DE2209776A1 - Diffusionsverfahren für Halbleiter mit flüssigen Dotierungsstoffen - Google Patents

Diffusionsverfahren für Halbleiter mit flüssigen Dotierungsstoffen

Info

Publication number
DE2209776A1
DE2209776A1 DE19722209776 DE2209776A DE2209776A1 DE 2209776 A1 DE2209776 A1 DE 2209776A1 DE 19722209776 DE19722209776 DE 19722209776 DE 2209776 A DE2209776 A DE 2209776A DE 2209776 A1 DE2209776 A1 DE 2209776A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
diffusion
water
dopant
boron
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19722209776
Other languages
English (en)
Other versions
DE2209776C3 (de
DE2209776B2 (de
Inventor
Herbert Malcolm Wappinger Falls- Dexter Wilbur Hyde Hyde Park; Lever Reginald Frank Putnam Valley; Melzer Paul Albin Newburgh; N.Y. Demsky (V.St.A.)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by International Business Machines Corp filed Critical International Business Machines Corp
Publication of DE2209776A1 publication Critical patent/DE2209776A1/de
Publication of DE2209776B2 publication Critical patent/DE2209776B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2209776C3 publication Critical patent/DE2209776C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
    • Y10S438/914—Doping
    • Y10S438/92—Controlling diffusion profile by oxidation

