DE2331516A1 - Verfahren zur herstellung von tiefdiffundierten halbleitenden bauteilen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von tiefdiffundierten halbleitenden bauteilen

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DE2331516A1
DE2331516A1 DE19732331516 DE2331516A DE2331516A1 DE 2331516 A1 DE2331516 A1 DE 2331516A1 DE 19732331516 DE19732331516 DE 19732331516 DE 2331516 A DE2331516 A DE 2331516A DE 2331516 A1 DE2331516 A1 DE 2331516A1
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doping
film
impurities
diffusion
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DE19732331516
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Paul Michael Garavaglia
Henry William Gutsche
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Monsanto Co
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Monsanto Co
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    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B31/00Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/02Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion materials in the solid state
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Description

  • verfahren zur Herstellung von tiefdiffundierten halbleitenden Bauteilen Die Erfindung betrifft allgemein die Diffusion von Verunreinigungen in Halbleiterkörpern um deren Leitfähigkeit zu verändern, und insbesondere ein verbessertes Peststoff-Feststoff-Diffusionsverfahren, bei dem die in den Halbleiterkdrper zu diffundierenden Verunreinigungen aus einer Festßtoffdirfusionsquelle stammen.
  • Dampf-Diffusionsverfar,ren zur gezielten, selektiven Einbringung von Verunreinigungen inhalbleitende Substrate kennt man in der fjalbleitertechnologie seit einigen Jahren. Bei diesen Verfahren bringt man anfänglich eine die Verunreinigungen enthaltende Verbindung in ihrer Dampfphase zur Berührung mit einem ausgewählten Oberflächenbereich des Halbleiters. Dies erfolgt in einem ersten, "Vorabscheidungs"-Difusionsschritt bei niedriger Ten,penatur. Bei einem zweiten Difusionsschritt, dem "Lindringen", wird der fialbleiter erhitzt und auf eine erhöhte Temperatur gebracht. bei diesem Schritt dringen dann die Oberflächenverunreinigungen in den Halbleiter ein. Ihre Eindringtiefe hängt von der Diffusionszeit und der eingestellten Temperatur ab.
  • Eine Diffusion aus der Dampfphase dieser Art weist folgenden Nachteil auf. Für den ersten Diffusionsschritt, die Vorabscheidung ist eine erste Gruppe von Verfahrensbedingungen notwendig. Für den zweiten Verfahrensschritt, das Eindringen ist eine andere Gruppe von Verfahrensbedingungen notwendig. Die beiden Verfahrensschritte sind zeitaufwendig und Jeder kann unterschiedliche chemische Reaktionen erforderlich machen.
  • In Jüngerer Zeit hat man Diffusionsverfahren kommerziell erfolgreich eingesetzt, bei aenen diese mehrfachen chemischen Reaktionen eines Dampfphasenverfahrens nicht notwendig sind. bei diesen Diffusionsverfahren verwendet man eine Feststoffdifusionsquelle, die direkt über dem freien, der Diffusbn ausgesetzten Oberflachenbereich des Halbleiters, in den diffundiert werden soll, angebracht wird. Das Gebilde aus dem halbleitersubstrat, der Feststoffdiffusionsquelle und einer bestimmten Diffusionsmaske wird auf eine geeignete erilonte Temperatur gebracht, um die Verunreinigungen von der Feststoffdifusionsquelle in das Halbleitersubstrat eindringen zu lassen. Z.b. gibt es hier die sogenannten "Aufschleuder" ("spin-on")- oder "Aufmal" (paint-on")-Lacke oder -gläser bzw. glasartige Substanzen, die heute im Handel erhältlich sind, und die in der Form von FlüssiSverbindungen mit homogenen Verun--reinigungen vertrieben werden. Diese Verbindungen können sehr einfach als Festkörperdiffusionsquelle direkt auf einem bestimmten Oberflächenbereich des halbleitersubstrats angebracht werden, inaem man eine Augenpipette, einen Pinsel oder einen anderen Gegenstand zur Abgabe einer Flüssigkeit verwendet.
