DE1816084C3 - Method for manufacturing a semiconductor device made of silicon - Google Patents
Method for manufacturing a semiconductor device made of siliconInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines aus Silicium bestehenden, mindestens zwei durch Diffusion erzeugte Zonen unterschiedlichen Leitungstyps aufweisenden Halbleiterbauelements, bei dem auf der Oberfläche einer Siiicium-Halbleiterkristallscheibe eines bestimmten Leitungsiyps ein den °o entgegengesetzten Leitungstyp erzeugender Dotierstoff beidseitig ganzflächig aufgebracht wird, bei dem der aufgebrachte Dotierstoff auf der Oberseite der Halbleiterkristallscheibe bis auf die Stellen, an denen Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt werden sollen, durch eine Mesaätzung wieder entfernt wird und bei dem in einem anschließenden Diffusionsprozeß zur Erzeugung der einzelnen Zonen des Halbleiterbauelements der den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugende Dotierstoff und an den durch das Ätzen freigelegten Bereichen der Oberseite der Halbleiterkristallscheibe ein den ursprünglichen Leitungstyp erzeugender Dotierstoff in die Halbleiterkristallscheibe eindiffundiert werden.The invention relates to a method for producing one made of silicon, at least two Zones of different conductivity types exhibiting semiconductor components produced by diffusion, in the case of the one on the surface of a silicon semiconductor crystal disk of a certain type of conduction a the ° o opposite conductivity type generating dopant is applied on both sides over the entire area, in which the applied dopant on the top of the semiconductor crystal wafer except for the places where Zones of the opposite conductivity type are to be generated, removed again by a mesa etching is and in which in a subsequent diffusion process to generate the individual zones of the Semiconductor component of the opposite conductivity type generating dopant and through the etching of the uncovered areas of the upper side of the semiconductor crystal wafer gives the original conductivity type generating dopant are diffused into the semiconductor crystal wafer.
Ein derartiges Verfahren, mit dem ebene Diffusionsfronten unter den Mesas erzielt und zugleich ein geringerer spezifischer Widerstand an der Oberseite außerhalb der Mesas gebildet wird, ist bereits bekannt (DT-AS 1246685). Mit diesem Verfahren werden aber keine genau einstellbaren pn-Ubergänge erreicht, da bei dem Diffusionsprozeß die beiden Dotierstoffe teilweise »überlappt« in die Halbleiterkristallscheibe diffundieren.Such a method, with which flat diffusion fronts are achieved under the mesas and at the same time a It is already known that a lower specific resistance is formed on the upper side outside the mesas (DT-AS 1246685). With this method, however, no precisely adjustable pn transitions are achieved, because during the diffusion process the two dopants partially "overlap" in the semiconductor crystal wafer diffuse.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines hochdotierten Bereichs in Körpern aus Silicium ist es weiterhin bekannt (OE-PS 210479), Folien aus einer das Dotierungsmaterial enthaltenden Goldlegierung auf die Körper aufzulegieren. Damit ist es aber nicht möglich, auf einfache Weise gleichzeitig verschieden dotierte Zonen in einer Halbleiterkristallscheibe herzustellen. It is also used in a method for producing a highly doped region in bodies made of silicon known (OE-PS 210479), foils made of a gold alloy containing the doping material to alloy the bodies. However, this does not make it possible, in a simple manner, to simultaneously dop differently Produce zones in a semiconductor crystal wafer.
Schließlich ist auch noch ein Verfahren zum Herstellen dotierter Zonen in einem Halbleiterkörper bekannt (DT-AS 1271684), bei dem der Dotierstoff auf chemischem Wege auf den Halbleiterkörper abgeschieden und anschließend eindiffundiert wird. Bei diesem Verfahren werden alle pn-Übergänge auf chemischem Wege erzeugt; es ist daher aufwendig und für eine Massenproduktion wenig geeignet.Finally, a method for producing doped zones in a semiconductor body is also known (DT-AS 1271684), in which the dopant is on chemically deposited on the semiconductor body and then diffused in. at In this process, all pn junctions are generated chemically; it is therefore expensive and unsuitable for mass production.
Um zu verhindern, daß während eines Diffusionsprozesses ein schwach, z. B. p-dotierter Bereich an der Oberfläche einer Halbleiterkristallscheibe durch die aus einem benachbarten, z. B. stark n-doticrten, Bereich ausdiffundierenden Störstellen umdotiert wird, ist es weiterhin bekannt, die Oberfläche durch eine Siliciumdioxidschicht abzudecken und damit zu maskieren.To prevent a weak, e.g. B. p-doped area the surface of a semiconductor crystal slice by the from an adjacent, z. B. strongly n-doticrten, In the area of out-diffusing impurities is redoped, it is still known to penetrate the surface to cover and thus mask a silicon dioxide layer.
