DE19908400A1 - Verfahren zur Herstellung hochdotierter Halbleiterbauelemente - Google Patents
Verfahren zur Herstellung hochdotierter HalbleiterbauelementeInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen vorgeschlagen, bei dem in einem Wafer mindestens ein dotiertes Gebiet eingebracht wird, wobei zumindest auf einer der beiden Seiten eines Halbleiterwafers (1) eine mit Dotierstoff versehene feste Glasscheibe (2; 4; 2, 3; 4, 5) aufgebracht wird, in einem weiteren Schritt der Wafer auf hohe Temperaturen erhitzt wird, so daß der Dotierstoff aus der Glasschicht tief in den Wafer eindringt zur Erzeugung des mindestens einen dotierten Gebiets (10; 11), und in einem weiteren Schritt die Glasschicht entfernt wird. Das Verfahren dient zur Herstellung homogener hoch dotierter Gebiete, wobei diese Gebiete auch beidseitig im Wafer eingebracht werden können und von unterschiedlichem Dotiertyp sein können.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Es ist bekannt, bei der Herstellung von
Halbleiterbauelementen mithilfe von Ionenimplantation,
Gasphasenbelegung (zum Beispiel mit Diboran oder POCl3),
Foliendiffusion oder unter Verwendung flüssiger Lösungen
dotierte Gebiete in einem Halbleiterwafer zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß
dotierte Gebiete mit sehr guter Homogenität hergestellt
werden können. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß es
möglich ist, sowohl auf der Vorder- als auch auf der
Rückseite des Halbleiterwafers derartig homogene Gebiete
auch unterschiedlichen Dotiertyps in nur einem
Diffusionsschritt einzubringen. Ferner ist es möglich,
unterschiedlich hohe Dotierstoffkonzentrationen auf Vorder-
und Rückseite vorzusehen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen
Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, mittels eines chemischen
Dampfabscheideverfahrens, insbesondere eines chemischen
Dampfabscheideverfahrens bei Atmosphärendruck (APCVD,
"Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition"), eine
Belegung der Waferoberflächen mit Dotieratomen
durchzuführen. Damit wird es möglich, extrem hohe
Dotierstoffkonzentrationen zu erzielen, die bis an die
Löslichkeitsgrenze des Siliziumwafers heranreichen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Erhitzung des Wafers und
damit die Eintreibung der Dotieratome in das Innere des
Wafers zur Erzeugung dotierter Gebiete bei hohen
Temperaturen im Bereich von zirka 1200 bis 1280 Grad Celsius
durchzuführen, um ein tiefes Eindringen der Dotieratome in
den Wafer zu gewährleisten.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, die Erhitzung des
mit einer Glasschicht bedeckten Wafers in oxidierender
Atmosphäre durchzuführen. Dadurch wird in vorteilhafter
Weise das Eindiffundieren des Dotierstoffs in das Innere des
Wafers in akzeptablen Zeiträumen ermöglicht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die mit Dotierstoff versehene
Glasschicht vor dem Diffusionsprozeß mit einer
Neutralglasschicht abzudecken. Dadurch wird eine
gegenseitige Beeinflussung der Dotierung von Vorder- und
Rückseite beziehungsweise von verschiedenen, zur gleichen
Zeit im Diffusionsoffen aufgestellten Wafern in
zuverlässiger Weise unterbunden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Wafer mit aufgebrachter
Glasschicht, Fig. 2 einen Wafer nach einem Diffusionsprozeß
und Fig. 3 einen Wafer nach Entfernung der Glasschicht.
Fig. 1 zeigt in Seitenansicht einen drahtgesägten Rohwafer
1 mit großer Oberflächenrauhigkeit, auf dessen Vorderseite
eine p-dotierte Glasschicht 2 und auf dessen Rückseite eine
n-dotierte Glasschicht 4 aufgebracht ist. Die dotierten
Glasschichten 2 und 4 sind mit einer Neutralglasschicht 3
beziehungsweise 5 abgedeckt.
Die Glasschichten 2 und 4 dienen zur Belegung des Wafers mit
Dotierstoffen. Die Herstellung verläuft im einzelnen in
folgenden Schritten: Der Rohwafer 1 wird zunächst auf zirka
380 Grad Celsius erhitzt. Dies erfolgt, indem der Wafer der
Reihe nach mit weiteren Wafern auf einem Transportband in
eine mit Gasinjektoren versehene Heizkammer eingeführt wird.
