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Verfahren zur formgebenden Behandlung einer Materialschicht
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Herstellung von Halbleiterkörpern mit Diffusionsregionen,leiterscheibe bildenden Rückstände mühsam zu entfernen.
Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, ein einfaches und billiges Verfahren für die Herstellung von Halbleitereinrichtungen mit Diffusionsregionen zu schaffen ; insbesondere befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, einen gegen Diffusion widerstandsfähigen Überzug (Abdeckschicht) eines Halbleiterkörpers derart formgebend zu beeinflussen, dass dieser sodann als Maske eine örtlich begrenzte Diffusion von die Leitfähigkeitstype beeinflussenden Verunreinigungen in den darunterliegenden Halbleiterkörper ermöglicht.
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und JFs (Jodpentaf1uorid) in Gegenwart von Strahlung handelsüblicher Strahlungsquellen gegenüber Abdeckschichten, welche bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen mit Diffusionsregionen verwendet werden können, besonders reaktionsfähig sind.
Demgemäss wird gemäss der Erfindung eine Halbleiterscheibe mit einer Abdeckschicht aus gegen Diffusion widerstandsfähigem, ein flüchtiges Fluorid bildendem Material, vorzugsweise Siliziumdioxyd, überzogen und sodann einer Atmosphäre aus einem Gas der Gruppe 0,F202,F 04 und JF ausgesetzt. Zugleich wird durch dieses Gas auf die Abdeckschicht eine Strahlung mit einer gewünschten Strahlungsverteilung, d. h. nach einem vorgegebenen Flächenmuster, gerichtet, wodurch das Gas dissoziiert und ein Ätzmittel bildet, welches die Abdeckschicht selek- tiv angreift.
Ein Merkmal der Erfindung liegt somit in der örtlichen Zersetzung von O-, F0 -,F 4-oder
JFs-Gas durch Strahlung mit einer gewünschten Strahlungsverteilung zwecks selektiver Ätzung einer gegen Diffusion widerstandsfähigen Schicht und Freilegung einer darunterliegenden Halbleiteroberfläche.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird auf thermischem Wege an der Oberfläche einer Halbleiterscheibe aus Silizium ein gegen Diffusion widerstandsfähiger Überzug aus Siliziumdioxyd erzeugt. Die so vorbereitete Scheibe wird in einen Kupferbehälter eingebracht, der mit einem Fenster aus
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0-oder JF-Gas gefüllt und einerStrahlung mit einer Wellenlänge ausgesetzt, die für die örtliche Zersetzung des F 0-Gases geeignet ist.
Für diesen Zweck ist eine Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 4210 , vorzugsweise im Be- reich von 2100 und 2600 , verwendbar. Die Ätzung erfolgt dabei rasch und bleibt auf jene Flächenbereiche der Siliziumdioxydschicht beschränkt, die durch Strahlung belichtet werden.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel wird das beschriebene Verfahren statt auf eine Halbleiterschicht aus Silizium auf eine keramische Schicht angewendet, die aus Zirkonoxyd oder Titanoxyd besteht.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung genauer erläutert werden. Fig. l zeigt perspektivisch und teilweise aufgebrochen eine Einrichtung zur Ausübung der Erfindung und Fig. 2 stellt perspektivisch eine im Rahmen der Erfindung verwendete Maske sowie den damit abgedeckten Halbleiterkörper dar.
BeiderbevorzugtenAusübungsweise der Erfindung besteht der erste Verfahrensschritt darin, die Oberfläche einer Halbleiterscheibe mit einem gegen Diffusion widerstandsfähigen Überzug zu versehen, wie dies im Block I des nachfolgend angegebenen Arbeitsdiagrammes verzeichnet ist. Als typisches Werkstück sei eine Halbleiterscheibe aus Silizium mit den Seitenabmessungen 1 X 1 X 0, 5 cm angenommen.