Es ist auch möglich, die schwachdotierte Schicht der Oberfläche stärker zu dotieren, damit sie nicht umdotiert werden kann. Für diese Dotierung der Oberfläche, die auch eine sperrfreie Kontaktierung des betreffenden Bereichs erleichtert, werden Belegungen des betreffenden Dotierstoffs, z. B. aus der Gasphase, verwendet. Bei einer weiteren, unter dem Namen »Paint-on-Verfahren« bekannten Methode, die schwachdotierte Schicht an der Oberfläche stärker zu dotieren, wird auf die Halbleiteroberfläche eine glasbildende Verbindung, die als Bestandteil den Dotierstoff enthält, in Form einer Paste aufgebracht, getrocknet und in die Oberfläche eindiffundiert (vgl. DT-PS 1046785).It is also possible to dope the lightly doped layer of the surface more heavily so that it does not can be redeployed. For this doping of the surface, which is also a barrier-free contact the area in question facilitated, allocations of the dopant in question, z. B. from the Gas phase, used. In another method known as the »paint-on process«, Doping the lightly doped layer more heavily on the surface becomes a glass-forming compound, which contains the dopant as a component, applied in the form of a paste, dried and diffused into the surface (cf. DT-PS 1046785).
Diese zuletzt beschriebenen Methoden sind wegen der einzelnen, zum Teil aufwendig durchzuführenden Verfahrensschritte, wie z. B. das Aufbringen einer Maskierungsschicht, Anwenden der Fotoätztechnik oder die zusätzliche Belegung aus der Gasphase, umständlich oder führen beim »Paint-on-Verfahren« zu Bauelementen mit stark unregelmäßig dotierten Bereichen und damit zu großer Streubreite der elektrischen Parameter.These last-described methods are, in some cases, laborious to carry out because of their individual nature Process steps, such as. B. the application of a masking layer, using the photo-etching technique or the additional occupancy from the gas phase, cumbersome or lead to the »paint-on process« Components with highly irregularly doped areas and thus too large a spread of the electrical Parameter.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das eingangs beschriebene Verfahren so zu verbessern, daß in einfacher und rationeller Weise diffundierte Siliciumhalbleiterbauelemente hoher Verstärkung mit genau eingestellter Dotierstoffkonzentration der einzelnen Zonen hergestellt werden können.It is therefore the object of the invention to improve the method described at the outset in such a way that in a simpler way and rationally diffused high gain silicon semiconductor devices with accurate Set dopant concentration of the individual zones can be produced.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Diffusionsprozeß auf die durch das Ätzen freigelegten Bereiche der Oberseite der Halbleiterkristallscheibe eine aus Nickel und dem den ursprünglichen Leitungstyp erzeugenden Dotierstoff bestehende Schicht auf chemischem Wege abgeschieden wird.This object is achieved according to the invention in that prior to the diffusion process on the through the Etch uncovered areas of the top of the semiconductor crystal wafer one made of nickel and the original Conductivity-generating dopant existing layer deposited chemically will.
Bei der Erfindung wird auf sehr einfachem und billigem naßchemischem Wege auf eiuem bestimmten gewünschten Bereich der Oberfläche der Halbleiterkristallidieibe die gegebenenfalls bor- oder phosphorhaltige Nickelschicht abgeschieden, so daß bei einem anschließenden Diffusionsprozeß die Oberfläche eines z. B. schwachdotierten p-Bereichs durch den Gehalt an Bor im Nickel stärker p-dotiert oder eines schwachdotierten η-Bereichs durch den Gehalt an Phosphor stark η-dotiert und dadurch ein Umdotieren durch aus einer benachbarten hochdotierten Zone ausdiffundierende Störstellen unmöglich wird. Es ist vorteilhaft, daß gleichzeitig mit dieser Schutzdotierung eine Nickelbelegung erfolgt, so daß bei der nachfolgenden Diffusion die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger viel höher bleibt als ohne Nickel. Außerdem wird das Anbringen eines sperrfreien Kontakts an den mit der Nickelschicht versehenen Stellen durch die dort vorhandeine Dotierung erleichtert. In the invention, the nickel layer optionally containing boron or phosphorus is deposited in a very simple and cheap wet-chemical way on a certain desired area of the surface of the semiconductor crystals, so that in a subsequent diffusion process the surface of a z. B. lightly doped p-area due to the content of boron in the nickel more p-doped or a lightly doped η-area due to the content of phosphorus heavily η-doped and thus redoping is impossible due to impurities diffusing from an adjacent highly doped zone. It is advantageous that nickel is coated at the same time as this protective doping, so that during the subsequent diffusion the service life of the minority charge carriers remains much longer than without nickel. In addition, the application of a lock-free contact to the points provided with the nickel layer is facilitated by the doping present there.
