DE2334258A1 - Verfahren zum dotieren von halbleitermaterialien - Google Patents

Verfahren zum dotieren von halbleitermaterialien

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DE2334258A1 DE19732334258 DE2334258A DE2334258A1 DE 2334258 A1 DE2334258 A1 DE 2334258A1 DE 19732334258 DE19732334258 DE 19732334258 DE 2334258 A DE2334258 A DE 2334258A DE 2334258 A1 DE2334258 A1 DE 2334258A1
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doping
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Robert Guy Hays
Ronald Charles Pennell
Edwin Emett Reed
Charles Edward Volk
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterialien mit einem stark dotierten Substratbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem darüber angeordneten zweiten Bereich desselben Leitfähigkeitstyps mit verhältnismässig leichter Dotierung, wobei auf dem zweiten Bereich eine erste Oxydschicht angebracht und in dieser zumindest eine öffnung zum Freilegen des zweiten Bereiches angebracht wird und ferner über der ersten Oxydschicht sowie dem freigelegten zweiten Bereicheine zweite Oxydschicht mit verhältnismissig starker Dotierung eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird.
Es ist bekannt dotierte Oxydschichten auf einem Halbleitersubstrat als Dotierungsquelle für das Substrat zu verwenden. Dabei wird das mit der dotierten Oxyd-
Fs/ba Ichicht
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schicht überzogene*Substrat einer hohen Temperatur in -einer Edelgas-Atmosphäre für eine bestimmte Zeitdauer eingesetzt. Dabei ergibt sich eine Diffusion der Dotierungsatome aus der dotierten Oxydschicht in das Halbleitersubstrat Bisher war die Dotierungskonzentration im Halbleitersubstrat primär durch die Dotierungskonzentration in der dotierten Oxydschicht bestimmt bzw. von dieser abhängig. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass die Oberflächen-Dotierungskonzentration nur durch Andern des Dotierungsniveaus der dotierten Oxydschicht verändert werden kann. Es ist jedoch für viele Anwendungsfälle wichtig, dass eine kontrolliert einstellbare Oberflächen-Dotierungskonzentration geschaffen werden kann. Dies gilt nicht nur für bipolare Halbleiteran#fdnungen sondern auch für Feldeffekttransistoren und für Metalloxyd-Halbleiteranordnungen (MOS). Es wurde bereits versucht die Oberflächen-Dotierungskonzentration durch die Schaffung einer SperroxydGrenzschicht zu kontrollieren, die zunächst nicht dotiert ist* Diese Sperroxyd-Grenzschicht liegt zwischen der dotierten Oxydschicht und dem Halbleitersubstrat und wird vor den Aufbringen der dotierten Oxydschicht auf dem Substrat ausgebildet. Durch die Einstellung der ursprünglichen Dicke dieser Sperroxyd-Grenzschicht kann die Dotierungskonzentration in bekannter Weise verringert werden, indem die anfängliche Dotierungskonzentration in der dotierten Oxydschicht eingestellt wird. In der Regel muss bei jeden individuellen Anwendungsfall die dotierte Oxydschicht und/oder die Dicke der Sperroxyd-Grenzschicht möglichst genau eingestellt werden, um die gewünschte Oberflächen-Dotierungskonzentration im Substratnaterial zu erhalten. Es ist offensichtlich, dass bei der Notwendigkeit jede dotierte Oxydschicht individuell zu prlparieren eine Automatisation des Dotierungsverfahrens nicht leicht zu verwirklichen ist.
