DE1906203A1 - Process for the realization of diffusion processes using a laser beam as a heat source, in particular for the production of semiconductor components and device for carrying out the process - Google Patents
Process for the realization of diffusion processes using a laser beam as a heat source, in particular for the production of semiconductor components and device for carrying out the processInfo
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Description
Böblingen, den 5.Februar 1969 si-nrBoeblingen, February 5, 1969 si-no
Anmelderin: International Business MachinesApplicant: International Business Machines
Corporation, ArmonkjN.y. 105O2I-Corporation, Armonkj N.y. 105O 2 I-
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung 'Official file number: New registration '
·.- I Aktenzeichen d. Anmelderin: Docket FI 9-67-II5 · .- I file number d. Applicant: Docket FI 9-67-II5
Verfahren zur Realisierung von Diffusionsvorgängen unter Anwendung eines Laserstrahles als Wärmequelle, insbesondere zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens S method for the realization of diffusion processes using a laser beam as a heat source, in particular for the preparation of semiconductor device, un d r Before ichtung for performing the method
Die in der Halbleitertejhnik zur Herstellung von Halbleiterbauelementstrukturen üblichen, auf der Benutzung von Legie- '" rungs- oder Diffusionsvorgängen beruhenden Verfahren können nicht als vollbefriedigend angesehen werden. Das gilt besonders dann, wenn Bauelemente mit einer komplizierten Struktur hergestellt werden sollen, die eine Vielzahl von eindiffundierten Zonen besitzt, wobei die Geometrie der jeweiligen Struktur mit hoher Toleranz für eine hohe Zahl von Einzelexemplaren eingehalten v/erden soll. Selektive Eindiffundierungen von Dotierungsmaterialien inThe one used in semiconductor technology for the manufacture of semiconductor component structures usual, on the use of alloy '" Processes based on or diffusion processes cannot be regarded as fully satisfactory. This is especially true when components with a complicated structure are to be manufactured, which include a large number of Has diffused zones, the geometry of the respective structure with high tolerance for a high number of Individual copies should be adhered to. Selective diffusion of doping materials in
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das Halbleitergrundraaterial Silizium werden normalerweise, dadurch realisiert, daß man zunächst auf dem Halbleiterkörper eine Siliziurioxyd- oder -dioxydschicht thermisch auf wachsen läßt-an denjenigen Stellen, an denen Diffusionsgebiete realisiert werden sollen, in die abdeckende Oxydschicht Durchbrüche einbringt und anschließend den auf die genannte Weise maskierten Halbleiterkörper bei erhöhten Temperaturen einem W Dampf aussetzt, der die gewünschten Dotierungsstoffe enthält. Die gebräuchlichsten Dotierungsstoffe sind Bor, Phosphor und Arsen, für die Siliziumoxyd ein brauchbares Maskierungsmaterial darstellt, so daß selektive Diffusionsvorgänge der vorgenannten Art keine besonderen Schwierigkeiten bereiten. The semiconductor base material silicon is normally realized by first allowing a silicon dioxide or silicon dioxide layer to grow thermally on the semiconductor body at those points where diffusion regions are to be realized, making openings in the covering oxide layer and then making the openings in the above-mentioned manner masked semiconductor body at elevated temperatures a W steam exposing containing the desired dopants. The most common dopants are boron, phosphorus and arsenic, for which silicon oxide is a useful masking material, so that selective diffusion processes of the aforementioned type do not cause any particular difficulties.
Das genannte Verfahren weist aber allgemein den Nachteil auf> daß das Halbleiterplättchen bei der Durchführung der jeweiligen Diffusionsvorgänge in seiner Gesamtheit erhöhten Temperatüren £ ausgesetzt werden muß. Während der verschiedenen Diffusionsschritte ergeben sich hierdurch teilweise unerwünschte Veränderungen der Dotierungskonzentrationen, sowie Verzerrungen der Diffusionsfronten. Fernerhin können steh Schwierigkeiten ergeben infolge von unerwünschten Sauerstoff- und Feuchtigkeitsanteilen sowie infolge ungleichförmiger Flußraten des Trägergases innerhalb des röhrenförmigen Diffusionsofens. Das genannte Verfahren erfordert außerdem eine Aufteilung der Gesamtproduktion in einzelne Chargen. Die mittels Diffusion mit einem Dotierungsstoff.zu versehenden Halbleiterplättchen befinden sich entweder in einem abgeschlossenen Reaktlons-However, the aforementioned method generally has the disadvantage> that the semiconductor wafer in the implementation of the respective Diffusion processes in their entirety increased temperatures £ must be exposed. During the various diffusion steps, this sometimes results in undesirable changes in the doping concentrations, as well as distortions the diffusion fronts. Furthermore, there can be difficulties result as a result of undesirable oxygen and moisture content and as a result of non-uniform flow rates of the Carrier gas within the tubular diffusion furnace. The above procedure also requires a division of the Total production in individual batches. The means of diffusion semiconductor wafers to be provided with a dopant are either in a closed reactor