Als gegen Diffusion widerstandsfähiger Überzug wird auf dieser Scheibe thermisch ein Oxydfilm mit einer Dicke von etwa 10 000 A. erzeugt. Wie im Block II des Arbeitsdiagrammes angedeutet ist, wird die überzogene Scheibe in einen inerten Behälter eingebracht, der mit einem für die Strahlung durchlässigen Fenster versehen ist, wie z.
B. mit einem Plättchen aus Kalziumfluorid (CaF,) oder Magnesiumfluorid (MgF). Der Behälter wird sodann mit gasförmigen Fluormonoxyd (F 0) gefüllt, u. zw. zweckmässig bei Raumtemperatur und mit Atmosphärendruck, worauf nach einem gewünschten Flächenmuster, d. h. mit einer bestimmten Strahlungsverteilung von einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe oder einer indem Strahlungsquelle Strahlung durch das durchlässige Fenster auf die überzogene Oberfläche der Halbleiterscheibe geworfen wird.
Diese Verfahrensschritte sind in den Blöcken III und IV des nachfolgenden Arbeitsdiagrammes angedeutet.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung hat sich für die Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens besonders brauchbar erwiesen. Der Behälter 10 hat zweckmässig zylindrische Gestalt und besteht aus einem scheibenförmigen Bodenteil 11, der an das untere Ende eines Rohrstückes 13 angesetzt ist, während sich am oberen Ende des Rohrstückes 13 ein abnehmbarer Scheibenteil 14 befindet. Eine an das Rohrstück 13 angesetzte Anschlussleitung 16 führt zu einer (nicht dargestellten) Lieferquelle für F 0-Gas.
Eine weitere Anschlussleitung 17 ist mit einer (nicht dargestellten) Lieferquelle für ein inertes Gas, wie Stickstoff, verbunden, das zum Ausspülen des Behälters vor dessen Anwendung im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens dient. Eine Auslassleitung 18 ist mit einem (nicht dargestellten) Ableiter für das verbrauchte Gas verbunden.
Inden Behälter 10 wird ein geeignetes Ausgangsmaterial eingebracht. Eine Hauptfläche 21 dieses Ausgangsmaterials wird dabei im wesentlichen parallel zu dem strahlungsdurchlässigen Scheibenteil 14 angeordnet. Zwischen einer Strahlungsquelle 24 und der Fläche 21 wird eine Abdeckmaske 23 angeordnet.
In dieser Maske befindet sich ein Loch 25 (oder mehrere Löcher), wodurch die Strahlung, die auf die Fläche 21 auftreffen kann, auf den Bereich der lochförmigen Maskenausnehmung beschränkt wird.
Vorteilhaft wird die Maske 23 unterhalb des Scheibenteiles 14 im wesentlichen in Berührung mit der
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23 und die Strahlungsquelle 24 in der richtigen räumlichen Beziehung zueinander halten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Behälter 10 aus Kupferblech und er ist so ausgebildet, dass er mit einem Scheibenteil 14 aus Kalziumfluorid versehen werden kann. Die Anschlusslei- tung 16 ist mit einer Lieferquelle für F 0-Gas und die Anschlussleitung 17 mit einer Lieferquelle für Stickstoff verbunden.
In den Behälter wird die in Fig. 2 herausgezeichnete Siliziumscheibe 30 eingebracht. An der Oberfläche 32 dieser Scheibe 30 ist in bekannter Weise auf thermischem Wege eine Siliziumdioxydschicht 31 erzeugt worden. Die Maske 33, die ein Loch 34 aufweist, wird auf die Schicht 31 praktisch unter Berührung derselben, aufgesetzt. Das F 0-Gas dissoziiert bei der Bestrahlung und erzeugt in der Oxydschicht 31 ebenfalls ein Loch 35.
Es ist nicht erforderlich, dass die Maske die Oxydschicht 31 tatsächlich berührt. In einigen Fällen ist eine solche körperliche Berührung sogar unerwünscht. So kann es beispielsweise bei der Automatiserung des erfindungsgemässen Verfahrens erwünscht sein, die Scheibe 30 auf ein Förderband zu legen, wobei dann eine körperliche Berührung zwischen der Maske und der Scheibe die gewünschte Relativbewegung zwischen diesen beiden Teilen behindern würde.