Anschließend erfolgt die Glasschichtabscheidung in einem
APCVD-Verfahren (APCVD = "Atmospheric Pressure Chemical
Vapor Deposition"), also einem chemischen
Dampfabscheideverfahren unter atmosphärischem Druck. Dabei
wird zunächst beispielsweise die Vorderseite des Wafers
einem Silan-Gas ausgesetzt, indem die auf dem Transportband
zu passierenden Gasinjektoren die Oberfläche des Wafers mit
dem Gas beströmen. Dem Silan-Gas beigemischt ist im Falle
der Vorderseite B2H6. Das Silan zerfällt auf der 380 Grad
Celsius heißen Waferoberfläche und reagiert mit Sauerstoff
zu Siliziumdioxid. Aufgrund der B2H6-Beimischung ist
dieses Glas mit einem Dotierstoff vom p-Typ versetzt. Das
Wachstum der Glasschicht 2 wird bis zu einer Schichtdicke
von zirka 2 Mikrometern durchgeführt. Die Beimischung des
B2H6-Gases ist so gewählt worden, daß die Glasschicht einen
Boranteil von zirka 6 Gewichtsprozent aufweist. Anschließend
wird die Glasschicht dem gleichen Silangas ausgesetzt,
jedoch ohne Zusatz von B2H6. Dadurch wächst auf die
Glasschicht 2 die Neutralglasschicht 3 auf. Der Vorgang wird
beendet, wenn die Neutralglasschicht 3 eine Dicke von zirka
0,5 Mikrometern aufweist. In einem weiteren Schritt wird der
Wafer gewendet und auf der Rückseite entsprechend mit einer
n-dotierten Glasschicht 4 (Dicke 2 Mikrometer,
Phosphoranteil von zirka 6 Gewichtsprozent) belegt. Die n-
Dotierung wird erzielt, indem statt B2H6 PH3 dem Silangas
beigemischt wird. Anschließend wird analog zur Vorderseite
eine Neutralglasschicht 5 mit einer Dicke von 0,5
Mikrometern aufgebracht.
Alternativ zum beschriebenen Silangas-Verfahren kann das
sogenannte TEOS-Verfahren (TEOS = "Tetra-Ethyl-Ortho-
Silikat"), eingesetzt werden, das ebenfalls unter
Normaldruck ablaufen kann. Hierbei wird statt Silangas
Si(OC2H5)4-gas verwendet, wobei das sich auf der
Waferoberfläche abscheidende Tetraethylorthosilikat auf der
380 Grad Celsius heißen Oberfläche zerfällt und mit
Sauerstoff zu Siliziumdioxid reagiert. Die Dotierung erfolgt
in diesem Falle durch Gasbeimischung von Trimethylphosphat
beziehungsweise Trimethylborat.
Fig. 2 zeigt den Wafer nach einem Diffusionsprozeß, mit
einem stark p-dotierten Gebiet 10 und einem stark n-
dotierten Gebiet 11.
Der nach der Belegung mit dotierten Glasschichten erfolgende
Diffusionsprozeß findet in einem Diffusionsofen bei einer
Temperatur von 1200 bis 1280 Grad Celsius, vorzugsweise bei
einer Temperatur von zirka 1265 Grad Celsius statt. Mehrere
gleichzeitig zu prozessierende Wafer werden dabei aufrecht
stehend in einer Halteelemente aufweisenden Anordnung aus
Siliziumkarbid oder Polysilizium angeordnet. Diese Erhitzung
wird zirka 20 bis 30 Stunden, vorzugsweise 21 Stunden lang
beibehalten und insbesondere in oxidierender Atmosphäre
durchgeführt. Mit einer Diffusionszeit von 21 Stunden zum
Eintreiben der auf der Oberfläche in Form von Glasschichten
abgelegten Dotierstoffe in das Innere des Wafers werden
Phosphor- beziehungsweise Bordosen von zirka 1-2 × 10 hoch
17 Zentimeter hoch -2 in den Gebieten 10 und 11 erreicht.
Dies ist eine um eine Größenordnung höhere Dosis als bei
ansonsten typischen Halbleiteranwendungen.