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rohr, in dem auch die Quelle der einzudiffundierenden Materialien Platz findet, wobei diese Anordnung für eine relativ lange Zeitdauer auf'erhöhte Temperaturen aufgeheizt wird. Andererseits ist es auch gebräuchlich, einzudotierende Stoffe enthaltendes Gas über die in dem Reaktionsrohr angebrachten Plättchen hinwegströmen zu lassen. Die genannten Verfahrensweisen sind zeitraubend, umständlich und erfordern weitgehend manuelles Arbeiten. Versuche, das Verfahren kontinuierlich λ zu gestalten oder zum Zwecke der Kostensenkung zu automatisieren, waren bisher wenig erfolgreich. In Abänderung des bekannten Verfahrens wurde auch bereits bekannt, die Diffusionsvorgänge in den Halbleiterkörpern mittels eines Elektronenstrahles als Wärmequelle durchzuführen. Hierbei wird eine dünne Schicht des einzudiffundierenden Dotierungsmaterials auf die Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterkörpers aufgebracht, wonach mittels eines Elektronenstrahles eine lokale Erhitzung in den gewünschten Bereichen des Halbleiterkörpers erzeugt wird. Infolge der selektiven Erhitzung durch den Elektronenstrahl diffundieren die in der abdeckenden Schicht vorhandenen Dotierungsstoffe, selektiv in den Halbleiterkörper hinein. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch sehr mühevoll, da das gesamte Verfahren innerhalb eines evakuierten Gefäßes durchgeführt werden muß.Tube in which the source of the materials to be diffused is also located, this arrangement being heated to elevated temperatures for a relatively long period of time. On the other hand, it is also customary to allow gas containing substances to be doped to flow over the platelets fitted in the reaction tube. The procedures mentioned are time-consuming, cumbersome and largely require manual work. Attempts to make the process continuous λ or to automate it for the purpose of reducing costs have so far been unsuccessful. As a modification of the known method, it has also already been known to carry out the diffusion processes in the semiconductor bodies by means of an electron beam as a heat source. Here, a thin layer of the doping material to be diffused is applied to the surface of the semiconductor body to be doped, after which local heating is generated in the desired areas of the semiconductor body by means of an electron beam. As a result of the selective heating by the electron beam, the dopants present in the covering layer diffuse selectively into the semiconductor body. However, such a procedure is very troublesome, since the entire process must be carried out within an evacuated vessel.
Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, als Wärmequelle einen kontinuierlichen Laserstrahl zu benutzen, um eine lokale Aufheizung des Halbleiterkörper sum Zwecke der Durchführung vonFurthermore, it has already been proposed to use a continuous laser beam as a heat source in order to achieve local heating of the semiconductor body sum for the purpose of carrying out
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Diffusionsvorgängen zu bewirken. Obwohl ein solcher kontinuierlicher Laserstrahl eine wesentlich verbesserte Wärmequelle für Diffusionszwecke darstellt, zeigte sich, daß der Diffu- . sionsvorgang auch in der genannten Weise nicht genügend schnell in Gang gesetzt werden kann. Die selektiv erhitzten Stellen lassen sich nicht mit genügender Schärfe lokalisieren, so daß ein erheblicher Wärmeübergang in die Nachbarschaft der selek-· tiv zu erhitzenden Bereiche stattfindet.To cause diffusion processes. Although such a continuous laser beam is a much improved source of heat represents for diffusion purposes, it was found that the diffusion. sion process not fast enough even in the manner mentioned can be set in motion. The selectively heated areas cannot be localized with sufficient sharpness so that a significant heat transfer in the vicinity of the selec- tiv areas to be heated takes place.
Die bisher bekannten Diffusionsvorgänge lassen sich ihrer Wirkung nach entsprechend der klassischen Diffusionstheorie vorherbestimmen.The diffusion processes known up to now can be attributed to them Effect according to the classical diffusion theory predetermine.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein. Verfahren zur Eindiffusion von Dotierungsmaterialien in einem Grundkörper anzugeben, bei welchem der Diffusionsmechanismus nicht den Gesetzen der klassischen DiffUsionstheorie folgt und aufgrund dessen die dem zu dotierenden Grundleiterkörper zugeführte Wärme sich sehr schafft innerhalb der selektiv zu dotierenden Bereiche konzentrieren läßt, was die Herstellung komplexer HalbleiterbaueXemenfc$trukturen mit einer hohen Präzision der Übergänge und der Gesamtgeometrie ermöglicht.The present invention is based on the object. To specify a method for the diffusion of doping materials into a base body, in which the diffusion mechanism does not follow the laws of classical diffusion theory and due to which the heat supplied to the base conductor body to be doped is very much concentrated within the areas to be selectively doped, which allows the production of complex semiconductor structures with a high precision of the transitions and the overall geometry.
Das Verfahren soll sich zur Automatisierung eignen und die Benutzung von Diffusionsmasken nicht unbedingt erfordern., Außerdem soll die Notwendigkeit entfallen, den gesamten Halbleiterkörper auf höhere Temperaturen aufheizen zu müssen.The method should be suitable for automation and the Do not necessarily require the use of diffusion masks., In addition, there should be no need for the entire semiconductor body having to heat up to higher temperatures.