Ferner kann es unter Umständen zweckmässig sein, die Maske überhaupt nicht im Innern des Behälters 10 anzuordnen, sondern nur optisch ein Bild des gewünschten Ätzmusters auf die Oxydschicht 31 zu
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projizieren.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Behälter ist vorzugsweise praktisch inert gegen F. O und dessen Zersetzungsprodukten. Gewöhnlich ist Kupfer nicht inert gegenüber einem freien Fluorradikal.
Es wurde jedoch gefunden, dass sich am Kupfer in einer Fluoratmosphäre rasch eine Schutzschicht aus Kupferfluorid ausbildet, wodurch das Kupfer inert wird. Für die Herstellung des Behälters können aber auch verschiedene andere Materialien, wie Kalziumfluorid, Magnesiumfluorid, Siliziumdioxyd mit einem Magnesiumfluoridüberzug und Aluminium angewendet werden. Glas ist anderseits nicht gut verwendbar, weil es von den Zersetzungsprodukten geätzt wird und dadurch nicht nur die einfallende Strahlung zerstreut, sondern auch den Ablauf des selektiven ÄtzvorgangesderAbdeckschichterheblich verzögert.
Die zur Erzeugung des gewünschten Ätzmusters in der halbleitenden Unterlage erforderliche Zeit hängt bei vorgegebenem Material und vorgegebenen Druck- und Temperaturbedingungen von der angewendeten Strahlungsintensität ab. Die Oxydschicht 31 kann beispielsweise eine Dicke von 10 000 Ä haben. Wenn man eine Schicht mit dieser Dicke bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in Gegenwart eines F 0-Gases der Strahlung einer 100 Watt-Hochdruck-Quecksilberdampflampe aussetzt, so ist eine Zeitspanne von mehr als einer Stunde erforderlich, um die Oberfläche der Siliziumscheibe freizulegen. Durch Erhöhung der Lampenleistung oder der Temperatur kann jedoch die erforderliche Bestrahlungszeit der Siliziumscheibe herabgesetzt werden.
Es wurde beobachtet, dass das O-Gas durch die Bestrahlung in atomares Fluor, molekulares Fluor und Sauerstoff dissoziiert, wobei das atomare Fluor stark mit dem Oxyd des Überzuges der Halbleiterscheibe in Reaktion tritt. Bei zunehmender Strahlungsintensität wächst die Menge an atomarem Fluor an und demzufolge wird die Reaktion mit der Oxydschicht begünstigt.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind keine Massnahmen vorgesehen, um die Strahlung zu bündeln oder die auf das Werkstück auftreffende Strahlungsmenge durch Reflektoren zu verstärken. Durch Anwendung solcher Hilfsmittel kann aber in bekannter Weise die Strahlungsmenge erhöht werden, die von einer bestimmten Strahlungsquelle ausnutzbar ist, so dass auf diesem Wege die Ätzgeschwindigkeit wesentlich gesteigert werden kann.
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gen, insbesondere auch den angegebenen Bereich umfasst.
In der Praxis ist es vorteilhaft, eine Reststärke von 10 der SiO-Schicht als Überzug auf der Siliziumschicht zu belassen. Auf diese Weise kann eine ungeregelte Ätzung des Siliziums vermieden werden ; die nachfolgenden Behandlungsvorgänge werden durch eine so dünne Oxydschicht nicht mehr behindert. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass das Siliziumsubstrat narbig wird, wenn nicht Vorsorge getroffen ist, um Wasser und Sauerstoff fernzuhalten (vgl. Journal of Applied Physics, Bd. 31, Nr. 5940, Mai 1960).
Vorzugsweise wird also das erfindungsgemässe Verfahren nicht bis zur völligen örtlichen Freilegung der Siliziumscheibe, sondern nur zur selektiven Dickenverminderung der Oxydschicht angewendet. In solchen Fällen, die besonders bei doppelten Diffusionsverfahren günstig sind, wird die einwirkende Strahlung zweckmässig durch Änderung der Opazität der Abdeckmaske geregelt.