  • Es ist heute außerdem üblich, die Halbleitersubstrate auf einer geeigneten rotierenden Unterlage, z.B. einer zylindrischen Scheibe, anzubringen, die während des Aufbringens der Dotierflüssigkeit, des Schleuderlacks oder -glases ("spin-cn dopant glass liquid"), zu drehen. Durch die Zentrifugalkraft wird die Flüssigkeit rasch und gleichmäßig verschleudert und wie eine dünne haut über das Substrat zur Vorbereitung für den folgenden Diffusionsschritt, das Eindringen, verteilt. Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich üblicherweise um eine gleichförmige homogene Doteerlösung mit niedriger Konzentration. Sie verfestigt sich, nachdem sie als dünner Film über einen bestimmten Oberflächenbereich des Substrats und über eine Diffusionsmaske, die direkt auf das Substrat aufgebracht ist, verteilt ist. Damit wird der seitliche Ausdehnungsbereich der Diffusion im Substrat begrenzt. Z.B. wird bei der nerstellung der bekannten "vergrabenen ollektor"(buried collector)-Struktur eine N-dotierte Schleuderlackverbindung ("spin-on" glass composition) auf die maskierte Oberfläche einer N-dotierten Halbleiterscheibe aufgebracht. Dadurch entsteht in der Scheibe ein vergrabener N + -t3ereich (N buriea region). Schleuderdotierverbindungen ("spin-on" doping compositions) dieser Art sind aus der U.S. Patentschrift Hr. 3 658 584 bekannt, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Diese Diffusionsverfahren mit "Aufschleuder"- oder "Aufmal"-Lacken oder -Glas haben sich im allgemeinen bei der Herstellung von flachen PN-Übergängen oder bei der Herstellung von Diffusionszonen mit verhältnismäßig geringer Verunreinigungskonzentration als zufriedenstellend erwiesen. Diese Verfahren reichen Jedoch nicht aus bei der herstellung von Halbleiterbauteilen mit tiefdiffundierten PN-Übergängen oder auch bei der Herstellung von Diffusionsbereichen mit hoher Dotierungskonzentration. Z.B. ist das bekannte Verfahren vollständig ausreichend bei der Herstellung einer 3 bis 5 µ tiefen vergrabenen (buried) Kollektor-Diffusion bei einer integrierten Schaltung. Das Verfahren ist Jedoch bei der Herstellung einer 75 bis 100>i Tiefdiffusion für die Bildung des PN-übergangs eines Leistungsgleichrichters vollkommen unbrauchbar. Auch hat man gefunden, daß diese Schleuderlack- oder Schleuderglasverfahren ("spin-onlglass processes) nur geeignet sind, eine verhältnismäßig hohe Verunreinigungskonzentration bei Halbleiterbauteilen mit flachen Übergangszonen zu liefern.
  • Diese glas- oder lackförmigen Diffusionsquellen verlieren jedoch vorzeitig und vollständig ihre Verunreinigungen, wenn sie über längere Zeit Temperaturzyklen ausgesetzt sind, die für eine Tiefdiffusion oder eine Diffusion mit hoher Konzentration notwendig sind.
  • Die Erfindung schafft daher allgemein ein neues und verbessertes Festkörper-Festkörper-Difusionsverfahren, das alle Vorteile ähnlicher bekannter Verfahren aufweist, während deren flachteile vermieden werden. Las Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein undotierter, chemisch inaktiver unc aurchlässiger Glas- oder Lackfilm (damit sollen auch immer alle glasartigen Substanzen umfaßt sein) auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht wird. Hierauf wird als Vorbereitung für den indring-Difusionsschritt eine Dotierquelle, z.B. ein Blatt eines handelsüblichen Dotierpapiers, auf der Oberfläche des undotierten Films angeracnt. Die so entstandene Schichtstruktur wird dann auf eine bestimmte erhöhte Temperatur erhitzt, um die Verunreinigungen aus der Dotierquelle durch den inaktiven und durchlässigen Film wandern zu lassen und von dort gleichmäßig in das Halbleitersubstrat eindringen zu lassen. Dieses Diffusionsverfahren kann verwendet werden, um entweder einen bereich mit hoher Verunreinigungskonzentration oder um einen tiefdiffundieren bereich, oder beides zu schaffen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders geeignet für die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit tiefdiffundierten PN-Übergängen, wie z.B. Leistungsgleichrichtern.
  • Durch das Festkörper-Festkörper-Diffusionsverfahren gemäß der Erfindung kennen die Verunreinigungen rasch und gleichen mäßig von einer Festkörperdiffusionsquelle hoher Konzentration in einen Halbleiter diffundiert werden wodurch tiefe und gleichmäßig dotierte Diffusionsbereiche geschaffen werden können.
  • Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine im wesentlichen unbegrenzte Dotierungsquelle für eine schnelle Herstellung von Bereichen mit sehr hoher Verunreinigungskonzentration in Halbleitersubstraten verwendet.
  • Bei dem Festkörper-Festkörper-Diffusionsverfahren gemäß der Erfindung ist eine direkte Berührung der Dotierungsquelle mit der Oberfläche des Halbleiters, bei der die Verunreinigungen übertragen werden, nicht notwendig. Eine Verschlechterung der Halbleiteroberfläche durch Korrosion wird dadurch vermieden.
  • Die Erfindung schafft also ein Verfahren zum Eindiffundieren von Verunreinigungen in einen Halbleiter, dadurch gekennzeichnet; daß zunächst auf einem bestimmten Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats ein chemisch inaktiver, durchlässiger undotierter Film aufgebracht wird, und daß dann auf der Oberfläche des inaktiven Films ein material, das als Dotierungsquelle dient, lose aufgebracht wird. Die sandwichartige Struktur aus Substrat, inaktivem Film und Dotierungsquelle wird dann auf eine bestimmte höhere Diffusionstemperatur erhitzt. Die Verunreinigungen von der Dotierungsquelle diffundieren durch den inaktiven Film und werden durch ihn gleichmäßig im Halbleitersubstrat verteilt und verändern dessen Leitfähigkeit. Da es sich bei der Dotierungsquelle um eine im wesentlichen unbegrenzte Quelle handelt, ist mit dem Verfahren unter anderem entweder eine Tiefdiffusion oder eine Diffusion mit einer hohen und gleichmäßigen Konzentration von Verunreinigungen oder beides durchzuführen. Der chemisch inaktive, durchlässige Film zwischen der Diffusionsquelle und dem Substrat ermöglicht ein gleichmäßiges Wandern von Verunreinigungen durch den Film und in das Halbleitersubstrat.
  • Gleichzeitig verhindert der Film eine Verletzung der Oberfläche des Substrats, da durch ihn eine direkte Berührung der Substratoberfläche mit der Dotierungsquelle verhindert wird.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird.
  • Fig. la - le zeigen eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten eines Festkörper-Festkörper Diffusionsverfahrens gemäß einer ersten Ausführunzsform der Erfindung.
  • Fig. 2a - 2d zeigen eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten zur Herstellung eines Planar-PN-Übergangs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • Fig. 3a - 3d zeigen eine Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten bei dem Aufeinanderschichten von Halbleiterscheiben, um gleichzeitig in der gleichen Scheibe zwei Diffusionen durchzuführen, gemäß einer aritten Ausführungsform der Erfindung.
  • Fig. la zeigt einen Schnitt durch einen zylindrischen Drehteller 10, der drehbar auf einer Achse 12 angeordnet ist. Auf der Oberfläche 13 des Drehtellers 10 befindet sich eine Halbleiterscheibe 14, die gemäß der Erfindung behandelt wird. Zur Vereinfachung der Erläuterung ist hier nur eine einzige Scheibe gezeigt. Es können jedoch mehrere Scheiben gleichzeitig behandelt erden. Es ist vorteilhaft, wenn im Drehteller 10 irgendeine Vakuumeinrichtung vorgesehen ist, um die Halbleierscheibe 14 bei einem kurzen Drehen in ihrer Stellung zu halten. Durch das Drehen wird die leichtflüssige undotierte Glas- ouer Lackverbindung 16 auf aer oberen Fläcne der Halbleiter scheibe rascn verteilt. Es bildet sich darauf ein dünner, gleichmäßiger, chemisch inaktiver Film 16. Lur Vakuwneinrichtung kann z.b. ein Schlauch (nicht gezeigt) gehören, der im Innern der Achse 12 angebracnt ist und in den brenteller 10 hineinragt. Er ist mit einer oder mehreren Gffnungen (nicht gezeigt) in der Oberfläche 13 ues Drehtellers 10 verbunden.
  • Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindung besteht die flüssige Lösung, aus der der undotierte Siliziumdioxid(SiO2)-film 18 gebildet wird, aus einer homogenen flüchtigen Verbindung. Die Verdichtung und das Verdampfen der Verbindung beginnt, sobald sie auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 14 aufgebracht ist. Dieses Verdichten oder diese Konzentration kann durch Erhitzen der Scheibe (Fig. lb) beschleunigt werden, wodurch die Oxidation des inaktiven Lackfilms lo beschleunigt wird.
  • Im nächsten Verfahrensschritt wird eine Schicht eines flächenhaften Dotiermaterials 20 lose auf der Oberfläche des SiO2-Films 18 aufgebracht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sicn beij:ier Schicht des Dotiermaterials 20 um ein organisches zindemittel, das eine organische Lösung mit der gewünschten Verunreinigung vom P- oder N-Typ enthält. Dieses flächenhafte material 20 wird in der Halbleitertechnologie im allgemeinen als Dopant oder Dotierpapier bezeichnet. as ist im Handel erhältlich und wird z. B. von der Firma Film tronics Corporation in Butler, Pennsylvania unter der Bezeichnung "bor-Dotierpapier" oaer "Phosphor-Dotierpapier" vertrieben. Diese allgemeine Art von Dotierpapier ist aus der U.S. Patentschrift iQr. 3 630 793 bekannt.
  • Selbstverständlich isoliert der chemisch inaktive durchlässige SiO2-Film 18 die Dotiermaterialschicht 20 nicht nur physikalisch vor Jeder Berührung der Halbleiterscheibe 18, wodurch eine Verletzung der Scheibenoberfläche durch Korrosion vermieden wird. Die Verwendung dieses Films 18 bei dem Verfahren erlaubt auch ein "Auflegen" der Dotiermaterialschicht 20 mit geringeren Toleranzen, als das bei anderen Verfahren mit dotierten Filmen möglich ist. Diese anderen Verfahren benötigen häufig lange Zeitzyklen um die dotierten Glas- oder Lackschichten in Form von dünnen Filmen aufzubringen, wobei dann diese Schichten als Quelle für eine P- oder N-Dotierung dienen.
  • Nachdem die Schicht 20 des Dotierpapiers lose auf der Oberfläche des undotierten SiO2-Films 18 aufgebracht ist, wird die in Fig. lc gezeigte, zusammengesetzte Struktur mit einer Anzahl anderer gleicher Strukturen entsprechend der Darstellung in Fig. lc aufeinandergepackt. Das gesamte Gebilde wird in einen Diffusionsofen gegeben und auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt. Die Temperatur ist so gewählt, daß die Verunreinigungen der Dotierungsquelle 20 durch den Siliziumdioxidfilm 18 in die Halb leiters cheibe 14 diffundieren und dort einen diffundierten Bereich 21 bilden, wie dies in Fig. ld gezeigt ist. Während des Diffusionsvorgangs legt sich das Dotierpapier 20 im allgemeinen an die Umrisse des inaktiven durchlässigen Siliziumdioxidfilms 18 an und verschmilzt mit diesem. Die aus der Dotiermaterialschicht 20 austretenden Verunreinigungen legen alle vor dem Eindringen in die Halbleiterscheibe 14 den gleichen Weg durch den siliziumSilm zurück. Dadurch entsteht ein guter scharfer (gerader) PN-Übergang 22. Iç;an hat beobachtet, daß bei einer unmittelbaren Berührung der freien Oberfläche des Halbleitersubstrats 14 mit der Dotiermaterialschicht 20 und anschließender Erhitzung zum Zwecke der Diffusion von Verunreinigungen nicht nur eine Korrosion der Oberfläche der Halbleiterscheibe eintritt.
  • Zusätzlich zeigen auch die mit diesem Verfahren erzeugten PN-Übergänge keine scharfe Kante, da das Dotiermaterial keine einheitliche Oberflächenberührung mit der Halbleiterscheibe hat. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es nicht kritisch, Ja nicht einmal erforaerlich, daß das Dotiermaterial 20 gleichförmig über dem Film 18 ausgebreitet wird. Alle aus dem Dotierpapier 20 kommenden Verunreinigungen legen durch den Film 18 die gleiche Diffusionsstrecke zurück. Die Verunreinigungen sättigen zunächst den Film 18, bevor sie gleichmässig in die Scheibe 14 eindringen. So arbeitet der Film 18 wie ein Filter zur gleichmäßigen Verteilung der Verunreinigungen in der Halbleiterscheibe 14. Es entsteht dabei eine gute scharfe Grenze zwischen dem diffundierten Bereich und dem Substrat. Selbstverständlich ist zu beachten, daß bei dem mit bezug auf Fig. 1 erläuterten Verfahren das Aufeinanderpacken der Halbleiterscheiben nicht unbedingt notwendig ist. Trotzdem ist dieses Vorgehen bei der praktischen Handhabung des Verfahrens vorzuziehen. Der Grund für dieses Vorgehen ist, daß das handelsübliche Dotierpapier 20 durch die Temperatur im Diffusionsofen beschädigt werden kann.