- 2 - ► Der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterialien und insbesondere eines Halbleitersubstrats zu schaffen, bej. dem eine dotierte Oxydschicht und eine Sperroxyd-Grenzschicht verwendet wird und das die Möglichkeit bietet, in dem Halbleitermaterial die Oberflächen-Dotierungskonzentration einer gewünschten Grosse entsprechend einzustellen. Das Verfahren soll die Möglichkeit einer möglichst vollen Automatisation bieten und auch für die Herstellung verschiedener Dotierungsniveaus in ein und demselben Verfahrensablauf geeignet sein.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine erste Maskierschicht auf der dotierten zweiten Oxydschicht angebracht wird, dass eine zweite Maskierschicht auf der ersten Maskierschicht angebracht wird, dass die zweite Maskierschicht einer Xtzung unterzogen wird, um einen ersten Bereich der ersten Maskierschicht innerhalb der ersten öffnung tn der ersten Oxydschicht freizulegen, wobei ein erster Teil der zweiten Maskierschicht in dieser öffnung erhalten bleibt, dass der erste Bereich der ersten Maskierschicht mit einem zweiten Teil neben dem ersten Teil einer Ätzung unterzogen wird, um einen dritten Teil der dotierten zweiten Oxydschicht freizulegen, und dass das Substrat in Anwesenheit einer umgebenden Atmosphäre auf eine geeignete Temperatur gebracht wird, wobei die umgebende Atmosphäre eine Diffusion der dotierenden Störstellen aus dem dritten Teil der dotierten zweiten Oxydschicht in den zweiten Bereich mit einer ersten Diffusionsgeschwindigkeit verursacht und wobei die umgebende Atmosphäre ferner eine Diffusion der dotierenden Störstellen aus einem Teil der dotierten Oxydschicht unter dem zweiten Teil der ersten Maskierschicht mit einer zweiten Diffusionsgeschwindigkeit verursacht, wodurch in einem
- 3 - einzigen
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einzigen Erwärmungsschritt ein diffundierter Bereich geschaffen wird, der Teile mit im wesentlichen unterschiedlichen Leitfähigkeiten aufweist.
Eine Lösung für die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ergibt sich für ein Verfahren zur Dotierung von Halbleitermaterialien bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung, wobei eine erste Oxydschicht mit einer ersten öffnung auf einer verhältnismässig leicht dotierten ersten Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeit ausgebildet wird und die erste Schicht auf einer verhältnismässig stark dotierten Halbleiter-Trägerschicht der ersten Leitfähigkeit angebracht ist, wobei ferner auf der ersten Oxydschicht eine verhältnismässig stark dotierte zweite Oxydschicht einer zx^eiten Leitfähigkeit angebracht wird, die die erste Halbleiterschicht durch die erste öffnung berührt und wobei ferner das Halbleiter-Trägermaterial erwärmt wird, um die Störstellen aus der zweiten Oxydschicht in die erste Schicht in Gegenwart einer ersten Umgebungsatmosphäre zu diffundieren und einen ersten Bereich der zweiten Leitfähigkeit in der ersten Schicht von annähernd dem gleichen Ausmass wie die erste öffnung auszubilden, indem die erste Oxydschicht als Diffusionsmaske wirkt auch dadurch, dass eine zweite öffnung in der dotierten zweiten Oxydschicht angebracht wird, und dass beim Erwärmen des Halbleiterträgers die Diffusion des ersten Bereiches in Anwesenheit einer zweiten Umgebungsatmosphäre weitergeführt wird, wobei die zweite Umgebungsatmosphäre in der Art ausgebildet ist, dass die Diffusion der Störstellen vom zweiten Leitfähigkeitstyp aus der dotierten zweiten Oxydschicht verstärkt wird, wobei die weitergeführte Diffusion mit einer erhöhten Geschwindigkeit unter dem verbleibenden Bereich der dotierten zweiten Oxydschicht auftritt, sodass der erste Bereich eine verhältnismässig leicht dotierte innere Zone und eine verhältnismässig stark dotierte äussere Zone erhält.