Description

Böblingen, den 31. Januar 1972 oe-we
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 970 051
Diffusionsverfahren für Halbleiter mit flüssigen Dotierungsstoffen
Die Erfindung betrifft ein Diffusionsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen aus Silicium in einem einseitig offenen Diffusionsrohr unter Verwendung flüssiger Dotierungsstoffe aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems.
Bisher werden im wesentlichen zwei Diffusionsverfahren zur Halbleiterherstellung angewandt.
Das erste Verfahren ist die Diffusion im Vakuum, wobei als Quelle ein dotiertes Halbleitermaterial in fester Form dient.
Beim zweiten Verfahren werden die Siliciumplättchen bei hoher Temperatur einer Atmosphäre ausgesetzt, die den Dotierungsstoff und Sauerstoff enthält. Dabei wird N-dotiert mit Phosphortriehlorid, Phosphoroxytrichlorid und Phosphorpentoxid und P-dotiert mit Borbromid und Borhydrid. Normalerweise wird, um ein Zerfressen des Siliciums zu vermeiden, bei einer relativ niedriger Temperatur (900 bis 975 0C) zunächst der Dotierungsstoff auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht, dann folgt bei höherer Temperatur die eigentliche Diffusion.
Das zuerst genannte Verfahren ist teuer, weil sich das notwendige Quarzgerät nur einmal verwenden läßt.
2098Λ3/0971
Da beim zweiten Verfahren zwei Diffusionsschritte notwendig sind, braucht man auch zwei öfen, was das Verfahren verteuert.
Ist der Dotierungsstoff Borbromid, so entsteht bei der Reaktion mit Sauerstoff Boroxid (B2O3) und Brom. Diese Reaktion produziert korrosive Nebenprodukte, außerdem sind die Flußraten kritisch und können deshalb inhomogene Diffusionen verursachen. Das Borsilicatglas, das sich auf dem Silicium bildet, ist stark borhaltig. Infolgedessen ist die Sättigungslöslichkeit (6 · 1O20 Atome/cm3) von Bor in Silicium praktisch die einzige Konzentration, die sich mit dieser Methode erreichen läßt, d. h. eine Variation der Konzentration ist unmöglich. Hinzu kommt, daß sich eine Borsiliciumphase bildet, die nicht in den üblichen Oxidätzmitteln sondern nur in speziellen bei höhreren Temperaturen löslich ist. Um die üblichen photolithographischen Verfahren anwenden zu können, muß deshalb nach der Diffusion noch thermisch oxidiert werden.
Außerdem erhält man eine unerwünschte Ablagerung von Boroxid an den Rohrwänden, was zusätzliche Prozeßschwierigkeiten verursacht, und die korrosiven Nebenprodukte der Reaktion mit Sauerstoff machen das Diffusionsrohr sehr rasch unbrauchbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, Siliciumplättchen bei Atmosphärendruck in einem einseitig offenen Diffusionsrohr durch Diffusion N oder P zu dotieren. Die Diffusion soll homogen erfolgen, und die erzielbare Konzentration des Dotierungsstoffes im Silicium soll variabel und gleich oder kleiner als die Sättigungskonzentration sein. Das in der Erfindung beschriebene Verfahren soll schließlich eine thermische Oxidation nach der Diffusion überflüssig machen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Siliciumplättchen in dem Diffusionsrohr auf 900 °C bis 1200 0C erhitzt werden und sodann einem bei dieser Temperatur gebildeten Gemisch aus Wasserdampf und dem Dotierungsstoff ausgesetzt werden. 4
FI 970 051 20g8i3/n971
In einem bekannten Verfahren wird zwar der Dotierungsstoff azeotrop mit Wasser gemischt und die Mischung dann mittels eines Trägergases auf die Plättchenoberfläche gebracht, dabei hydrolysiert aber der Dotierungsstoff, z. B. Borbromid, zu unerwünschten Bortrioxid.
In einem weiteren bekannten Verfahren ist zwar auch Wasserdampf an der Diffusion beteiligt; jedoch ist dabei z. B. wenn mit Elementen der 3. Hauptgruppe dotiert werden soll, der wesentliche Bestandteil der Gasatmosphäre ein reduzierendes Gas, z. B. Wasserstoff oder Kohlenmonoxid. Außerdem liegen bei diesem Verfahren die Dotierungsstoffe als feste Verbindungen vor, was die Diffusion schwerer kontrollierbar und wegen eines zusätzlich benötigten Ofens aufwendiger macht.
Das erfindungsgeraäße Verfahren wird vorteilhaft so eingesetzt, daß die Siliciumplättchen dem Gemisch aus Wasser, Dotierungsstoff und Trägergas, vorzugsweise Argon, 60 bis 120 Minuten bei einer Temperatur von 1050 °c ausgesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft angewandt, wenn das Volum-Verhältnis von Wasser zu Borbromid zwischen 40 : 1 und 700 : 1 liegt und das Volum-Verhältnis von Wasser zu Phosphoroxytrichlorid zwischen 50 : 1 und 700 : 1 liegt.
Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. l in schematischer Darstellung eine konventionelle
Apparatur für offene Diffusionen,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Oberflächenkonzentration
des Dotierungsstoffs in Silicium gegen den Partialdruck des beim Prozeß eingesetzten Wassers aufgetragen ist,
209843/0971
Docket FI 970 051
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Oberflächenkonzentration