  • Durch das Aufeinanderpacken der Scheiben (wie in Fig. 3 gezeigt) vor Eingabe in den Ofen ist das Papier besser geschützt. Zusätzlich gehen durch ein derartiges Aufeinanderpacken der Scheiben weniger Verunreinigungen verloren, da durch die übereinandergelagerten Schichten die Bewegung von Verunreinigungen zu einer benachbarten Struktur begrenzt wird. Ist das Dotierpapier 20 entsprechend hoch dotiert und ausreichend widerstandsfähig und haltbar bei den Temperaturen des Diffusionsofens, ist ein Aufeinanderpacken der Halbleiterscheiben nicht unbedingt notwendig.
  • Das Verfahren ist auch durchführbar, wenn die in Fig. lc gezeigte zusammengesetzte Struktur direkt in den Diffusionsofen eingegeben wird.
  • Nach dem Ende des Diffusionsvorgangs, wenn die Verunreinigungen in eine gewünschte Tiefe in das Substrat eingedrungen sind, z. B. bei Halbleiterbauteilen mit einem tiefdiffundierten PN-Übergang 75 bis 100/'U, werden sowohl der Film 18 wie auch die Dotierungsquelle 20 mit einem Atzmittel entfernt. Als Atzmittel dient z.B. Flußsäure HF.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Herstellung von Bauteilen mit PN-Übergängen beschränkt. Kan kann damit auch P/P+- und N/N+-Strukturen herstellen.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Aus fünrungs form der Erfindung.
  • Hier wird eine Halbleiterscheibe lq' zunächst einem üD-lichen photolithografischen Verfahren mit Oxiaieren, Maskieren, Atzen und erneutem Oxidieren unterworfen, um eine Oxiddiffusionsmaske 15 zu erhalten. Diese Oxidmaske 15 weist ein Fenster 17 auf, das im folgenden zur Festlegung der Geometrie des planaren PN-Ubergangs auf der Halbleiterscheibe 14 dient. Handelt es sich um eine Scheibe aus Silizium, besteht die Diffusionsmaske 15 aus Siliziumdioxid SiO2. Wie mit bezug auf Fig. la erläutert, wird eine gleichmäßige, undotierte, inaktive Glas- oder Lacklösung in Form von Tröpfchen 16' auf die zusammengesetzte Struktur (in Fig. 2a gezeigt) aufgebracht. Durch ein kurzes Drehen der Achse 12 wird diese Lösung gleichmSßig auf der maske 15 und der freien Oberfläche der Ilalbleiterscheibe, die durch das Fenster 17 gegeben ist, verteilt und bildet den dünnen Film 18'. Dieser leichtflüssige Film 18', ein durchsichtiger undotierter Siliziumdioxidfilm, ist gleichmäßig verteilt. Darauf wird er bei einer bestimmten erhöhten Temperatur an der Luft getrocknet. Nachdem der Film 18' ausreichend getrocknet ist, wird eine Schicht von Dotiermaterial 20' lose auf der Oberfläche der in Fig. 2a gezeigten Struktur aufgebracht.
  • Da es sich bei diesem Material 20' um ein dünnes organisches Bindemittel handelt, ist es biegsam und kann im allgemeinen der Kontur des Fensters 17 im Si02 und der Oberfläche des inaktiven Lackfilms 18' angepaßt werden.
  • Die in Fig. 2b gezeigte zusammengesetzte Struktur wira dann mit weiteren gleichen Strukturen (nicht gezeigt) aufeinandergepackt und in einen Diffusionsofen gegeben.