- 4 - Bei 30 9 884/1155
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Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich wesentliche Vorteile, wenn die herkömmliche Edelgas-Atmosphäre in dem Diffusionsraum durch eine oxydierende Atmosphäre ersetzt wird. Dadurch beginnt die Sperroxyd-Grenzschicht zu wachsen, und zwar mit einer Geschwindigkeit,, die von dem Partialdruck des Oxydationsmittels in der umgebenden Atmosphäre abhängt. Die Anzahl der Dotierungsatome, welche aus der dotierten Oxydschicht die Halbleiteroberfläche erreichen, ändert sich entsprechend dem Wachstum der Sperroxyd-Grenzschicht. Es wird angenommen, dass in einzelnen Fällen die Oxyd-Siliciumgrenzschicht-Reaktionsgeschwindigkeit für einige Dotierungsmittel geändert werden kann, indem die Mobilität des Dotierungsmittels im Silicium vergrössert wird und dadurch eine zunehmende Oberflächen-Dotierungskonzentration erzielbar ist. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Verwendung einer einzigen vorfabrizierten bzw. standardisierten dotierten Oxydschicht, aus der die gewünschte Oberflächen-Dotierungskonzentration ableitbar ist. Diese gewünschte Oberflächen-Dotierungskonzentration im Substrat hängt abschliessend von dem Partialdruck des Oxydationsmittels in der Umgebungsatmosphäre ab. Es ist auch ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass weder die Dicke der dotierten Oxydschicht noch deren Dotierungsniveau das Wachstum der Oxyd-Grenzschicht beeinflussen. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Flexibilität beim Dotieren, indem die Anzahl der Parameter verringert wird, welche bei der Einstellung der Oberflächen-Dotierungskonzentration zu berücksichtigen sind. Dies führt dazu, dass das Verfahren gemäss der Erfindung in vorteilhafter Weise für ein automatisches Verfahren Verwendung finden kann, da die Änderung der Oberflächen-Dotierungskonzentration aus einer einzigen standardisierten hochdotierten Oxydschicht auf der Oberfläche des Substrats lediglich durch Ändern des Partialdrucks des Oxydationsmittels in der Umgebungsatmosphäre abgeleitet werden kann. Damit lässt sich
- 5 - die
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die Oberflächen-Dotierungskonzentration sehr genau einstellen, indem die Wachstumsgeschwindigkeit der Sperroxyd-Grenzschicht durch die Einstellung des Partialdruckes kontrolliert wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf einen Aufsatz von M. L. Barry und P. Olafsen im "Journal of the Electrochemical Society", Band 16, No. 6, Seite hingewiesen. In diesem Aufsatz wird die nachfolgende Formel für die Oberflächen-Dotierungskonzentration eines Halbleitermaterials abgeleitet, wenn eine dotierte Oxydschicht als Diffusionsquelle Verwendung findet. Diese Formel lautet:
+ mkx
/Ό2 erfc C2 (χ,t) =
1 (1 + k)
In dieser Formel beschreibt C2 die Oberflächen-Dotierungskonzentration, C0 die Konzentration in der dotierten Oxydschicht, D^ den Diffusionskoeffizienten des Dotierungsmittels in der dotierten oder undotierten Oxydschicht, D- den Diffusionskoeffizienten im Substrat. Für die Grosse k gilt:
m\/Dl /D2
dabei ist m der Segretationskoeffizient des Dotierungsmittels an der Substrat-Oxyd-Grenzschicht. Ferner entspricht xß der Dicke der Oxyd-Grenzschicht und t der Zeit.