des Dotierungsstoffes gegen den Partialdruck des Dotierungsstoffes in der Ofensatmosphäre aufgetragen ist,
Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Oberflächenleitfähigkeit
eines als Folge einer Diffusion mit Bor dotierten Siliciumplättchens aufgetragen ist gegen die Zeit, in der das Borbromidwassergemisch durch die heiße Zone des Diffusionsrohrs strömt.
Bei dem Diffusionsverfahren mit einseitig offenem Diffusionsrohr werden die gereinigten Siliciumplättchen in einem Quarzrohr in den in Fig. 1 dargestellten Diffusionsofen geschoben und auf eine Temperatur zwischen 900 und 1200 0C aufgeheizt. Ist das Temperaturgleichgewicht mit der Ofenatmosphäre erreicht, werden separate Ströme von Bortribroraid oder Phosphoroxytrichlorid und Wasser in die heiße Zone geleitet, in der die Plättchen stehen. Beide Ströme mischen sich unmittelbar in der heißen Zone. Dabei läuft die folgende chemische Reaktion ab:
BBr3 + 2H2O = HBO + 3HBr
Erst bei einem beträchtlichen Partialdruck des HB0_ findet die Reaktion:
2HBO2 = B3O3 +
statt.
Auf diese Weise kann ein wesentlich kleinerer Partialdruck des B2O3 erzeugt werden, als sich im Gleichgewicht mit flüssigem B2O3 einstellen wird und das entstehende, auf der Plättchenoberfläche wachsende, Borsilicatglas ist entsprechend borärmer. Die Notwendigkeit eines nachfolgenden Oxidationsschritts fällt weg.
209843/097 1
Docket FI 9 70 051
Außerdem kann man durch Variation des Borbromid-Wasserverhältnisses in einem weiten Bereich die Oxidationsgeschwindigkeiten und Oberflächenkonzentrationen CQ, welche vermutlich von der Oxidationsgeschwindigkeit abhängt, variieren. Dies erlaubt eine bisher unbekannte Flexibilität des Prozesses.
Es ist zu beachten, daß der Dotierungsstoff, z. B. Borbromid, und Wasser bei hoher Temperatur gemischt werden müssen, weil sonst Borbromid begierig zu unerwünschtem Bortrioxid hydrolysiert.
Entsprechend dem beschriebenen Prozeß kann durch Diffusion eine Oberflächenkonzentration von Bor in Silicium erzeugt werden, die wesentlich unter seiner Sättigungslöslichkeit in Silicium liegt. Darüber hinaus ist das gebildete Oxid in Flußsäure vollständig löslich.
Zur Verdeutlichung des Verfahrens sind im folgenden vier Beispiele beschrieben.
Beispiel I
Gereinigte Siliciumplättchen wurden in ein konventionelles Leiterboot geladen, welches in das Rohr des Diffusionsofens geschoben und in Argonatmosphäre auf 1050 0C erhitzt wurde. Bortribromid und Wasser wurden nun getrennt in den Of6n geleitet. Dazu strömten 55 cm Argon/min bei 1 C durch Borbromid und 3350 cm Argon/ min bei 23 0C durch Wasser. Zusätzlich strömten 11600 cm Argon/ min durch das Rohr. Nach 120 Minuten wurde der Borbromid und der Wasserstrom abgeschaltet, dann noch 5 Minuten mit Argon gespült und schließlich die Plättchen aus dem Ofen genommen. Die Borsilicatschicht auf den Plättchen war 2000 S dick und unlöslich in Flußsäure. Der Oberflächenwiderstand betrug 8,5 Ohm/a und der PN-Übergang lag 1,4 u tief. Die Oberflächenkonzentration
20 3
an Bor betrug 5,5 · 10 Atome/cm .
209843/097 1
Docket FI 9 70 051
Beispiel II
Die Bedingungen waren dieselben wie im Beispiel I, außer daß der Argonstrom durch Borbromid auf 5 cm /min gedrosselt wurde,
Die Plättchen hatten folgende elektrische Eigenschaften:
Oberflächenwiderstand 1800 Ohm/a Tiefe des PN-Ubergangs 0,7 u Oberflächenkonzentration Cn
18 3
des Bors 1 χ 10 Atome pro cm
Beispiel III
Die Bedingung war dieselbe wie in Beispiel 1, lediglich der Argonstrom durch das Borbromid war auf 30 cm pro Minute gedrosselt worden.
Die Plättchen hatten folgende elektrische Eigenschaften:
Oberflächenwiderstand 90 0hm/a Tiefe des PN-Ubergangs 1,2 u
19 3
Oberflächenkonzentration CQ 4,5 χ 10 Atome pro cm
Der Borsilicatglasfilm auf den Plättchen war etwa 700 8 dick und flußsäurelöslich.
Beispiel IV
Die Siliciumplättchen im Leiterboot wurden ins Rohr des 1050 0C heißen Diffusionsofen geschoben. Nach 5 Minuten wurden 16 cm /min eines mit Phosphoroxytrichlorid beladenen Argonstroms in die heiße Zone geleitet und mit 4600 cm Argon pro Minute verdünnt. Separat davon wurden 40 cm Wasser pro Minute in die heiße Zone
209843/097 1
Docket FI 9 70 051
des Ofens gegeben. Diese Bedingungen wurden 60 Minuten lang aufrechterhalten. Absei
pro Minute gespült.
rechterhalten. Abschließend wurde 5 Minuten mit 4400 cm Argon
Die prozessierten Plättchen hatten folgende elektrische Eigenschaften:
Oberflächenwiderstand 300 Ohm/j-j Tiefe des PN-übergangs 0,63 ja, Oberflächenkonzentration Cn
18 3 an Phosphor 8 χ 10 pro cm .
Das Volumverhältnis Wasser zu Dotierungsstoff in den obigen vier Beispielen liegt zwischen 50:1 und 500:1.
Wie die Fign. 2, 3 und 4 und die vier Beispiele zeigen, sind die Oberflächenkonzentration C des Dotierungsstoffes im Siliciumplättchen und elektrische Eigenschaften des Plättchens wie der Oberflächenwiderstand durch Variation der Diffusionszeit und der Flußraten leicht kontrollierbar.
209843/Π971
Docket FI 9 70 051