  • Sie wird auf eine bestimmte erhöhte Diffusionstemperatur erhitzt. Während der Diffusionszeit diffundieren die Verunreinigungen von dem Dotierpapier 20' durch den Kieselerdefilm 18' und bilden den planaren PN-Übergang 24 in der Halbleiterscheibe 14', wie in Fig. 2c gezeigt ist.
  • Nun kann diese Struktur mit den üblichen photolithografischen Iilaskier- und Ätzverfahren weiter behandelt werden, um das Dotierpapier 20' und bestimmte Bereiche der restlichen Oxidschicht 15 zu entfernen. Nan erhält die in Fig. 2d gezeigte freie Oberfläche, auf der die ohmschen Kontakte 26 und 28 angebracht werden können. Diese Kontakte können auf den freien Oberflächen der Halbleiterscheibe 14' durch die bekannten I;etallkontaktierverfahren angebracht werden. Die in Fig. 2d gezeigte Struktur ist z.B. als ein tiefdiffundierter PN-Gleichrichter mit einem zentralen Punktkontakt 26 und einem äußeren Ringkontakt 28 zu verwenden.
  • Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere ein Verfahren gezeigt ist, bei dem die Halb leiters cheiben 30 aufeinandergepackt werden.
  • Die Scheiben 30 sind auf beiden Seiten mit einem undotierten Siliziumdioxidfilm 32 bzw. 34 beschichtet. Bei der Verwendung des neuen Verfahrens können mehrere der in Fig. 3a gezeigten Scheiben aufeinandergepackt werden, wie in Fig. 3b gezeigt ist. Sie werden gleichzeitig bei einem Aufheizzyklus für die Eindringdiffusion in ihren gegenüberliegenden Oberflächen diffundiert.
  • Die in Fig. 3a gezeigten einzelnen Scheiben 30 werden zunächst mit einem Lackaufschleuderverfahren behandelt.
  • Die Scheibe wird auf die Oberfläche des Drehtellers 13 gelegt und der erste undotierte Siliziumdioxidfilm 32 wird aufgeschleudert. Dieser Film 32 wird dann an der Luft bei erhöhter Temperatur getrocknet. Nun wird die Scheibe 30 mit dem Film 32 nach unten auf den Drehteller 13 gelegt.
  • Ein zweiter Siliziumdioxidfilm 34 wird dann auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe aufgeschleudert. Dieser Film 34 wird nun ebenfalls bei einer bestimmten erhöhten Temperatur getrocknet. Die Scheiben sind damit für den folgenden Stapelaufbau, der in Fig. 3b gezeigt ist, vorbereitet.
  • Bei einem weiteren Verfahren können die Scheiben auch in einer senkrechten Stellung auf beiden Flächen mit der undotierten Filmlösung besprüht werden, um die dünne, durchsichtige Glas- oder Lackschicht auf beiden Seiten aufzubringen. Die Scheibe 30 wird dann in einen geeigneten Ofen gegeben und erhitzt, um die beiden Siliziumdioxidschichten gleichzeitig zu trocknen.
  • Nachdem eine Anzahl von Scheiben 30 nach einem der beiden erläuterten Verfahren mit den Filmen 32 und 34 beschichtet sind, werden die Scheiben wie in Fig. 3b gezeigt ist, aufeinandergestapelt. Wie gezeigt, werden zwischen die lackbeschichteten Scheiben die Lagen 36, 38 und 40 des Dotiermaterials eingelegt. Dieser Verfahrensschritt wird als "Münz-Stapeln" bezeichnet, da die beschichteten Scheiben in der gleichen Weise, wie man es mit einer Anzahl von identischen münzen tun würde, gehandelt und aufeinandergestapelt werden. Die Lagen 36, 38 und 40 des Dotiermaterials können entweder die gleicne Verunreinigung enthalten, oder sie können auch untersciealiche Verunreinigungen enthalten, die entweder den P- oder den li-'Eyp der Leitfähigkeit erzeugen. Dies hängt von den jeweiligen Anforderungen an die Dotierung der behandelten Scheiben ab.