In dieser Gleichung wird kein Versuch unternommen, die Grosse xß zu ändern, d.h. die Dicke der undotierten Oxydschicht zu ändern. Diese Änderung ist ein besonderes
- 6 - Merkmal
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Merkmal der Erfindung, indem x„ durch die .Verwendung einer oxydierenden Umgebungsatmosphäre durch die Änderung des Partiaidrucks des Oxydationsmittels innerhalb der Diffusionskammer geändert wird. Daraus ergeben sich" zwei wesentliche Vorteile, und zwar kann die Dotierungskonzentration CQ in der dotierten Oxydschicht hoch und konstant gehalten werden, sodass die endgültige Oberflächen-Dotierungskonzentration nur von der Dicke xß entsprechend der Änderung durch die Verwendung der oxydierenden Atmosphäre abhängt. Der weitere Vorteil besteht darin, dass die Wachstumsgeschwindigkeit der Dicke x~ im wesentlichen unabhängig von der Dicke und der Dotierungskonzentration der dotierten Oxydschicht ist. Aus experimentellen Ergebnissen ist abzuleiten, dass die Wachstumsgeschwindigkeit so abläuft, als ob keine dotierte Oxydschicht vorhanden wäre. Dies gilt für alle praktischen Zwecke.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass die genannte Formel in vorteilhafter Weise verwendet werden kann, um die endgültige Oberflächen-Dotierungskonzentration zu ermitteln, wobei von einer normalen Wachstumsgeschwindigkeit eines Oxyds auf einem Substrat in einer oxydierenden Atmosphäre ausgegangen und die dotierte Oxydschicht als unbegrenzt dünn angenommen wird.
Es wird jedoch ein abweichendes Verhalten für bestimmte Dotierungsmittel beobachtet, und zwar insbesondere bei Arsen, wenn die Diffusion in einer 02-Atmosphäre abläuft. Es lässt sich nämlich zeigen, dass die Oberflächen-Konzentration in einer 02-Atmosphäre grosser als in einer inaktiven ^-Atmosphäre ist. Obwohl die Ursachen für dieses Phänomen nicht erklärbar sind, kann es für das Verfahren gemäss der Erfindung Verwendung finden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
- 7 - auch
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auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Graphik über den Verlauf des Wachstums
einer Sperroxyd-Grenzschicht während der Diffusion eines Dotierungsmaterials in ein Siliciumsubstrat aus einer dotierten Oxyd-Diffusionsquelle in einer oxydierenden Atmosphäre;
Fig. 2 ein Diagramm,aus dem die Oberflächen-Dotierungskonzentration und die Zeitabhängigkeit dieser Dotierungskonzentration hervorgeht, wenn die für das Diffusionsverfahren verwendete oxydierende Atmosphäre auf einem konstanten Partialdruck gehalten wird;
Fig. 3 ein Diagramm,aus dem die Abhängigkeit der Oberflächen-Dotierungskonzentration von dem Partialdruck des Oxydierungsmittels in der oxydierenden Atmosphäre für eine konstante Einwirkungszeit hervorgeht;
Fig. 4a bis 4d den Halbleiteraufbau während verschiedener Verfahrensschritte beim Herstellen eines PNP-Transistors nach dem Verfahren gemäss der Erfindung;
Fig. 5a bis 5e den Halbleiteraufbau während verschiedener Verfahrensschritte bei einem Verfahren zur Herstellung zweier diffundierter Bereiche mit unterschiedlicher Dotierungskonzentration aus einer Diffusionsquelle mit einem dotierten Oxyd während .eines gemeinsamen Fertigungsablaufes.
- 8 - Das
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Das erfindungsgemässe Verfahren dient der Kontrolle der Oberflächen-Dotierungskonzentration in einem Halbleitermaterial, in welches das Dotierungsmittel von einer Oxyd-Dotierungsquelle aus eindiffundiert wird. Dabei findet eine oxydierende Atmosphäre während des Dotierungsvorganges Verwendung, die eine wachsende Sperroxyd-Grenzschicht auslöst, um das Dotieren des Substrats zu verlangsamen. Das Verfahren wird durch die Einstellung des Partialdrucks für das Oxydierungsmittel einerseits und andererseits mit der Zeitdauer gesteuert, während welcher das Halbleitermaterial in der Diffusionskammer gehalten wird. Das Verfahren ermöglicht die Verwendung von herkömmlichen hochdotierten Oxydschichten, um verschiedene einstellbare Oberflächen-Dotierungskonzentrationen zu schaffen, wobei das Dotierungsmittel aus einer herkömmlichen hochdotierten Oxydschicht in das Halbleitermaterial eindringt. Das Eindringen des Dotierungsmaterials wird von der Wachstumsgeschwindigkeit der Sperroxyd-Grenzschicht kontrolliert, die ihrerseits von der verwendeten oxydierenden Atmosphäre abhängt.