Claims (6)

— 8 — PATENTANSPRÜCHE
1. Diffusionsverfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen aus Silicium in einem einseitig offenen Diffusionsrohr unter Verwendung flüssiger Dotierungsstoffe aus der dritten oder fünften Hauptgruppe des Periodensystems, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumplättchen in dem Diffusionsrohr auf 900 bis 1200 0C erhitzt werden und sodann einem bei dieser Temperatur gebildeten Gemisch aus Wasserdampf und dem Dotierungsstoff ausgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf und das verdampfte Dotierungsmaterial getrennt und jeweils einem Trägergas, vorzugsweise Argon, beigemischt in das erhitzte Diffusionsrohr geleitet werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionsrohr vor und nach dem Diffusionsvorgang mit dem Trägergas gespült wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumplättchen dem Gemisch aus Wasser und Dotierungsstoff 60 bis 120 Minuten bei einer Temperatur von etwa 1050 C ausgesetzt werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumverhältnisse von Wasser zu Borbromid zwischen 40:1 und 700:1 gewählt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumverhältnisse von Wasser zu Phosphoroxytrichlorid zwischen 50:1 und 700 :1 gewählt werden.
209843/0971
Docket FI 970 051
Le e rs e i te
DE2209776A 1971-04-14 1972-03-01 Verfahren zum Dotieren von Siliciumplättchen mittels eines Wasser und Dotierstoff enthaltenden Dampfgemisches Expired DE2209776C3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13400971A 1971-04-14 1971-04-14

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2209776A1 true DE2209776A1 (de) 1972-10-19
DE2209776B2 DE2209776B2 (de) 1979-12-06
DE2209776C3 DE2209776C3 (de) 1981-06-11

Family

ID=22461342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2209776A Expired DE2209776C3 (de) 1971-04-14 1972-03-01 Verfahren zum Dotieren von Siliciumplättchen mittels eines Wasser und Dotierstoff enthaltenden Dampfgemisches

Country Status (5)

Country Link
US (1) US3770521A (de)
JP (1) JPS5310834B1 (de)
DE (1) DE2209776C3 (de)
FR (1) FR2133571B1 (de)
GB (1) GB1357290A (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2751163C3 (de) * 1977-11-16 1982-02-25 Brown, Boveri & Cie Ag, 6800 Mannheim Verfahren zur Steuerung einer offenen Gallium-Diffusion und Vorrichtung zur Durchführung desselben
US4149915A (en) * 1978-01-27 1979-04-17 International Business Machines Corporation Process for producing defect-free semiconductor devices having overlapping high conductivity impurity regions
US5180690A (en) * 1988-12-14 1993-01-19 Energy Conversion Devices, Inc. Method of forming a layer of doped crystalline semiconductor alloy material

