DE1198458B - Halbleiterdotierungsverfahren mit Photomaskierung - Google Patents

Halbleiterdotierungsverfahren mit Photomaskierung

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DE1198458B DEP34696A DEP0034696A DE1198458B DE 1198458 B DE1198458 B DE 1198458B DE P34696 A DEP34696 A DE P34696A DE P0034696 A DEP0034696 A DE P0034696A DE 1198458 B DE1198458 B DE 1198458B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4WWW> PATENTAMT int. Ui.:
η uxi
AUSLEGESCHRIFT
Deutschem.: 21g -11/02
Nummer: 1198 458
Aktenzeichen: P 34696 VIII c/21 g
Anmeldetag: 16. Juli 1964
Auslegetag: 12. August 1965
Zur Herstellung vieler Arten von einen Übergang aufweisenden Halbleitervorrichtungen, ζ. Β. Transistoren, muß ein dotierender Störstoff in ein Plättchen aus Halbleitermaterial, ζ. Β. Silicium, von einer genau definierten Fläche auf einer. Seite des Plattchens aus eindiffundiert werden, so daß der darunter befindliche Bereich des Plättchens zu einem Halbleitermaterial von einem anderen Leitfähigkeitstyp wird. Eine Methode hierfür besteht darin, die Oberfläche des Plättchens mit einem festhaftenden Überzug abzudecken, der dann anschließend unter Freilegung der Oberfläche des Plättchens über den Stellen, an welchen dotierende Störstoffe niedergeschlagen werden sollen, entfernt wird. Diese Methode kann nicht auf alle Halbleitermaterialien Anwendung finden, und auf jeden Fall verursachen die zur Niederschlagung der Maskierungsschicht erforderlichen zahlreichen Verfahrensstufen, die anschließende Entfernung der Maskierungsschicht über bestimmten Stellen und die Einbringung der Verunreinigung ao einen ziemlich hohen Ausschuß bei einer fabrikmäßigen Herstellung.
Es ist auch bekannt, den Störstoff durch eine entsprechend perforierte Maske auf die Oberfläche des Halbleiters aufzudampfen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß durch die Kleinheit und di& erforderliche Festigkeit der Maske keine sehr scharfen Störstellenmuster erzeugt werden können. Ferner ist es bekannt, einen dotierenden Störstoff durch Ionenbeschuß mit Ionen aus diesem Störstoff aufzubringen. Dieses Verfahren erfordert eine sehr komplizierte Vorrichtung. Schließlich wurde auch schon vorgeschlagen, Oberflächen mit einer anderen Komponente zu legieren, indem diese in fester Form aufgebracht Halbleiterdotierungsverfahren mit
Photomaskierung
Anmelder:
Plessey-UK Limited, Ilford, Essex
(Großbritannien) :
Vertreter:
Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Ernsbergerstr. 19
Als Erfinder benannt:
Derek Harry Roberts,
Litchborough, Northamtonshire
(Großbritannien)
Beanspruchte Priorität: :
Großbritannien vom 18. "Mi 1963 (28 491)
durch das einfallende Licht, dissoziiert und der Störstoff auf der Halbleiteroberfläche niedergeschlagen wird und schließlich der Halbleiterkörper in an sich bekannter Weise unter Eindiffusion des niedergeschlagenen Störstoffs erhitzt wird.