Deraufgebrachte Dotierstoff kann vor der Mesaätzung in die Halbleiterkristallscheibe bis zu einer Tiefe eindiffundiert werden, die geringer als der spätere Mesaabtrag ist.The applied dopant can be used prior to the mesa etch be diffused into the semiconductor crystal disc to a depth that is less than the later Mesa erosion is.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß vor der Mesaätzung die Oberfläche der Halbleiterkristallscheibe oxydiert oder ein Oxyd aufgebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß bei der nachfolgenden Nickelabscheidung sich das Nickel nur an oxidfreien Flächen abscheidet und dadurch auf die Stellen beschränkt bleibt, an denen es wirksam werden soll.A further development of the invention consists in that the surface of the semiconductor crystal wafer prior to the mesa etching oxidized or an oxide is applied. This has the advantage that in the following Nickel deposition The nickel is only deposited on oxide-free surfaces and is therefore limited to the areas remains where it should take effect.
Es ist vorteilhaft, daß die für die Mesaätzung erforderliche Maskierungsschicht vor der Nickelabscheidung nicht entfernt wird. Dadurch wird ebenfalls erreicht, daß die den Dotierstoff enthaltende Nickelschicht nur an den Stellen abgeschieden wird, an denen sie wirksam werden soll.It is advantageous to have the masking layer required for the mesa etching prior to the nickel deposition is not removed. This also ensures that the nickel layer containing the dopant is deposited only in the places where it is to take effect.
Als Dotierstoffe in der Nickelschicht können Bor oder Phosphor verwendet werden. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gehalt an Bor bzw. Phosphor in der Nickelschicht auf 3 bis 10% eingestellt wird.Boron or phosphorus can be used as dopants in the nickel layer. It has to be Proven to be advantageous if the boron or phosphorus content in the nickel layer is set to 3 to 10% will.
Es ist schließlich noch vorteilhaft, daß die Nickel enthaltende Schicht in einer Schichtstärke von ungefähr 0,1 μπι abgeschieden wird.Finally, it is also advantageous that the nickel-containing layer has a layer thickness of approximately 0.1 μπι is deposited.
Wird die zur Mesaätzung notwendige Abdeckung, z. B. Fotolack, auf der Mesa belassen oder die Mesaoberfläche oxydiert, so erhält man bei geeigneter Führung der Vernickelung keine Nickelabscheidung auf der Mesa, sondern nur wunschgemäß auf dem geätzten Bereich, wo der schwachdotierte Ausgangskristall an die Oberfläche tritt. Wenn dagegen die Mesaoberf lache auch vernickelt wird, muß die Vernickelung so dünn bzw. die Dotierung der Vernickelung so schwach gewählt werden, daß keine Umdotierung oder stärkere Kompensation bei der anschließenden Diffusion im Bereich dei Mesa eintritt.If the cover required for mesa etching, e.g. B. photoresist, left on the mesa or the mesa surface If the nickel plating is carried out appropriately, no nickel deposition is obtained the mesa, but only as requested on the etched area where the lightly doped starting crystal comes to the surface. If, on the other hand, the mesa surface is also nickel-plated, the nickel-plating must be like this thin or the doping of the nickel plating be chosen so weak that no redoping or stronger Compensation occurs during the subsequent diffusion in the area of the mesa.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels wird nunmehr auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen, in welchen der Fertigungsgang eines diffundierter. npn-SiliciumtransistorsFor a more detailed explanation of the invention on the basis of an exemplary embodiment, reference is now made to the 1 to 4, in which the manufacturing process of a diffused. npn silicon transistor
ίο mit Mesastruktur dargestellt ist.ίο is shown with a mesa structure.