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Das genannte Verfahren bedient sich eines Laserstrahles zur selektiven Aufheizung vorherbestimmter Bereiche des mit eindiffundierten Gebieten zu versehenden Körpers und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung bzw. die selektive Aufheizung des Körpers intermittierend vorgenommen wird.The mentioned method uses a laser beam for selective heating of predetermined areas of the body to be provided with diffused areas and is thereby characterized in that the irradiation or the selective heating of the body is carried out intermittently.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt somit einen impulsförmigen Laserstrahl und löst eine Reihe von 'The method of the present invention is thus useful a pulsed laser beam and triggers a series of '
Schwierigkeiten der Halbleiterdiffusionstechnik. Durch die sehr eng begrenzte Lokalisierung der Wärmeentwicklung wird sichergestellt, daß Gebiete, welche durch vorhergehende Diffusionsvorgänge innerhalb des Halbleiterplättchens erzeugt wurden, durch später erfolgende Diffusionsschritte unbeeinflußt bleiben. Infolgedessen können z.B. Subkollektoren und andere durch Diffusion erstellte Bereiche sich während späterer Diffusionsschritte nicht weiter ausdehnen oder verzerrt werden, was bei den bisher bekannten Diffusionsverfahren | unvermeidlich ist.Difficulties in semiconductor diffusion technology. Due to the very narrow localization of the heat generation ensures that areas generated by previous diffusion processes within the semiconductor wafer remain unaffected by subsequent diffusion steps. As a result, e.g. sub-collectors and other areas created by diffusion do not expand or distort further during later diffusion steps what with the previously known diffusion processes | is inevitable.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in der Tatsache zu erblicken, daß für die eigentlichen Diffusionsprozesse extrem kurze Zeiten erforderlich sind, wobei keinerlei Vakuumapparatur benötigt wird., wie dies beispielsweise in einem oben erwähnten speziellen Verfahren der Fall ist, in dem als V/ärmequelle ein Elektronenstrahl benutzt wird. Infolge der genannten Eigenschaften eignet sich das Verfahren nach der Erfindung für eine Automatisierung und für eine kontinuierlicheAnother advantage of the invention is in the fact too see that extremely short times are required for the actual diffusion processes, with no vacuum apparatus whatsoever is required. As is the case, for example, in a special method mentioned above, in which as V / arm source an electron beam is used. As a result of the properties mentioned, the method is suitable according to the Invention for automation and for continuous
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bisher bekannten Diffus ionsverfahren lediglich mehr oder weniger starke Chargen dem gleichen Prozeßablauf unterworden werden konnten. Obwohl das Verfahren grundsätzlich ohne zusätzliche Maskierungsschritte -- auskommt, können zusätzlich auch Abdeckungen durch maskierende Schichten dazu benutzt werden.,, bestimmte Bereiche des- .-zu dotierenden Halbleiterplättchens bezüglich der vom Laser · £ gelieferten Strahlungsenergie abzuschirmen.previously known diffusion processes only more or less strong batches could be subjected to the same process sequence. Although the process basically works without additional masking steps, In addition, coverings by masking layers can also be used for this purpose. ,, certain areas of-.-to doping semiconductor wafer with respect to the laser Shield £ supplied radiant energy.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich ,aus der anschließenden; Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.Details of the invention emerge from the following; Description in conjunction with the drawings.
In diesen bedeuten:In these mean:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugtenFigure 1 is a schematic representation of a preferred
Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung; Embodiment of an apparatus for performing the method according to the present invention;
Figur 2 eine perspektivische Teilansicht einer nach demFigure 2 is a partial perspective view of one after
Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten integrierten Schaltung ohne metallische Verbindungsleitungen und Methods of the present invention integrated circuit without metallic connecting lines and
Figur 3 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der Figur 2, bei der auch die metallischen Verbindungsleitungen dargestellt sind.Figure 3 is a cross-sectional view corresponding to Figure 2, in which the metallic connecting lines are also shown.
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Figur 1 zeigt schematisch eine Apparatur zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Ein von dem gepulsten Laser 18 erzeugter Lichtstrahl 19 wird auf die Oberfläche eines Halbleitersubstrats 10 gerichtet, auf dem eine dünne Schicht 11 aus einem die gewünschten Dotierungsstoffe enthaltenden Material aufgebracht ist. Das Substrat 10 aus Halbleitermaterial befindet sich auf einem Support 12. Dieser gestattet in präziser Weise eine definierte Lage- | veränderung des Substrats mit Hilfe der Spindeln 14, 15 und vorzunehmen, wobei die beiden letztgenannten Spindeln eine . Lageveränderung innerhalb der XY-Ebene gestatten. Ein von dem Pestkörperlaser 18 erzeugter impulsförmiger Lichtstrahl 19 fällt nach Durchgang durch ein Linsensystem auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens 10. Wie aus der Figur 1 zu ersehen ist, gelangt ein Teil des Strahles durch den Strahlenteiler 20 sowie durch die Objektivlinse 21 auf das Halbleitersubstrat. Eine zweite Komponente des Strahles 19 gelangt nach Reflexion am Strahlenteiler 20 und nach Durchgang durch einen zweiten Strahlenteiler 24 sowie nach Fokussierung durch die Linse 25 auf einen Komparator 26« Dieser dient zur:Jn£eös£- tätsanseige der Strahlungsimpulse und/odör als Monitor für den Diffusionsprozeß, was im einzelnen später noch dargelegt wird. Die Lichtquelle 28 kann so angeordnet werden, daß ihr Lichtstrahl durch die Linse 20 fokussiert sowie an dem Strahlenteiler 24 und 25 reflektiert wird und auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens 10 gelangt. Dieser aus der Quelle stammende Lichtstrahl dient als Indikator für die PositionFIG. 1 shows schematically an apparatus for carrying out the method according to the present invention. A light beam 19 generated by the pulsed laser 18 is directed onto the surface of a semiconductor substrate 10, on which a thin layer 11 of a material containing the desired dopants is applied. The substrate 10 made of semiconductor material is located on a support 12. This allows a defined position in a precise manner change of the substrate with the help of the spindles 14, 15 and make, the latter two spindles one. Allow change of position within the XY plane. A pulse-shaped light beam 19 generated by the plague laser 18 falls on the surface of the semiconductor wafer 10 after passing through a lens system. As can be seen from FIG. 1, part of the beam passes through the beam splitter 20 and through the objective lens 21 onto the semiconductor substrate. A second component of the beam 19 arrives after reflection at the beam splitter 20 and after passing through a second beam splitter 24 as well as after focusing through the lens 25 on a comparator 26 'This serves to : readiness of the radiation impulses and / or as a monitor for the diffusion process, which will be explained in detail later . The light source 28 can be arranged in such a way that its light beam is focused by the lens 20 and reflected at the beam splitter 24 and 25 and reaches the surface of the semiconductor wafer 10. This light beam from the source serves as an indicator of the position
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des Lasers relativ zum Halbleiterplättchen.of the laser relative to the semiconductor wafer.