Der im vorstehenden Absatz verwendete Ausdruck »Licht« ist nicht unbedingt auf sichtbares Licht beschränkt, sondern wird hier, .ganz allgemein zur Be-
und dann mit einem Elektronenstrahl verschmolzen 35 zeichnung elektromagnetischer Energie im sichtbaren und legiert wird. Auch dieses Verfahren erfordert Bereich und benachbarten Bereichen verwendet. Bei eine nachträgliche Entfernung der legierenden Sub- den nachstehend ausführlicher, beschriebenen besonstanz an den nicht legierten Stellen. deren Verfahren wird Energie im nahen Ultraviolett-
Alle obenerwähnten Nachteile der bekannten Ver- bereich (3000 bis 4000 A) verwendet. Das Belichfahren werden durch das erfindungsgemäße Verfah- 40
ren beseitigt. Die Erfindung bezieht sich auf ein
Diffusionsverfahren zur Herstellung von Halbleiterkörpern unterschiedlicher Störstellenkonzentration
bzw. mit pn-Übergängen durch Dissoziation von Verbindungen des Störstellenmaterials unter Verwen- 45
dung der Maskierung. Die Erfindung besteht darin,
daß die Oberfläche eines Halbleitermaterials mit einer durch Photolyse dissoziierbaren Verbindung eines Störstoffes in Berührung gebracht wird, dann an den zu dotierenden Stellen der Oberfläche des Halbleiterkörpers belichtet wird, so daß die Verbindung des Störstoffes innerhalb der belichteten Stellen tungsmuster kann mittels einer mit Öffnungen versehenen Maskierung und eines optischen Systems zur Scharfeinstellung eines Bildes der Maskierung auf dem Plättchen bestimmt werden. Das optische System ist zweckmäßig so gebaut, daß man ein verkleinertes Bild einer relativ großen Maskierung erhält, so daß die genaue Festlegung der Öffnungen der Maskierung verhältnismäßig einfach wird-. Andererseits kann die Oberfläche des Plättchens von einem äußerst intensiven Strahlenbündel abgetastet werden, wie es z. B. von einem »Laser« erzeugt wird,, wobei dessen Intensität unter Erzielung des gewünschten Niederschla-r gungsmusters geregelt wird.
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rung 19 wird durch die allgemein mit 20 bezeichneten optischen Teile auf den Plättchenträger 11 projiziert.
Bei der Herstellung einer besonderen Art einer Halbleitervorrichtung ist ein dünnes Plättchen 21 aus Halbleitermaterial, z. B. aus Silicium, auf der Oberseite des Trägers 11 befestigt. Dieses Halbleitermaterial kann von sehr hoher Reinheit sein und ist bei gewöhnlichen Temperaturen effektiv nichtleitend, solange nicht seine Struktur durch Eindiffusion eines geeigneten Störstoffs modifiziert wurde, oder es wurde bereits zur Erzielung eines bestimmten Leitfähigkeitstyps behandelt. Bei dem hier beschriebenen Beispiel wird ängefröfnmen, ■ daß das Siliciumplättchen
Vorzugsweise verwendet man eine gasförmige Verbindung des dotierenden Störstoffs, wobei das HaIbleiterplättchen einfach in eine Atmosphäre dieser Verbindung gebracht und in der gewünschten Weise belichtet wird.
Zweckmäßig sind Mittel vorgesehen, um das Plättchen erhitzen zu können, ohne daß es aus dem umschlossenen Raum entfernt werden muß, in welchem die photolytische Niederschlagung des dotierenden Störstoffs erfolgt, so daß das Niederschlagungs- io verfahren und die Diffusion in das Plättchen ohne weitere Handhabung des vorbereiteten Plättchens beendet werden können. Es kann dies z. B. so geschehen, daß das auf einem geeigneten Träger "befindliche Plättchen innerhalb des umschlossenen 15 21 eine Leitfähigkeit vom η-Typ besitzt. Raums von einer Niederschlagungszone in eine Er- Zur Ausbildung eines Halbleiterübergangs in dem
hitzungszone befördert wird.
Bei vielen Arten von Halbleitervorrichtungen müssen zwei oder mehr Zonen mit unterschiedlichem
Leitfähigkeitstyp durch Diffusion verschiedener Stör- 20 daß man einen Störstoff, z. B. Bor, auf der Oberseite stoffe in dem Körper des Halbleiterplättchens gebil- des Plättchens niederschlägt und dieses dann zur det werden. Das kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung so geschehen, daß man den umschlossenen Raum, in welchem die Niederschlagung erfolgt, mit zwei oder mehr Quellen gasförmiger 25 durch Photolyse dissoziiert werden kann. Zu Beginn Verbindungen des jeweiligen dotierenden Störstoffs des Verfahrens ist der Hahn 13 geöffnet, und die gasverbindet, so daß der umschlossene Raum beliebig mit jeder Verbindung gefüllt werden kann, worauf man das gewünschte Belichtungsmuster auf die Oberseite des Plättchens zur photolytischen Fixierung des 30 jeweiligen Störstoffs in Form des gewünschten Musters projiziert.