In alternativen Ausführungsformen des Diffusionsschritts ist
es auch möglich, gleichzeitig zu prozessierende Wafer zu
stapeln, wobei eine unmittelbare gegenseitige Berührung der
Wafer durch zuvor erfolgtes Bestreuen mit Aluminiumoxid-
Pulver oder durch Dazwischenlegen von aus der
Foliendiffusion bekannten Neutralfolien verhindert wird.
In einem weiteren Schritt werden z. B. mittels 50prozentiger
Flußsäure die aufgebrachten Glasschichten 2, 3, 4 und 5
wieder entfernt und es resultiert der in Fig. 3
dargestellte beidseitig dotierte Wafer 1 mit einem stark p-
dotierten Gebiet 10 auf der Vorderseite und einem stark n-
dotiertem Gebiet 11 auf der Rückseite. Dieser Wafer kann nun
beispielsweise zur Herstellung von hochsperrenden p-n-Dioden
(Zweischichtdioden) verwendet werden, indem in weiteren
Schritten beiderseits Metallkontaktierungen aufgebracht
werden. Zur Herstellung der Metallkontaktierungen werden
beispielsweise simultan auf beiden Seiten des Wafers
Metallschichten aufgesputtert, zunächst eine 70 Nanometer
dicke Chromschicht, gefolgt von einer 160 Nanometer dicken
Nickel-Vanadium-Schicht und einer 100 Nanometer dicken
Silberschicht. Anschließend wird der Wafer entlang von
Zerteilungslinien in einzelne Diodenchips zerteilt, wobei
die Zerteilungslinien gegebenenfalls bereits vor dem
Aufbringen der Metallkontaktierungen in den Wafer durch
Sägen eingebracht worden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur für
Zweischichtdioden, sondern kann auch in entsprechend
abgewandelter Form zur Herstellung von Mehrschichtdioden,
insbesondere Thyristordioden (Vierschichtdioden) und
Dreischichtdioden (Transistordioden) herangezogen werden.
Insbesondere Leistungshalbleiter, zum Beispiel
Leistungsdioden, können durch die erzielbaren hohen
Dotierdosen in einfacher und zuverlässiger Weise hergestellt
werden. Auch Thyristoren und Bipolartransistoren können mit
dem Verfahren hergestellt werden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei
dem in einem Wafer mindestens ein dotiertes Gebiet
eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- - zumindest auf einer der beiden Seiten eines Halbleiterwafers (1) eine mit Dotierstoff versehene feste Glasschicht (2; 4; 2, 3; 4, 5) aufgebracht wird,
- - in einem weiteren Schritt der Wafer auf hohe Temperaturen erhitzt wird, so daß, der Dotierstoff aus der Glasschicht tief in den Wafer eindringt zur Erzeugung des mindestens einen dotierten Gebiets (10; 11),
- - und in einem weiteren Schritt die Glasschicht entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Glasschicht mittels eines chemischen
Dampfabscheideverfahrens aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das chemische Dampfabscheideverfahren bei atmosphärischem
Druck durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Wafers in
oxidierender Atmosphäre erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des Wafers bis auf
eine Temperatur von zirka 1200 bis zirka 1280 Grad Celsius,
insbesondere eine Temperatur von zirka 1265 Grad Celsius,
erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur zirka 20 bis 30 Stunden lang, vorzugsweise 21
Stunden lang, aufrechterhalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht sowohl auf der
Vorderseite als auch auf der Rückseite des Wafers
aufgebracht wird (2, 4), wobei der Dotierstoff auf der
Rückseite des Wafers wahlweise den gleichen oder den
entgegengesetzten Dotiertyp im Vergleich zum Dotiertyp des
Dotierstoffs auf der Vorderseite aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht einen
Dotierstoffanteil von größer 2 Gewichtsprozent, insbesondere
zirka 3 bis 6 Gewichtsprozent, aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Dotierstoffanteil der Glasschicht auf der Vorderseite
verschieden ist vom Dotierstoffanteil der Glasschicht auf
der Rückseite.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht eine Dicke von
zirka 2 Mikrometern aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Erhitzen des Wafers auf
die Glasschicht eine Neutralglasschicht (3; 5; 3, 5)
aufgebracht wird, wobei die Neutralglasschicht nach dem
Erhitzen des Wafers zusammen mit der Glasschicht entfernt
wird.
12. Verfahren nach Ansprüch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Neutralglasschicht eine Dicke von zirka 0,5 Mikrometern
aufweist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Glasschicht
unter Verwendung von Flußsäure erfolgt.
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