  • Z .b. kann es erwünscht sein, in einer Anzahl von N-dotierten Substraten 30 gleichzeitig eine Anzahl von N+-Bereicnen zu erzeugen. In diesem Fall sind alle Scheiben von N-Typ-und die Lagen 36, 38 und 40 des Dotiermaterials können phosphordotiert sein. Es kann auch einmal erwünscht sein, auf den gegenüberliegenden Seiten der gleichen Scheibe 30 eine N -Diffusion und eine P-Diffusion vorzunehmen. In diesem Fall kann es sich bei dem Dotiermaterial 36 um ein phosphordotiertes N-Dotierpapier und bei dem Dotiermaterial 38 um ein bordotiertes P-Dotierpapier handeln. In diesem Fall ist der in Fig. 3c gezeigte Diffusionsbereich 42 ein P-Bereich und der Bereich 44 entsprechend der gewünschten Konzentration an Verunreinigungen ein N- oder N+-Bereich.
  • Eine weitere Möglichkeit des erläuterten Verfahrens besteht darin, eine Scheibe 30 aus einem halbleitenden Material einer bestimmten Leitfähigkeit gleichzeitig von beiden Seiten mit einer Verunreinigung zu dotieren, die die entgegengesetzte Leitfähigkeit der Scheibe hervorruft. Dadurch können durch eine Diffusion zwei gegenüberliegende PN-Übergänge in der Scheibe 30 erzeugt werden. Man erhält damit ein NPN- oder PNP-Mehrfachübergangs-Halbleiterbauteil, z.B.
  • einen Transistor.
  • Nachdem die Scheiben, wie in Fig. 3b gezeigt ist, mit den dazwischenliegenden Dotierschichten 36, 38 und 40 aufeinandergestapelt sind, werden sie in einen geeigneten Diffusionsofen gegeben. Sie werden gleichzeitig auf eine bestimmte Diffusionstemperatur aufgeheizt. Während der Diffusionszeit entstehen in den einzelnen Scheiben 30 eine Anzahl von Diffusionsbereichen, z.B. die Bereiche 42 und 44, wie dies in Fig. 3c gezeigt ist. Nach dem Erzeugen dieser Bereiche können die Scheiben 30 durch die Verwendung eines selektiven Ätzmittels, z.B. HF, getrennt werden. Die in Fig. 3d gezeigten diffundierten Scheiben 44 können nun mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen weiterbehandeltwerden, um die verschedensten elektronischen Bauteile zu erzeugen.
  • Beispiel Eine Anzahl von Siliziumscheiben des N-Typs mit einem spezifischen Widerstand von 25 Ohm cm und einer Stärke von 216 F wurde auf beiden Seiten mit einem undotierten SiO2-Film beschichtet und bei einer Temperatur von 3000C in Luft getrocknet. Diese Scheiben wurden dann in einem "ünzen-Stapel" aufeinandergepackt, wie in Fig. 3 gezeigt.
  • Die dazwischenliegenden Schichten 36, 38 und 40 waren abwechselnd ein Bordotierpapier und ein Phosphordotierpapier.
  • Diese Papiere werden von der bereits erwähnten Filmtronics Corporation unter dieser allgemeinen Bezeichnung vertrieben. Die aufeinandergestapelten Scheiben wurden dann in einen Diffusionsofen gegeben und unter Stickstoffatmosphäre auf ungefähr 12500C erhitzt. Der Scheibenstapel blieb bei dieser Temperatur ca. 16 1/2 Stunden im Diffusionsofen. Die Abkühlung erfolgt dann bei Raumtemperatur. Bei der Anwendung des bekannten Winkelläp- und Färbungs- bzw. Ätzerverfahrens (angle lap and stain metilod) zur Pressung der Tiefe von PN-Übergängen, erkannte man auf der einen Seite der Scheibe eine sehr gleichmäßige P-Schicht mit einer Tiefe von ca. 57, 15 ji, und auf der anderen Seite eine sehr gleichmäßige N-Schicht mit einer Tiefe von ca. 50,8 p. Bei der Anwendung einer Widerstandsmessung an vier verschiedenen Punkten zur iiiessung des Flächenwiderstandes, ergab sich ein Flächenwiderstand der P-Schicht von ca. 0,25 Ohm pro Quadrat und ein Flächenwiderstand der N-Schicht von ca. 0,50 Ohm pro Quadrat. Unter dem Mikroskop erkannte man, daß die N + N-Grenze und der PN-Übergang in der Scheibe eine sehr scharfe Grenzlinie zeigten, wie sie bisher bei der Aufbringung des Dotierpapiers unmittelbar auf der Oberfläche des halbleiters noch nicht erreichbar war. IIlfolge des dazwischenliegenden SiO2-Films beobachtete man auch keinen Korrosionsangriff durch das Dotierpapier auf der Oberfläche der Scheibe.