In einer erfmdungsgemäß bevorzugten Einrichtung können die verschiedenen Verfahrensstufen der Niederschlagung eines ersten Störstoffs, der Erhitzung zur Einwanderung des Störstoffs in das Plättchen, der Niederschlagung eines zweiten Störstoffs Siliciumplättchen 21 muß die Leitfähigkeit eines Teils des Plättchens vom η-Typ in den p-Typ umgewandelt werden. Das kann dadurch erzielt werden,
Eindiffusion des Störstoffs in das Innere des Plättchens erhitzt. Die Gasquelle 15 in Fig. 2 enthält eine gasförmige Borverbindung, z. B. BCL3, welches
in einem anderen Muster und die erneute Erhitzung zur Einwanderung des zweiten Störstoffs in das Plättförmige Borverbindung kann durch das Quarzrohr 10 unter Verdrängung der Luft oder der anderen in dem Rohr herrschenden Atmosphäre strömen (das Rohr kann zunächst mit einem inerten Gas gefüllt sein, um eine Verunreinigung der Oberfläche des Plättchens 21 vor dem eigentlichen Beginn des Verfahrens zu vermeiden). Das Plättchen 21 ist somit von einer Atmosphäre aus der Borverbindung umhüllt.
Eine Maskierung 19 mit einer einzigen kreisförmigen Öffnung für jede in dem Plättchen 21 zu erzeugende Halbleiteranordnung wird dann in Stellung gebracht und von der Lichtquelle 17 beleuchtet.
chen (dieses Verfahren kann beliebig oft wiederholt 40 Durch das optische System 20 wird auf der Oberseite
werden) ohne manuelle Handhabung und ohne seme Entnahme aus dem umschlossenen Raum erfolgen.
Nachstehend wird eine Ausführungsform zur Herstellung einer erfindungsgemäßen, einen Übergang des Plättchens 21 ein verkleinertes Bild der Maskierung erzeugt. Innerhalb jeder der kleinen kreisförmigen, dem Bild der Öffnungen in der Maskierung 19 entsprechenden Flächen wirkt das einfallende
aufweisenden Halbleitervorrichtung beschrieben. In 45 Licht unter Dissoziation auf die gasförmige Borver-
der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Teils •der zur Durchführung der Erfindung verwendeten Einrichtung,
F i g. 2 eine weitere schematische Darstellung der vollständigen Einrichtung und
Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine erfmdungsgemäß hergestellte Halbleitervorrichtung.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Einrichtung besteht aus einem Quarzrohr 10, welches einen umschlossenen Raum für einen beweglichen Plättchenträger 11 bildet. Eine Heizwicklung 12 umgibt einen Teil des Rohrs 10 und begrenzt eine Erhitzungszone, innerhalb welcher der Plättchenträger Il über von
55 bindung ein, so daß auf der Oberseite des Plättchens Borniederschläge zurückbleiben. Wie bereits gesagt, umfaßt der Ausdruck »Licht« sowohl Energie im nichtsichtbaren als auch im sichtbaren Bereich des Spektrums, und in der Praxis erzielt man die wirksamste Dissoziation der Borverbindungen mit Lichtenergie im Ultraviolettbereich zwischen 3000 und 4000 A. Die Dauer und die Intensität der Belichtung läßt sich jeweils experimentell bestimmen.
Wenn sich der erforderliche Borniederschlag gebildet hat, wird die Lichtquelle 17 abgeschaltet, und der Plättchenträger 11 wird in die durch die Heizwicklung 12 begrenzte Heizzone gebracht. Die Inbetriebnahme dieser Heizwicklung bewirkt eine Er
der Außenseite des Rohrs 10 zu betätigende Mittel 60 hitzung des Plättchens 21, wobei die auf seiner Ober-
11α bewegt werden kann. Ein Ende des Quarzrohrs 10 ist mittels Leitungen und Absperrhähnen 13 und und 14 mit einer oder mehreren Gasquellen, z. B. 15 und 16, verbunden.