Wie bereits erwähnt, wurden bisher keine Versuche unternommen, um die Dicke der Sperroxyd-Grenzschicht zu vergrössern, wenn eine dotierte Oxydquelle zusammen mit einer undotierten Oxyd-Grenzschicht verwendet wird, um ein Dotierungsmittel in ein Substratmaterial einzudiffundieren. Ein wesentliches Merkmal des beschriebenen Verfahrens besteht in der Verwendung einer oxydierenden Atmosphäre derart, dass, wenn ein mit einer dotierten Oxydschicht überzogenes Substrat erwärmt wird, entweder sich eine Sperroxyd-Grenzschicht ausbildet und anwächst oder eine bereits vorhandene Sperroxyd-Grenzschicht weiter verstärkt wird. Die Oxyd-Grenzschicht selbst wirkt als Moderator in der Art, dass sie die Anzahl der Dotierungsatome in dem dotierten Oxyd verringert, welches das Substrat überzieht.Wenn die Sperroxyd-Grenzschicht ausreichend dick ist, können die Dotierungsatome das Substrat nicht mehr erreichen. Es wurde
- 9 - in
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in diesem Zusammenhang festgestellt, dass durch Ändern der Dicke der Oxyd-Grenzschicht eine veränderliche Anzahl von Dotierungsatomen die Grenzschicht zwischen dem Oxyd und dem Substrat erreicht und damit eine Steuermöglichkeit für die Oberflächen-Dotierungskonzentration des Substrats sich ergibt. Die Dicke der Oxyd-Grenzschicht wird durch den Partialdruck des Oxydierungsmittels in der oxydierenden Atmosphäre bestimmt, der die Oberfläche des dotierten Oxyds ausgesetzt ist. Diese Atmosphäre kann aus irgendeinem oxydierenden Material aufgebaut sein, das in der Lage ist, das Substrat zum Reagieren zu bringen, um eine Oxyd-Grenzschicht aufzubauen. Obwohl die Erfindung anhand eines monokristallinen Siliciumsübstrats und einer Oxyd-Grenzschicht aus Siliciumdioxyd beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Siliciumsubstraten oder Siliciumdioxyd begrenzt, da die kontrollierte Ausbildung einer Oxyd-Grenzschicht bei allen oxydierbaren Substratmaterialien möglich ist. Die am häufigsten verwendete oxydierende Atmosphäre besteht aus Sauerstoff und Dampf, obwohl auch andere oxydierende Atmosphären, wie z.B. N9O, NO und 0, ohne weiteres verwendbar sind.
Wie bereits erwähnt, wird die Wachstumsgeschwindigkeit der Oxyd-Grenzschicht durch den Partialdruck des Oxydierungsmittels bestimmt. Wenn die Oxyd-Grenzschicht schneller wächst als der Diffusionsgeschwindigkeit des Dotierungsmittels durch die Oxyd-Grenzschicht entspricht, ergibt sich keine Dotierung für das Substrat. Eine solche tritt erst dann ein, wenn die Wachstumsgeschwindigkeit für die Oxyd-Grenzschicht kleiner als die Diffusionsgeschwindigkeit für das Dotierungsmittel durch die Oxyd-Grenzschicht ist, und zumindest einige Dotierungsatome aus dem dotierten Oxyd durch die Oxyd-Grenzschicht in die Oberfläche des Substrats eindiffundieren. Die Anzahl der Dotierungsatome, die die Substratoberfläche erreichen, ist somit eine Funktion des Wachstums der OxydrGrenzschicht. Dies
- 10 - ergibt