Der in der Figur 1 dargestellte Apparat kann in konventioneller We^se automatisiert werden durch Kombination mit einem Datenverarbeitungsgerät, welches zur Erstellung eines gewünschten Diffusionsmusters programmiert ist.The apparatus shown in FIG. 1 can be automated in a conventional manner by combining it with a Data processing device which is programmed to create a desired diffusion pattern.
Zu diesem Zwecke können geeignete Systeme zum Antrieb der in Χ,Υ,Ζ-Richtung wirkenden Spindeln 15, 16 und 17 vorgesehen werden, wobei von der programmierten Datenverarbeitungsmaschine geeignete Signale zur Steuerung dieser Systeme geliefert werden. Die Datenverarbeitungsmaschine, die gleichzeitig die Laserquelle im geeigneten Augenblick zündet und anschließend die Bewegung des Halblexterplättchens in eine neue Lage veranlaßt, ist in der Zeichnung nicht dargestellt,Suitable systems for driving the in Χ, Υ, Ζ-direction acting spindles 15, 16 and 17 are provided signals from the programmed data processing machine for controlling these systems to be delivered. The data processing machine that simultaneously ignites the laser source at the appropriate moment and then the movement of the Halblexterplate in a caused a new situation, is not shown in the drawing,
Im Betrieb wird ein einzelner von der Laserquelle Io nach unten auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens 10 gerichteter Strahlimpuls die in der Abdeckung 11 des Halbleiterplättchens 10 enthaltenen Dotierungsstoffe veranlassen, in den Halbleiterkörper 10 einzudiffundieren. Da diese Diffusion fast augenblicklich erfolgt, und die Wärmeentwicklung auf einen sehr begrenzten Bereich lokalisiert ist, ergibt sich keine merkliche Erhitzung des Halbleitergesamtkörpers 10 während des Diffusionsvorganges, was im völligen Gegensatz zu anderen, bisher gebräuuhlichen Diffusionsverfahren steht.In operation, a single from the laser source is Io after Beam pulse directed down onto the surface of the semiconductor wafer 10 in the cover 11 of the semiconductor wafer 10 cause dopants contained to diffuse into the semiconductor body 10. Because this diffusion occurs almost instantaneously, and the heat generation is localized to a very limited area, results no noticeable heating of the total semiconductor body 10 during the diffusion process, which is in complete contrast to other, so far common diffusion processes.
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AIs Abdeckschicht 11 kann jedes geeignete Material, welches den gewünschten Dotierungsstoff enthält, benutzt werden.Any suitable material, which contains the desired dopant can be used.
Dieser kann entweder vom P- oder vom N-Leitfähigkeitstyp sein.This can be either of the P or N conductivity type.
Als Abdeckschichten für Silicium werden bekanntlich bevorzugt pyrolitisch gewachsene SiOp-Schichten benutzt, die ihrerseits mit Phosphor, Bor, Arsen oder irgendeinem anderen P- oder N-Leitfähigkeitstyp verleihenden Element dotiert sind.As is known, SiOp layers which have grown in pyrolysis are preferably used as cover layers for silicon, which in turn are used are doped with phosphorus, boron, arsenic or any other element imparting P or N conductivity type.
Andererseits können auch bei verhältnismäßig niederen Tempe- I raturen (6OO° C- 70O0C) aufgebrachte Schichten aus PgO^-Glas oder aus Borglas als Dotierungsstoff enthaltende Abdeckschicht auf der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers benutzt werden.On the other hand, applied layers of PGO ^ glass or boron glass is used as a dopant-containing covering layer on the surface of the semiconductor base body also at relatively low temperatures temperature-I (0 C 6OO ° C 70o).
Eine derartige als Dotierungsstoffquelle wirkende Schicht kann beispielsweise durch Einbringen des Halbleiterplättchens in einen Dampf aus einer Verbindung des Dotierungsmittels benutzt werden, der in geeigneter Weise zerfällt, beispielsweise in einen Dampf aus Bortrichlorid (BCl,) oder aus Arsentrichlorid.Such a layer acting as a dopant source can be made, for example, by introducing the semiconductor wafer into a vapor from a compound of the dopant can be used, which decomposes in a suitable manner, for example in a vapor from boron trichloride (BCl,) or from arsenic trichloride.