Am einfachsten wird das erfindungsgemässe Verfahren bei Raumtemperatur ausgeübt, wobei eine sehr genaue Regelung des Verfahrensablaufes beispielsweise durch Regelung der Strahlungsintensität möglich ist. Die Temperatur kann aber auch erhöht oder vermindert werden, ohne dass sich dadurch eine wesentliche Änderung im Ablauf des Verfahrens ergibt. Es ist jedoch zu beachten, dass Fluormonoxyd (F 20) bei kritischen Temperaturen (die für einige Substratmaterialien bei 2000 C liegen) stark mit dem Substratmaterial in Reaktion tritt, weshalb die Arbeitstemperatur vorteilhaft wesentlich unter diesen kritischen Werten gewählt wird. Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei niedrigen Temperaturen (-78 bzw.
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ebenfalls atomares Fluor.
Die Reaktion zwischen dem Fluor und der Oxydschicht wird durch die Rekombinationsgeschwindigkeit oder Lebensdauer des atomaren Fluors gedämpft. Die Rekombination wirkt sich aber anderseits insoferne günstig aus, als das Auflösungsvermögen verbessert wird, weil die Reaktion dadurch tatsächlich im wesentlichen auf die bestrahlten Teile der Oxydschicht beschränkt wird. Im nicht belichteten F 0Gas entsteht so wenig atomares Fluor, dass in diesen Bereichen kein merklicher Einfluss auf die Oxyd-
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schicht ausgeübt wird.
Das beim erfindungsgemässen Verfahren erreichte Auflösungsvermögen hängt in erster Linie von der Lebensdauer oder der mittleren freien Weglänge des während der Reaktion freigesetzten atomaren Fluors ab. Die mittlere freie Weglänge des atomaren Fluors hängt ihrerseits von den Druck- und Temperaturbedingungen während der Reaktion ab. Für das praktisch erforderliche Auflösungsvermögen haben sich in den meisten Fällen Atmosphärendruck und Raumtemperatur als voll befriedigend erwiesen. Wenn jedoch ein hohes Auflösungsvermögen gefordert ist, beispielsweise. in der Grössenordnung von 1 oder 2 Mikron, kann es sich empfehlen, den Druck zu erhöhen und die Temperatur zu erniedrigen. Soll das Auflösungsvermögen noch weiter gesteigert werden, so kann in das System ein Zusatz eingeführt werden, der unmittelbar mit dem freien Fluorradikal in Reaktion tritt.
Ein solcher Zusatz ist beispielsweise Schwefeltetrafluorid. Es wurde jedoch experimentell gefunden, dass ein Auflösungsvermögen in der Grössenordnung von 1 oder 2 Mikron auch ohne derartigen Zusatz bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur erreichbar ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht nur bei Silizium-Siliziumdioxyd-Systemen anwendbar. Siliziumdioxyd kann auf verschiedenen Substraten, wie Kupfer, Germanium und Galliumarsenid so niedergeschlagen werden, dass Abdeckmasken für die Regelung einer nachfolgenden Ätzung des Substrates entste- hen. Darüber hinaus sind auch Siliziummonoxyd oder andere gegen Diffusion widerstandsfähige Materialien, die flüchtige Fluoride bilden, als Überzüge im Rahmen des Verfahrens nach der Erfindung anwendbar.
Im vorliegenden Zusammenhang soll die Bezeichnung "gegen Diffusion widerstandsfähig" auf eine Materialschicht mit einer Dicke hinweisen, welche die Diffusion einer bestimmten, die Leitfähigkeitstype beeinflussenden Verunreinigung in das Halbleitersubstrat verhindert. Es ist bekannt, dass sowohl das verwendbare, gegen Diffusion widerstandsfähige Material als auch die erforderliche Materialdicke von dem Material abhängen, das der Diffusion unterworfen werden soll.