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1644005A1 (de) * 1967-04-26 1970-09-24 Siemens Ag Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkristallen mit Phosphor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL109817C (de) * 1955-12-02
US3442725A (en) * 1966-05-05 1969-05-06 Motorola Inc Phosphorus diffusion system
US3477887A (en) * 1966-07-01 1969-11-11 Motorola Inc Gaseous diffusion method
US3484314A (en) * 1967-02-23 1969-12-16 Itt Water vapor control in vapor-solid diffusion of boron

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1644005A1 (de) * 1967-04-26 1970-09-24 Siemens Ag Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkristallen mit Phosphor

Also Published As

Publication number Publication date
FR2133571A1 (de) 1972-12-01
FR2133571B1 (de) 1978-03-03
GB1357290A (en) 1974-06-19
DE2209776C3 (de) 1981-06-11
JPS5310834B1 (de) 1978-04-17
DE2209776B2 (de) 1979-12-06
US3770521A (en) 1973-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1564963C3 (de) Verfahren zum Herstellen eines stabilisierten Halbleiterbauelements
DE1696628B2 (de) Verfahren zum ueberziehen der oberflaeche eines gegenstandes mit silikatglas
DE1138481C2 (de) Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase
DE1913718C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
DE1288571B (de) Verfahren zur genauen Regelung des Dotierstoffgehalts von epitaktisch abgelagertem Halbleitermaterial
DE1148024B (de) Diffusionsverfahren zum Dotieren eines Silizium-Halbleiterkoerpers fuer Halbleiterbauelemente
DE1771145C3 (de) Verfahren zur Herstellung einer Siliciumdioxidschicht
DE2557079A1 (de) Verfahren zum herstellen einer maskierungsschicht
DE1521465B2 (de) Verfahren zur herstellung von texturlosem polykristallinen silicium
DE1285465B (de) Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von Schichten aus Silicium oder Germanium
DE2052221C3 (de) Verfahren zum Erzeugen einer Siliciumoxidschicht auf einem Süiciumsubstrat und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
DE1924825A1 (de) Verfahren zum Niederschlagen eines Halbleitermaterials
DE1544245B2 (de) Verfahren zum Dotieren von Halbleiter korpern
DE2211709B2 (de) Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterial
DE1521605A1 (de) Verfahren zum Herstellen von Oxidfilmen auf Unterlagen
DE2018072A1 (de)
DE2209776C3 (de) Verfahren zum Dotieren von Siliciumplättchen mittels eines Wasser und Dotierstoff enthaltenden Dampfgemisches
DE2316520C3 (de) Verfahren zum Dotieren von Halbleiterplättchen durch Diffusion aus einer auf das Halbleitermaterial aufgebrachten Schicht
DE1696607B2 (de) Verfahren zum herstellen einer im wesentlichen aus silicium und stickstoff bestehenden isolierschicht
DE2951292A1 (de) Verfahren zum dotieren von siliciumkoerpern durch eindiffundieren von bor
DE1719498A1 (de) Epitaxialwachstum von Galliumarsenid
DE2060161A1 (de) Verfahren zur Herstellung von selbstjustierten Feldeffekttransistoren hoher Stabilitaet
DE2220807A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von polykristallinen Duennfilmen aus Silicium und Siliciumdioxid auf Halbleitersubstraten
DE1444536C3 (de) Verfahren zum Diffusionsdotieren eines Silicium-Halbleiterkristalls
DE1521337C3 (de) Verfahren zur Siliciumnitrid-Filmschichtbildung

Legal Events

Date Code Title Description
OD Request for examination
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
8339 Ceased/non-payment of the annual fee