man in den n-dotierten Siliziumhalbleiterscheiben p-dotierte Oberflächenzonen mit einer Eindringtiefe von ca. 4,0 µm. Der Schichtwiderstand der eindiffundierten p-Zonen liegt bei 140 #/square. Die erzielten Werte lassen sich sehr gut reproduzieren. Die Abweichungen vom Mittelwert des Schichtwiderstandes unter den Scheiben, die in einem Diffusionsvorgang gleichzeitig behandelt wurden, bleibt unter + 4%.
• Zur Vermeidung von thermischen Ätzerscheinungen hat es sich als wesentlich erwiesen, die zu diffundierenden Scheiben in direktem Kontakt mit den Störstellenquellscheiben im Diffusionsraui aufzustellen. Die Diffusionstemperatur kann in einem weiten Bereich variiert werden.
• Diese weitreichende Temperaturvariationsmöglichkeit hat sich als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen.

Claims (11)

Patentansprüche

1) Verfahren zum Eindiffundieren von Störstellen in Halbleiterkörper , dadurch gekennzeichnet, daß die zu diffundierenden Halbleiterkörper in einer Kühl- und Erhitzungsvorrichtungen enthaltenden Vakuumkammer mit Störstellenmaterial enthaltenden Quellkörpern in Berührung gebracht werden, und daß das in der Kanimer bestehende Hochvakuum während der Diffusion aufrechterhalten wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quellkörper mit Störstellenmaterial dotierte Halbleiterscheiben verwendet werden.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Eindiffusion von Störstellen in zumindest teilweise mit Maskierungsschichten auf der Halbleiteroberfläche abgedeckten Silizium-Halbleiterscheiben.

4) Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als diffusionshemmendes Maskierungsmaterial eine Schicht aus Silziumnitrid verwendet wird.

5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochvakuumkammer zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks auch während der Diffusion an eine Vakuumpumpe angeschlossen bleibt.

6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Unterbringen der Halbleiterscheiben in der Hochvakuumkammer dies bis auf einen Druck von ca. 10-6 Torr evakuiert wird, daß der Diffusionsraum danach mittels einer in der Hochvakuumkanmer untergebrachten Erhitzungsvorrichtung auf ca. 1200°t aufgeheizt und nach Beendigung der Diffusion wieder abgekühlt wird.

7) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach eine der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hochvakuumkammer eine weitere, für die Aufnahne der Halbleiterscheiben vorgesehene Diffusionskammer angeordnet ist.

8) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte der Diffusionskamser aus einer Platte aus elektrisch isolierendem Material mit einer darunter angeordneten, mäanderförmig ausgebildeten Kohle-Heizplatte besteht, wobei die Kohlenplatte an ihren Enden mit Stromzuführungen in Verbindung steht.

9) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelplatte der Diffusionskammer aus einer Platte aus elektrisch isolierendem Material mit einer darüber angeordneten mäanderförmigen Kohle-Heizplatte besteht, und daß die Diffusionskammer durch geschichtete Metallbleche allseitig gegen den die Ka uBr umgebenden Raum in der Hochvakuumkammer wärmeisoliert ist.

lo) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmbleche aus Holybdän und/oder Nickel bestehen.

11) Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenfläche der Diffusionskammer mäanderförmig gewundene Kühlschlangen angeordnet sind.