Die Schicht 11 kann als zusammenhängende Abdeckung oder auch ä als Schicht mit einer bestimmten Geometrie aufgebracht werden, wobei konventionelle photolithographische Verfahren angewendet werden können. Die Zusammensetzung und die Dicke der Schicht können als Parameter benutzt werden, um mögliche Beschädigungen der Halbleiteroberfläche herabzusetzen oder auszuschließen.The layer 11 may cover or as contiguous be ä applied as a layer with a specific geometry using conventional photolithographic techniques can be applied. The composition and the thickness of the layer can be used as parameters in order to reduce or exclude possible damage to the semiconductor surface.
Eine in geeigneter Weise im Impulsbetrieb betriebener Laserstrahlquelle wird zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung benutzt. Festkörperlaser werden bevorzugt ausgeführt als Rubinlaser, als Neodymlaser u.dergl.A laser beam source operated in a suitable manner in pulse mode is used to carry out the method of the present invention. Solid state lasers are preferred executed as ruby laser, neodymium laser and the like.
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Die Intensität des auf die Oberfläche des HalbleiterplättchensThe intensity of the on the surface of the semiconductor die
■■:'■' Il-- : gerichteten Laserstrahlimpulses kann zwischen 2 bis 2 χ 10 Joule/mm variiert werden. Die Intensität an einem gegebenen Punkt des Substrates kann durch Defokussierung der Strahlkomponente gesteuert werden, wobei diese über eine größere Fläche ausgedehnt wird. Ferner können hierzu verschiedene Typen von Strahlteilern benutzt werden, welche einen veränderbaren Anteil des GesamtStrahles durch Reflexion unwirksam machen. Die Impulsdauer des Strahles kann zwischen 0,001 und 100 msec verändert werden. Die Energiedichte und die Impulsdauer kann verändert werden, um das Verfahren den verschiedensten Erfordernissen anzupassen. Die Diffusionstiefe kann sowohl mittels Änderung der Energiedichte und der Impulsbreite als auch mit Hilfe des jeweils.-für die Abdeckung gewählten Materials auf der Oberfläche des zu dotierenden Halbleiterkörpers gesteuert werden". Die Dotierungskonzentration in dem erzeugten diffundierten Gebiet kann ebenfalls ■■: '■' Il--: directed laser beam pulse can be varied between 2 to 2 χ 10 joules / mm. The intensity at a given point on the substrate can be controlled by defocusing the beam component, extending it over a larger area. Furthermore, different types of beam splitters can be used for this purpose, which render a variable portion of the total beam ineffective through reflection. The pulse duration of the beam can be changed between 0.001 and 100 msec. The energy density and the pulse duration can be changed in order to adapt the method to the most diverse requirements. The diffusion depth can be controlled both by changing the energy density and the pulse width and with the aid of the material selected for the cover on the surface of the semiconductor body to be doped. "The doping concentration in the diffused region produced can also be controlled
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gesteuert werden durch die Wahl des Abdeckungsmaterials, den Anteil des Dotie.rungsstoffes innerhalb der Abdeckung, die Impulsintensität sowie durch die Impulsdauer. In Praxi wird die Dicke der Abdeckungsschicht innerhalb eines Bereiches von 250 S bis 4^variieren.can be controlled by the choice of cover material Proportion of dopant within the cover that Pulse intensity as well as the pulse duration. In practice, the thickness of the cover layer is within a Range from 250 S to 4 ^.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann für die Her- . Stellung verschiedener Typen von Halbleiterbauelementen b*e- . nutzt werden, sowohl für diskrete Transistoren und Dioden als auch für integrierte'Schaltungsyorrichtungen mit einerThe method of the present invention can be used for the manufacture. Position of different types of semiconductor components b * e-. can be used for both discrete transistors and diodes as well as for integrated circuit devices with a
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Vielzahl von unterschiedlichen aktiven und passiven Elementen, die untereinander isoliert sind, jedoch einem gemeinsamen monokristallinen Halbleiterkörper angehören. Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgedankens sei im folgenden die Herstellung eines speziellen Halbleiterbauelementes beschrieben, welches Isolationsübergänge, Subkollektoren und verschiedene weitere eindiffundierte Zonen besitzt und insgesamt eine verhältnismäßig komplexe integrierte Schaltung darstellt, I wie sie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist.Variety of different active and passive elements, which are isolated from one another, but one common belong to monocrystalline semiconductor bodies. To further explain the inventive concept, the following is the Manufacture of a special semiconductor component described, which insulation junctions, sub-collectors and various has further diffused zones and, overall, represents a relatively complex integrated circuit, I. as shown in FIGS. 2 and 3.
Die Figur 3 zeigt den Querschnitt einer typischen Struktur, wie sie als eine Folge von diffundierten Gebieten unter Anwendung des vorliegenden Erfindungsgedankens hergestellt werden kann. Das Halbleiterbauelement 50 besitzt ein Substrat 52* auf welchem ein NPN-Transistor 54 angeordnet ist,und zwar isoliert von dem Subtrat 52 sowie von weiteren Transistoren und passiven Elementen, wobei die Zonen 56 Isolationsdiffusionen darstellen. d Der Transistor 54 besitzt die Kolle]:torzone 58, die Basiszone 60 sowie die Emitterzone 62. Der Transistor 54 .ist von dem Substrat durch einen PN-Übergang sowohl an der unteren als auch an den seitlichen Begrenzungsflächen isoliert.FIG. 3 shows the cross section of a typical structure as it can be produced as a sequence of diffused regions using the present inventive concept. The semiconductor component 50 has a substrate 52 * on which an NPN transistor 54 is arranged, specifically insulated from the substrate 52 and from further transistors and passive elements, the zones 56 representing insulation diffusions. d Transistor 54 has the Kolle]: goal area 58, the base region 60 and emitter region 62. Transistor 54 .is from the substrate by a PN junction on both the bottom and on the lateral boundary surfaces insulated.