  • - Patentansprüche-

Claims (7)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Verfahren zum Eindiffundieren einer Verunreinigung in einen Gegenstand aus halbelitendem Material, ,; e -k e n n z e i c h n e t d u r c h (a) das Ausbilden eines chemisch inaktiven durchlässigen Fims auf einem bestimmten Oberflächenbereich des Gegenstandes, (b) das Aufbringen eines als Dotierungsquelle dienenden aterials auf der Oberfläche dieses Films, und (c) cas Erhitzen des aus Ge-enstand, inaktiver Film und Dotierungsquelle zusammengesetzten Gebildes auf eine bestimmte erhöhte Temperatur, wodurch die Verunreinigungen von der Dotierungsquelle in den Film getrieben werden und von dort gleichmäßig in den halbleitenden Gegenstand gelangen und in ihm einen gleichmäßig diffundierten Bereich bilden, wobei das Verfahren geeignet ist, entweder tiefdiffundierte Bereiche oder hochdotierte Bereiche oder beides schnell zu erzeugen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c n g e k e z e i c h n e t , daß das Gebilde aus Gegenstand, iativem Film und Dotierungsquelle mit weiteren ebllder gleichen Aufbaus aufeinandergestapelt werden, sodaß Jeweils das Dotierungsmaterial auf seinen beiden größten Flächen bedeckt ist und damit vor Zerstörung durch hohe Temperaturen während des Di ffusi ons vorgangs bei hohen Temperaturen geschützt ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß die Herstellung des chemisch inaktiven, durchläsigen Films beinhaltet (a) das Aufbringen einer gleichmäßigen, homogenen, undotierten, flüssigen Glas- oder Lacklösung auf eine Oberfläche des Gegenstandes, und (b) die Verdichtung dieses Films, damit er in fester Form auf der Oberfläche des Gegenstandes haftet, wobei ein Dotierungsmaterial, z.B. ein Bogen Dotierpapier, lose auf dem Film ohne die Notwendigkeit eines Vakuumablagerungsverfahrens und mit verhältnismäßig großen Toleranzen aufzubringen ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß es sich bei dem Material der Dotierungsquelle um einen vorgefertigten Bogen aus einem organischen Bindemittel und einem Lösungsmittel mit den bestimmten Verunreinigungen handelt, wobei die Konzentration der Verunreinigungen im Lösungsmittel ausreichend groß ist, damit das Dotiermaterial als eine im wesentlichen unbegrenzte Dotierungsquelle wirkt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Herstellung des chemisch inaktiven durchlässigen Films beinhaltet (a) das Aufbringen einer gleichmäßigen, homogenen, undotierten, flüssigen Lacklösung auf eine Oberfläche des Gegenstandes, und (b) eine anschließende Verdichtung des Films, damit er auf der Oberfläche des Gegenstandes in fester Form haftet, wobei ein Dotierungsmaterial, z.B. ein Bogen Dotierpapier, lose auf dem Film ohne die Notwendigkeit eines Vakuumablagerungsverfahrens und mit verhältnismäßig großen Toleranzen aufzubringen ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß es sich bei dem Material der Dotierungsquelle um einen vorgefertigten Bogen aus einem organischen Bindemittel und einem Lösungsmittel mit den bestimmten Verunreinigungen handelt, wobei die Konzentraktion der Verunreinigungen im Lösungsmittel ausreichend groß ist, damit das Dotierungsmaterial als eine im wesentlichen unbegrenzte Dotierungsquelle wirkt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß es sich bei dem Material der Dotierungsquelle um einen vorgefertigten Bogen aus einem organischen Bindemittel und einem Lösungsmittel mit den bestimmten Verunreinigungen handelt, wobei die Konzentration der Verunreinigungen im Lösungsmittel ausreichend groß ist, damit das Dotierungsmaterial als eine im wesentlichen unbegrenzte Dotierungsquelle wirkt.
DE19732331516 1972-06-21 1973-06-20 Verfahren zur herstellung von tiefdiffundierten halbleitenden bauteilen Pending DE2331516A1 (de)

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US26502872A 1972-06-21 1972-06-21

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