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ergibt sich auch aus dem Diagramm gemäss Fig. 1, das auf eine dotierte Oxydschicht auf einem Substrat anwendbar ist, das im vorliegenden Fall aus monokristallinem Silicium besteht. Die ursprüngliche Grenzschicht zwischen der dotierten Oxydschicht 10 und dem Substrat 11 wird durch eine vertikale Linie 12 angedeutet. Wenn das dotierte Oxyd und das Substrat erhitzt wird, ergibt sich eine Diffusion von Dotierungsatomen aus dem dotierten Oxyd nach rechts, entsprechend dem Pfeil 13 in das Substrat. Wenn die freie Oberfläche der dotierten Oxydschicht 10 einem gasförmigen Oxydierungsmittel ausgesetzt wird, diffundiert dieses Oxydierungsmittel so rasch durch die dotierte Oxydschicht gemäss Pfeil 15, wie wenn die dotierte Oxydschicht nicht vorhanden wäre. Anschliessend beginnt das Oxydierungsmittel mit dem Silicium des Substrats zu reagieren und bildet eine Siliciumdioxyd-Grenzschicht, die sich in Richtung des Pfeiles 17 ausdehnt. Dieser Pfeil 17 definiert jeweils die Ausbreitungsrichtung χ und den Ausgangspunkt 0 an der ursprünglichen Grenzschicht 12.- Zu einer Zeit t ist die Oxydschicht bis zur gestrichelten Linie 21,zu einem Zeitpunkt 2t bis zur gestrichelten Linie 22, zu einem Zeitpunkt 3t bis zur gestrichelten Linie 23, zu einem Zeitpunkt 4t bis zur gestrichelten Linie 24 und zu einem Zeitpunkt 5t bis zur gestrichelten Linie 25 vorgedrungen. Der Grund für das abnehmende Wachsen der Schicht in Abhängigkeit von gleichen Zeitintervallen besteht darin, dass das in davor liegenden Zeitintervallen ausgebildete Oxyd die Diffusionsgeschwindigkeit für das Oxydierungsmittel zum Siliciumsubstrat 11 verringert. Daraus ergibt sich, dass mit einer zunehmend sich ausbildenden Oxyd-Grenzschicht es für das Oxydierungsmittel zunehmend schwieriger wird bis zum Substrat durchzudringen, wodurch das Wachsen der Oxyd-Grenzschicht zunehmend verringert wird. Die neue Oxyd-Grenzschicht verzögert somit die Diffusionsgeschwindigkeit
- 11 - mit
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mit welcher die Dotierungsatome zur Grenzschicht zwischen der Oxydschicht und dem Siliciummaterial vordringen. Diese Verzögerung wird, wie bereits erwähnt, durch die Wachsturnsgeschwindigkeit der Oxydgrenzschicht bewirkt. Selbst wenn die Wachstumsgeschwindigkeit der Oxyd-Grenzschicht kleiner als die Diffusionsgeschwindigkeit für das Dotierungsmaterial in der dotierten Oxydschicht ist, wird es für die Dotierungsatome zunehmend schwieriger, die grössere Dicke der Oxydschicht zu druchdringen, womit das Dotierungsniveau an der Oberfläche des Siliciumsubstrats von einem Wert ausgehend abnimmt, der vorhanden wäre, wenn keine Oxyd-Grenzschicht aufgewachsen wäre.
Grundsätzlich gilt, dass die langsamste Ausbildung der Oxyd-Grenzschicht mit molekularem Sauerstoff erzielbar ist. Die Verwendung von Dampf scheint dasjenige Oxydierungsmittel zu sein, welches das Wachsen der Oxyd-Grenzschicht am meisten beschleunigt. Je nach dem,welches Dotierungsmittel für die dotierte Oxydschicht 10 verwendet wird, scheint es, dass in einigen Fällen Wasserdampf ein so rasches Wachstum der Oxyd-Grenzschicht auslöst, dass die Wachstumsgeschwindigkeit die Diffusionsgeschwindigkeit der Dotierungsatome durch die Oxyd-Grenzschicht übersteigt. In diesem Fall muss entweder der Partialdruck des Oxydierungsmittels verringert werden, um damit die Wachstumsgeschwindigkeit· der Oxyd-Grenzschicht zu verkleinern, oder ein anderes Oxydierungsmittel verwendet werden, um zumindest eine geringfügige Dotierung des Substrats zu erzielen. Die verschiedenen Arten, mit wefchendie dotierte Oxydschicht auf der Substratoberfläche angebracht werden können, sind als bekannt anzusehen, wobei alle Arten von Oxydationsmitteln verwendet werden können, die mit herkömmlichen Dotierungsmitteln, wie z.B. Arsen, Phosphor, Bor, Antimon, Indium, Gallium, Zink usw. dotiert sind.