Bei der Herstellung der Konfiguration 50 wird als Ausgangsverfahrensschritt ein Halbleiterplättchen vom P-Leitungstyp benutzt, welches vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von 10 bis 2Ό-Χ2.Χ cm besitzt. Das Plättchen, besteht vorzugsweise aus nonokristallinem Silicium, welches in herkömmliche^In the production of the configuration 50 is used as the initial process step uses a semiconductor die of the P conductivity type, which preferably has a resistivity from 10 to 2Ό-Χ2.Χ cm. The platelet is preferably made from nonocrystalline silicon, which in conventional ^
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Weise durch Ziehen aus der Schmelze gewonnen werden kann, welche eine gewünschte Dotierungskohzeritrationaufweist. Der durch ein derartiges Ziehverfahren gewonnene Halbleiterkörper wird anschließend mechanisch in eine Vielzahl von .Plättchen zerteilt. Nach dem Schneiden werden die Plättchen geläppt und chemisch poliert. Dann wird auf der Oberfläche des Plättchens 52 eine Abdeckschicht aufgebracht, welche einCan be obtained by drawing from the melt, which has a desired doping co-nitration. Of the Semiconductor bodies obtained by such a drawing process are then mechanically converted into a multitude of .Tile cut up. After cutting the platelets lapped and chemically polished. Then on the surface of the plate 52 applied a cover layer, which a
W Dotierungsmaterial vom N-]Le itfähigke its typ besitzt. Das Plättchen wird nunmehr, wie in Figur 1 dargestellt, auf dem Support 12 befestigt. Nun wird der Laserstrahl eingeschaltet, um den Dotierungsstoff in das Halbleiterplättchen einzudiffundieren, wodurch die mit 53 bezeichnete Zone entsteht, welche den Subkollektor des Transistors 54 darstellt. Das Plättchen 52 kann in definierter Weise mit hoher Qeschwindigkeit relativ zum. Laserstrahl bewegt werden, wodurch sich die Möglichkeit der Herstellung verschiedener untereinander getrennter Diffusions- W has doping material of the N conductivity type. The plate is now, as shown in FIG. 1, attached to the support 12. The laser beam is now switched on in order to diffuse the dopant into the semiconductor wafer, as a result of which the zone labeled 53, which represents the subcollector of the transistor 54, is created. The plate 52 can be in a defined manner at high speed relative to the. Laser beam are moved, whereby the possibility of producing different mutually separate diffusion
£ gebiete ergibt. Andererseits kann das zu dotierende Halbleiterplättchen auch mittels einer Maske abgeschirmt werden, wobei der impulsbetriebene Laserstrahl, welcher auf das Plättchen gerichtet ist, lediglich dann wirksam werden kann, wenn er auf exponierte Stellen des zu dotierenden Halbleiterplättchens auftrifft. Die Dotierungsstoffe vom N-Leitungstyp enthaltende Abdeckschicht wird dann entfernt. Anschließend wird eine epitaktische Schicht vom N-Leitfähigkeitstyp auf die Oberfläche des Plattchens aufgewachsen, v/as unter Benutzung eines konventionellen Verfahrens realisiert werden kann. Diese Schicht £ areas results. On the other hand, the semiconductor wafer to be doped can also be shielded by means of a mask, whereby the pulsed laser beam which hits the wafer is directed, can only be effective when it is on exposed areas of the semiconductor wafer to be doped hits. Containing dopants of the N conductivity type Cover layer is then removed. Then an epitaxial N conductivity type layer on the surface of the platelet, v / as can be realized using a conventional method. This layer
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bildet innerhalb der fertiggestellten Gesamtkonfiguration das Gebiet, In dem sich der Transistor 54. befindet. Dieser wird mittels eines anschließenden Diffusionsschrittes hergestellt. Eine Dotierungsstoff vom P-Leitfähigkeitstyp enthaltende Schicht wird anschließend auf die Oberfläche der epitaktisch aufgewachsenen Schicht aufgebracht und das so erhaltene Gebilde wird auf dem Support 12 befestigt. Nunmehr werden Diffusionsschritte zur Erzeugung der Isolations- ■ % zonen 56 durchgeführt, was wiederum entweder durch Benutzung einer geeigneten Maskierungsvorrichtung auf der Oberfläche des Plättchens oder durch eine geeignet gesteuerte Relativbewegung zwischen. Laserstrahl und Support· bzw. Halbleiterplättehen bewerkstelligt werden kann. Ein auf die genannte Weise hergestelltes gitterförmiges Muster ist im Detail in Figur gezeigt. Es muß dafür gesorgt werden, daß die Isolierdiffusion sich nach unten hin bis an die Oberfläche des Substrats 52 erstreckt, damit die in Gitterform angeordneten Bereiche ä forms the area in which the transistor 54 is located within the completed overall configuration. This is produced by