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet auch eine vielversprechende Anwendungsmöglichkeit auf dem Gebiet der applizierten Schaltungen aus Tantal oder irgendeinem andern Metall, das ein flüchtiges Fluorid bildet, wie z. B. Chrom oder Wolfram. Ferner wird auch die Bearbeitung von Gegenständen aus keramischen Materialien, die ein flüchtiges Fluorid bilden, wie z. B. Zirkonoxyd (zero2) und Titanoxyd (tri02) durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens erleichtert. Demgemäss können die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele nur einige der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erläutern.
Nachfolgend werden einige spezielle, praktisch schon ausgeführte Beispiele für die Anwendung dieses Verfahrens gegeben.
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de in einer dampfgefüllten Bombe erhitzt, um so auf der ganzen Oberfläche der Scheibe thermisch eine Schicht aus Siliziumdioxyd mit einer Dicke von etwa 10000 zu erzeugen. Die erhaltene oxydüberzogene Scheibe wurde in der Anordnung nach Fig. 1 gasförmigem FO ausgesetzt. Es wurde dabei mitstati- schen Betriebsbedingungen, also mit der Strömungsgeschwindigkeit Null gearbeitet.
Auf eine Hauptfläche der Halbleiterscheibe wurde eine Maske aus fluoriertem Aluminium aufgelegt.
Die Maske hatte die Seitenabmessungen 1 x 1 x 0, 025 cm und war mit einer Reihe von Löchern versehen. In einem Abstand von ungefähr 2,5 cm von der Oberfläche der Oxydschicht der Scheibe wurde eine 100 Watt-Hochdruck-Quecksilberdampflampe angeordnet und gezündet. In weniger als 3 Stunden war die Oberfläche des Siliziumsubstrates entsprechend dem von der Maske vorgeschriebenen Flächenmuster selektiv freigelegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Oxydschicht vollkommen durchgeätzt, obwohl in der Praxis, wie schon erwähnt, eine solche vollkommene Schichtdurchtrennung nicht immer erwünscht ist.
Beispiel 2 : Es wurde ein Kupferblech mit den Abmessungen 1, 25 x 1, 25 x 0, 0012 cm auf einer
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(Alps)F 0-Atmosphäre der Strahlung einer 100 Watt-Lampe unter Zwischenschaltung einer Maske aus Kalziumfluorid ausgesetzt, auf die das Negativ einer gewünschten applizierten Schaltung mit Aquadag aufgetragen war, so dass die Maske örtlich für die Strahlung opak war. Das so überzogene Kupferblech wurde wäh-
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Lösung von Salpetersäure wurde sodann das Kupferblech in die gewünschte Gestalt der applizierten Schaltung gebracht. Der verbliebene Oxydüberzug wurde schliesslich in einer konzentrierten (48-igen) Lösung von Fluorwasserstoffsäure beseitigt.
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Beispiel 3 : Eine Aluminiumoxydplatte mit einem aufgedampften Überzug aus Tantal mit einer Dicke von 1000 Ä wurde in Berührung mit einer Abdeckmaske aus fluoriertem Aluminium in einen inerten Behälter gemäss Fig. 1 eingebracht. Der Behälter wurde sodann mit gasförmigem F. O gefüllt und es wurde wieder mit statischen Betriebsbedingungen gearbeitet. Mit Hilfe einer 100 Watt-Lampe, die 2, 54 cm von der Tantaloberfläche entfernt angeordnet war, wurde diese Oberfläche durch das Fenster aus Kalziumfluorid bestrahlt. Nach weniger als 4 min Bestrahlungszeit war das Flächenmuster der Abdeckmaske durch die Tantalschicht selektiv durchgeätzt.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf gasförmiges F 0 beschrieben. Es versteht sich
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0PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur formgebenden Behandlung einer Materialschicht an einer Halbleiterscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche dieser Scheibe mit einem Material überzogen wird, das ein llüchtiges Fluorid bildet, dass dieses Überzugsmaterial in eine Atmosphäre eingebracht wird, die aus einem
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0, F02, F04so gewählt werden, dass eine Durchdringung des Überzugsmaterials und eine selektive Freilegung der Halbleiterscheibe erfolgt.