In Fig. 1 wird von einer schwach p-dotierten (1 bis 100 Ohm · cm) Siliciumkristallscheibe 1 ausgegangen, welche beidseitig ganzflächig mit Phosphor belegt wird. Durch Oxydation der gesamten Anordnung bildet sich auf der Oberfläche der Siliciumkristallscheibe 1 eine Schicht 2, bestehend aus Phosphorglas und darunter mit Phosphor hochdotiertem Silicium, von etwa 3 μπι Schichtstärke aus.1 is based on a weakly p-doped (1 to 100 ohm cm) silicon crystal wafer 1, which is completely covered with phosphorus on both sides. Forms by oxidation of the entire assembly On the surface of the silicon crystal wafer 1, a layer 2 consisting of phosphor glass and including silicon highly doped with phosphorus, from about 3 μm layer thickness.
In Fig. 2 ist die Anordnung dargestellt, nachdem die Oberseite der Siliciumkristallscheibe 1 mit Ausnahme des später den Emitter bildenden Bereichs 4 von der Schicht 2 befreit ist. Dies geschieht, wie aus der Figur ersichtlich ist, in Form einer Mesaätzung mittels eines Flußsäure-Salpetersäure-Gemisches unter Verwendung einer aus Fotolack bestehenden MasKe 3.In Fig. 2, the arrangement is shown after the top of the silicon crystal wafer 1 with the exception of the region 4 which will later form the emitter is freed from the layer 2. This is done as out the figure can be seen, in the form of a mesa etching by means of a hydrofluoric acid-nitric acid mixture below Use of a mask made of photoresist 3.
Fig. 3 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 2, auf welcher zusätzlich eine mit etwa 5% Bor versenene Nickelschicht 5 in einer Schichtstärke von ungefähr 0,1 μΐη auf chemischem Wege abgeschieden worden ist. Dabei wird die teilweise (im Bereich 4) mit der Schicht 2 versehene Anordnung bei 65 bis 70° C mit einer ammoniakalischen Nickelsulfatlösung, welche Zusätze von Natriumborat, Natriumborhydrat und Diaminhydrogencitrat enthält, behandelt. Die auf der Siliciumoberfläche erzeugte Nickelschicht 5 zeichnet sich durch eine sehr gute Haftfestigkeit und Gleichmäßigkeit der Schichtdicke aus.FIG. 3 shows the same arrangement as FIG. 2, on which an additional one sintered with about 5% boron Nickel layer 5 has been deposited chemically in a layer thickness of approximately 0.1 μm is. The arrangement partially (in the area 4) provided with the layer 2 at 65 to 70 ° C with an ammoniacal nickel sulfate solution, which additions of sodium borate, sodium borohydrate and Contains diamine hydrogen citrate. The nickel layer 5 produced on the silicon surface draws is characterized by a very good adhesive strength and uniformity of the layer thickness.
Im Anschluß an die Abscheidung der mit der Bordotierung versehenen, selektiv aufgebrachten Nickelschicht 5 auf der Halbleiterkristalloberfläche wird die gesamte Anordnung einem Diffusionsprozeß bei 1000 bis 1200° C unterworfen, und es werden so im Halbleiterkristall die für die Funktion des Transistors erforderlichen Zonen hergestellt.Following the deposition of the selectively applied nickel layer provided with the boron doping 5 on the semiconductor crystal surface, the entire arrangement undergoes a diffusion process at 1000 Subject to up to 1200 ° C, and there are so in the semiconductor crystal the necessary for the function of the transistor Zones made.
Fig. 4 zeigt die Transistoranordnung nach dem Diffusionsprozeß vor dem Anbringen der Kontakte. Dabei bildet die Siliciumkristallscheibe 1 die p-dotierte Basiszone. Weiterhin sind vorgesehen eine eindiffundierte Emitter- bzw. Kollektorzone 6 bzw. 7 und eine aus der mit der Bordotierung versehenen Nickelschicht 5 als Diffusionsquelle erzeugte, höher dotierte p + -Zone 8, welche dann die sperrfreie Kon taktierung für die Basiszone erleichtert. Nach Aufbringen der Metallkontakte wird die Siliziumkristallscheibe 1, auf der eine Vielzahl von gleichen Anordnungen untergebracht ist, in die einzelnen Systeme zerlegt, welche dann der Montage zugeführt werden.4 shows the transistor arrangement after the diffusion process before the contacts are attached. The silicon crystal wafer 1 forms the p-doped base zone. Also provided are a diffused emitter or collector zone 6 and 7 and a more highly doped p + zone 8 generated from the nickel layer 5 provided with boron doping as a diffusion source, which then facilitates non-blocking con tacting for the base zone. After the metal contacts have been applied, the silicon crystal wafer 1, on which a large number of identical arrangements is accommodated, is dismantled into the individual systems, which are then fed to assembly.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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