means of a subsequent diffusion step. A layer containing dopant of the P conductivity type is then applied to the surface of the epitaxially grown layer and the structure thus obtained is attached to the support 12. Now diffusion steps for forming the insulating zones 56% ■ carried out, which in turn either by use of a suitable masking device on the surface of the wafer, or by a suitably controlled relative movement between. Laser beam and support · or semiconductor wafers can be accomplished. A lattice-shaped pattern produced in this manner is shown in detail in FIG. It must be ensured that the Isolierdiffusion down extending down to the surface of the substrate 52, thus arranged in a lattice form areas like
völlig gegeneinander durch mindestens einen PN-Übergang isoliert sind. Anschließend werden die Basiszonen 60 erzeugt, indem der Laserstrahl in einer zur Erzeugung der Diffusionsgebiete geeigneten V/eise gesteuert wird. Hierbei entstammen die eindotierten Stoffe der gleichen Abdeckschicht, Es sei darauf hingewiesen, daß die Basiszone oO sich nicht so tief erstreckt, wie das für die Isolierzone 56 der Fall ist. V/ie erwähnt, wird die jeweils erforderliche Tiefe durch Variation der Energiedichte des Laserstrahls eingestellt. Dies kann in bekannter Weise durch Änderung der Ausgangs-are completely isolated from each other by at least one PN junction. Then the base zones 60 are generated, by the laser beam in a to generate the diffusion areas is controlled in a suitable manner. Here, the doped substances come from the same cover layer, It is pointed out that the base zone oO is not that deep extends, as is the case for the isolation zone 56. As mentioned above, the required depth is given by Variation of the energy density of the laser beam adjusted. This can be done in a known way by changing the output
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energie der Laserquelle oder durch Ändern der Impulsdauer oder auch durch Defokussierung des Laserstrahls bewirkt werden. Die Abdeckung wird dann entfernt und durch eine andere N*-Leitfähigkeit verleihenden Dotierungsstoff enthaltende Materialschicht ersetzt. Nunmehr werden die Emitterdiffusionen 62 sowie die Diffusion zur Erzeugung der Zonen hoher Leitfähigkeit 64 für die Ko llekt or zuführung 65 durchgeführt. Die Abdeckung wird dann wiederumentfernt und durch energy of the laser source or by changing the pulse duration or caused by defocusing the laser beam will. The cover is then removed and replaced by a other N * conductivity-imparting dopant-containing material layer replaced. The emitter diffusions 62 and the diffusion are now used to generate the zones high conductivity 64 for the collector 65 carried out. The cover is then removed again and through
™ eine aufzubringende isolierende Abdeckung ersetzt, welche vorzugsweise aus Silieiumdioxyd besteht. In diese Siliciumdioxydschicht 66 werden dann Löcher eingeätzt, und zwar oberhalb der Kollektor-, Basis- und Emitterzonen 58, 60 und 62. Anschließend- wird eine metallische Schicht auf die Abdeckung 66 aufgebracht, um eine metallische Verbindung mit den Zonen 58, 60, 62 herzustellen. Hierfür werden in der Technik bekannte Metall-Aufdampf- und Ätzverfahren angewendet. Die verschiedenen gewünschten Schaltverbindungen zwischen aktiven™ replaces an insulating cover to be applied which preferably consists of silicon dioxide. In this layer of silicon dioxide 66 holes are then etched in above the collector, base and emitter zones 58, 60 and 62. Subsequently- a metallic layer is applied to the cover 66 applied to a metallic connection with the zones 58, 60, 62. Metal vapor deposition and etching processes known in the art are used for this purpose. the various desired switching connections between active
φ und passiven Elementen der integrierten Schaltung können je nach den Erfordernissen der vorliegenden Gesamtschaltung erstellt werden.φ and passive elements of the integrated circuit can depending according to the requirements of the present overall circuit to be created.
Das folgende Beispiel soll die Benutzung der in Figur 1 dargestellten Apparatur, zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung"erläutern, wobei insbesondere auf, die Unterschiede zwischen den Diffus' ionsme chanisme η ent sprechend den bekannten Diffusionsverfahren und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hingewiesen wird.The following example is intended to use the apparatus shown in FIG. 1 to carry out the method according to the present invention ", with particular reference to the Differences between the Diffus' ionsme chanisme η accordingly the known diffusion method and the method according to the present invention is pointed out.