Dem Rohr 10 ist ein optisches System zugeordnet, das aus einer Lichtquelle 17 und einer Sammellinse 18 zur Scharfeinstellung des Lichts auf einer Maskierung 19 besteht. Das angestrahlte Bild der Maskiefläche niedergeschlagenen Borfilme in das Innere des Plättchens eindiffundieren und dort flache, scheibenförmige Bereiche 22 (F i g. 3) bilden, innerhalb deren das Material des Plättchens seine Leitfähigkeit vom η-Typ zum p-Typ geändert hat.
Der Plättchenträger 11 wird dann in seine »NiederschIagungs«-Stellung innerhalb des Rohrs 10 zurückgebracht. Der Hahn 13 wird geschlossen, und der
Hahn 14 wird geöffnet, so daß das Rohr 10 nunmehr mit einer gasförmigen Verbindung eines anderen Störstoffs, z. B. einer Phosphorverbindung, gefüllt wird, die eine Umkehrung der Leitfähigkeit vom p-Typ in die Leitfähigkeit vom η-Typ bewirken kann. Diese Verbindung muß ebenfalls durch Photolyse dissoziierbar sein; in diesem besonderen Fall ist Phosphin (PH3) geeignet. Die vorher verwendete Maskierung 19 wird durch eine andere ersetzt, die eine Reihe von öffnungen aufweist, die mit den zur Niederschlagung der Zonen 22 verwendeten Öffnungen fluchten, jedoch einen kleineren Durchmesser besitzen. Ein Anschalten der Lichtquelle 17 verursacht dann die Dissoziation des Phosphins in mehreren scheibenförmigen Stellen, welche zentral in den breiteren Zonen 22 angeordnet sind, wobei diese Zonen 22 während der vorhergehenden Verfahrensstufe eine Leitfähigkeit vom p-Typ erhalten hatten. Nach Erzielung eines ausreichenden Phosphorniederschlags wird die Lichtquelle 17 wieder abgeschaltet, und der Plättchenträger 11 wird in den Bereich der Heizwicklung 12 gebracht, wobei der Phosphorniederschlag in das Innere des Plättchens unter Ausbildung einer zweiten, kleineren Zone 23 eindiffundiert, wobei diese Zone 23 wiederum eine Leitfähigkeit vom η-Typ aufweist.
Das Plättchen 21 wird dann aus der Einrichtung entnommen, und auf seinen Oberflächen wird auf beliebige bekannte Weise ein Schutzüberzug 24 zusammen mit Metallanschlüssen 25, 26 und 27 aufgebracht. Die so erhaltene Vorrichtung kann einen Flächentransistor darstellen, in welchem der Körper des Plättchens 21 den Kollektor bildet und die untere Metallelektrode 27 den Kollektoranschluß darstellt; die breitere Umwandlungszone 22 bildet die Basiszone mit ihrem Anschluß 26, während die kleinere Umwandlungszone 23 und der Anschluß 25 die Emitterzone und deren Anschluß darstellen. Obwohl zum besseren Verständnis das Verfahren vorstehend unter Bezugnahme auf eine Halbleitervorrichtung mit extrem einfacher Geometrie beschrieben wurde, kann das erfindungsgemäße Verfahren natürlich auch leicht zur Herstellung von Vorrichtungen mit komplizierterer Form Anwendung finden. Die Umwandlungsstellen in jeder Verfahrensstufe werden ausschließlich durch das Muster der Maskierung 19 bestimmt, und die Verwendung des optischen Systems 20 zur Erzeugung eines verkleinerten Bilds der Maskierung auf dem Plättchen 21 macht es möglich, die Maskierung selbst mit verhältnismäßig großen Abmessungen herzustellen, und ergibt nur sehr geringe prozentuale Abweichungen von den Umrissen der verschiedenen Stellen der Maskierung. Die einzige beschränkende Bedingung für das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß der auf der Oberseite des Plättchens 21 niederzuschlagende Störstoff als gasförmige Verbindung erhältlich sein muß, welche durch Photolyse dissoziiert wird. Spezifische Beispiele zur Verwendung bei der Herstellung von Siliciumtransistoren wurden bereits genannt; andere Störstoffe zur Umwandlung der Leitfähigkeit in den p-Typ sind Aluminium und Gallium, welche als die gasförmigen Verbindungen Al2Cl6 und GaCl erhältlich sind; zur Umwandlung der Leitfähigkeit in den η-Typ sind Arsen oder Antimon geeignet, die als gasförmige Verbindungen AsH3 beziehungsweise SbH3 erhältlich sind.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Herstellung von Siliciumhalbleitervorrichtungen beschränkt, und andere Halbleitermaterialien, z. B. Galliumarsenid, können bei geeigneter Wahl der Störstoffe für das Plättchen 21 verwendet werden.
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Planar-Transistoren gemäß Fig. 3 wird auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein Oxydfilm gebildet, und in diesem werden Öffnungen erzeugt, beispielsweise durch Phototiefdruck, welche die Flächen für die anschließende Niederschlagung des dotierenden Störstoffs umgrenzen. Dieses Verfahren bedingt eine beträchtliche Handhabung der Vorrichtung, wobei man eine Beschädigung oder Verunreinigung riskiert, und außerdem bestehen beachtliche Beschränkungen in bezug auf die für das Halbleiterplättchen selbst verwendbaren Materialien sowie in bezug auf die einzudiffundierenden Störstoffe und die zur Maskierung verwendeten Materialien. Im Gegensatz dazu kann man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben ist, eine komplizierte Halbleitervorrichtung in mehrere Stufen innerhalb des gleichen umschlossenen Raumes herstellen, ohne daß atmosphärische Verunreinigungen Zutritt hätten und die Vorrichtung zwischenzeitlich gehandhabt werden muß.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Diffusionsverfahren zur Herstellung von Halbleiterkörpern unterschiedlicher Störstellenkonzentration bzw. mit pn-Übergängen durch Dissoziation von Verbindungen des Störstellenmaterials unter Verwendung der Maskierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines Halbleitermaterials mit einer durch Photolyse dissoziierbaren Verbindung eines Störstoffs in Berührung gebracht wird, dann an den zu dotierenden Stellen der Oberfläche des Halbleiterkörpers belichtet wird, so daß die Verbindung des Störstoffs innerhalb der belichteten Stellen durch das einfallende Licht dissoziiert und der Störstoff auf der Halbleiteroberfläche niedergeschlagen wird und schließlich der Halbleiterkörper in an sich bekannter Weise unter Eindiffusion des niedergeschlagenen Störstoffs erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterkörper ein Belichtungsmuster dadurch erzeugt wird, daß ein optisches Abbildungssystem verwendet wird, das im Zusammenwirken von Lichtquelle und einer mit Öffnungen versehenen Maskierung auf der Plättchenoberfläche ein scharfes Maskenbild erzeugt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das optische System ein verkleinertes scharfes Bild einer verhältnismäßig großen Maske erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Belichtungsmuster durch Abtasten der Oberfläche der Maskierung mit einem hochintensiven Lichtstrahl erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hochintensive Lichtstrahl durch einen Laser erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasförmige Verbindung des Störstoffs verwendet wird und der Halbleiter während der Belichtung
in einer Atmosphäre dieser Verbindung angeordnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ohne Entnahme aus einem eine gasförmige Störstoffverbindung enthaltenden Raum, in welchem die photolytische Niederschlagung des Störstoffs erfolgt, erhitzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Niederschlagung des Störstoffs der Halbleiterkörper innerhalb des umschlossenen Raumes auf einem geeigneten Träger aus einer· Niederschlagungszone in eine Erhitzungszone bewegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung mehrerer Übergänge bzw. mehrerer Zonen mit unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp nach Eindiffusion eines Störstoffs eines Leitungstyps das Verfahren unter Verwendung eines anderen Leitungstyps erzeugenden Störstoffs wiederholt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 883 784, 892 328,
961;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1080 697;
USA.-Patentschrift Nr. 2 695 852.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 630/284 8.65 © Bundesdruckerei Berlin
DEP34696A 1963-07-18 1964-07-16 Halbleiterdotierungsverfahren mit Photomaskierung Pending DE1198458B (de)

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