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Pi 9-67-115 ·; ν":Pi 9-67-115 · ; ν ":
Avf ein poliertes fehlerfreies einkristallines Siliciumplättchen aus P-leitendem Material mit einer in einer (111) Ebene orientierten Oberfläche wurde eine Abdeckschicht aus PgOc aufgebracht. Dieses geschah durch Aufmalen einer Lösung von P2Oc in Azeton, wobei die erzielte Abdeckung eine Dicke von etwa 2000 8 aufwies. Die Abdeckschicht wurde getrocknet und anschließend in den Strahlengang einer Laserstrahldiffusionsapparatür nach Figur 1 gebracht. Der Strahl wurde auf die Oberfläche des Halbleiterplättchens fokussiert und dieses einem Einzelimpuls von der Zeitdauer einer msec und einer Energiedichte von 2.10 Joule/mm ausgesetzt. Zur Messung dieses Wertes wurde ein Thermoelement als. Fühler benutzt. Die von dem Lichtstrahl selektiv getroffene Oberfläche besaß einen Durchmesser von etwa 4 . 10 mm. Die verbleibende Abdeckschicht aus P2Oc wurde durch Spülen in einer Fluorwasserstoff lösung entfernt. Die Existenz eines PN-Überganges wurde mittels einer punktförmigen Sonde nachgewiesen. Außerdem wurde der eindiffundierte Übergang mit einem Kurvenschreiber durchgemessen, wobei deutlich die Charakteristik eines Zenerdurchbruches aufgezeichnet wurde, was ebenfalls als ein schlüssiger Beweis für die Existenz einer Diode angesehen werden kann. Das in dem Halbleiterplättchen eindiffundierte Gebiet wurde fernerhin mittels eines konventionellen Abschräge- und Färbverfahrens nachgewiesen, wobei die Tiefe der Diffusionsgebiete ausgemessen und aufgezeichnet .vrufede.A cover layer of PgOc was applied to a polished, defect-free, single-crystalline silicon wafer made of P-conductive material with a surface oriented in a (111) plane. This was done by painting on a solution of P 2 Oc in acetone, the resulting cover being about 2000 8 thick. The cover layer was dried and then placed in the beam path of a laser beam diffusion apparatus according to FIG. The beam was focused on the surface of the semiconductor wafer and exposed to a single pulse with a duration of one msec and an energy density of 2.10 joules / mm. To measure this value, a thermocouple was used as a. Sensor used. The surface selectively struck by the light beam was about 4 in diameter. 10 mm. The remaining cover layer of P 2 Oc was removed by rinsing in a hydrogen fluoride solution. The existence of a PN junction was verified by means of a point-shaped probe. In addition, the diffused transition was measured with a curve recorder, whereby the characteristics of a Zener breakdown were clearly recorded, which can also be regarded as conclusive evidence of the existence of a diode. The area diffused into the semiconductor wafer was also detected by means of a conventional beveling and coloring process, the depth of the diffusion areas being measured and recorded .vrufede.
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Unter Benutzung der Beziehung j—§— exp -(X.2 / 4Dt) = NK zwischen der Übergangstiefe X. und der Diffusionskons teilten D und der Zeit t unter der Annahme der Randbedingung, daß die · Diffusion in einer unendlichen Halbeberie des Halbleiters unter Zugrundelegung einer begrenzten Quelle stattfindet, erhält man für die Diffusionskonstante, welche einen Wert für das Diffusionsvermögen darstellt, einen Wert von etwa 10 y cm /see.Using the relationship j — §— exp - (X. 2 / 4Dt) = N K between the transition depth X. and the diffusion cons, D and the time t divided under the assumption of the boundary condition that the diffusion is in an infinite half-range of the semiconductor takes place on the basis of a limited source, the diffusion constant, which represents a value for the diffusivity, is a value of about 10 y cm / sec.
In dem obigen Ausdruck bedeutet Q den Gesamtanteil des Diffusionsstoffes und N. bedeutet die allgemeine Dotierungskonzentration (background concentration). ' In the above expression, Q means the total proportion of the diffusion substance and N. means the general doping concentration (background concentration). '
Für Vergleichszwecke wurde für die Diffusionskonstante vonFor comparison purposes, the diffusion constant of
. ■ ι. ■ ι
Phosphor bei 1000° C in einem Standard-DiffusionsprozeiB einPhosphorus at 1000 ° C in a standard diffusion process
Wert bestimmt, der in der Größenordnung von 10~ ^ cm /see liegt. ·Determined value of the order of 10 ~ ^ cm / see lies. ·
Ein Vergleich dieser Werte für die Diffusionskonstanten zeigt, daß die Diffusionskonstante, welche bei Benutzung eines impulbetriebenen Lasers gilt, drei bis vier Größenordnungen größer ist, als das bei der Benutzung einer konventionellen Wärmequelle der Fall ist. Eine gewisse Unbestimmtheit bei diesen Messungen kommt dadurch zustande, daß die Temperatur, des Halbleiterplättchens an der Stelle der durch den Laserstrahl bewirkten Diffusion einer Messung nicht zugänglich ist. Jedoch zeigt der große Unterschied der oben angegebenen berechneten DIf f us ionskonstanten, daß der Diffusionsmechanismus, A comparison of these values for the diffusion constants shows that the diffusion constant, which when using a Pulse-driven lasers are considered to be three to four orders of magnitude is larger than when using a conventional one Heat source is the case. A certain vagueness in These measurements come about because the temperature, of the semiconductor wafer at the point of the laser beam caused diffusion of a measurement is not accessible. However, the large difference in the calculated diffusion constants given above shows that the diffusion mechanism,
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der den klassischen Diffusionsverfahren zugrundeliegt, sich merklich von demjenigen unterscheiden muß, der von einem impulsförmigen Laserstrahl ausgelöst wird. Hierbei ist zu bemerken, daß offenbar auch in der Anwendung eines kontinuierlichen Laserstrahles im wesentlichen nur eine nicht sehr stark ins Gewicht fallende Modifikation der bisher üblichen Wärmequellen erblickt werden kann. Der außerordentlich große Unter- which is the basis of the classic diffusion process, itself must be markedly different from the one who has to differ from one pulsed laser beam is triggered. Here is to note that, apparently, even in the application of a continuous laser beam, essentially only one is not very strong significant modification of the previously common heat sources can be seen. The extraordinarily large
• ■ ι• ■ ι
schied für die Diffusionskonstanten für die oben beschriebenen ^ verschiedenen Diffusionsprozesse stellt ein völlig unerwartetes Ergebnis dar.differed for the diffusion constants for the ^ described above different diffusion processes represents a completely unexpected result.
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