- 12 - Nachfolgend
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Nachfolgend wird beschrieben, wie die Oberflächen-Dotierungskonzentration in einem Substrat bei der Herstellung kontrolliert erzielt werden kann.
Für die Beschreibung der Fig. 2 und 3 sei nochmals hervorgehoben, dass das Wachstum der Oxyd-Grenzschicht von dem verwendeten Substrat der oxydierenden Atmosphäre, der verwendeten Temperatur und dem Partialdruck des Oxydationsmittels in der Atmosphäre abhängt. In Fig. 2 wird die Abhängigkeit von der Zeit bei konstant gehaltenem Partialdruck des Oxydationsmittels und in Fig. 3 die Abhängigkeit des Druckes bei konstant gehaltener Einwirkungszeit dargestellt.
Bei dem dargestellten Beispiel der zeitabhängigen Oberflächen-Dotierungskonzentration gemäss Fig. 2 ist auf einem Substrat 11 eine stark dotierte Oxydschicht 30 angeordnet. Für das Substrat 11 wird üblicherweise monokristallines Silicium verwendet. Selbstverständlich können auch andere oxydierbare Substrate wie z.B. Germanium berücksichtigt werden, wenn diese in einer entsprechenden oxydierenden Atmosphäre behandelt werden.
Die Dotierungskonzentration in def stark dotierten Oxydschicht und dem Siliciumsubstrat 11 wird durch Linien 35 angedeutet. Das Substrat sowie die stark dotierte Oxydschicht werden über diejenige Temperatur hinaus erwärmt, bei welcher die Dotierungsatome in der Oxydschicht beginnen in das Substrat 11 zu-diffundieren. Diese Temperatur kann von Material zu Material verschieden sein. Bei einem Siliciumsubstrat und einer phosphordotierten Oxydschicht mit einem konstanten Partialdruck für das Oxydationsmittel ergeben sich Oberflächen-Dotierungskonzentrationen, wie sie durch die Punkte 35', 35'' und 35' " entsprechend den zugeordneten Zeiten ti, t2 und t3 für das Wachsen der Oxyd-Grenzschicht 36 angedeutet sind. Die Dicke der Oxytischicht wird entsprechend πιΐΐΔ^χ^,Δχ^ un bezeichnet.
- IJ - Es
3 0 9 S 6 U I 1 1 5 Γ;
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Es ist festzustellen,' dass bei dem dargestellten Fall mit konstantem Partialdruck für das Oxydationsmittel die Oberflächenkonzentrationen in den Punkten 35', 35" und 35' " abnehmen mit ansteigender Diffusionszeit. Die Abhängigkeit ist, wie aus den Tabellen I, II und III entnehmbar ist, nicht sehr gross. Bei einer Diffusionszeit von 4 Minuten bis 64 Minuten nimmt die Konzentration
19 18
von 2 χ IO auf 6 χ 10 ab, was einer Änderung der Konzentration um den Faktor 3 bei einer gleichzeitigen Änderung der Zeit um den Faktor 16 entspricht. Die Konzentrationsänderung ist somit nur geringfügig von der Zeitänderung abhängig.
In der Darstellung gemäss Fig. 2 geben die Punkte 37', 37*' und 37111 die Abhängigkeit der Dotierungskonzentration des langsamer diffundierenden Dotierungsmittels unter denselben Anfangsbedingungen und für die gleiche Zeitdauer an. Denselben Trend kann man auch für Bor beobachten, da dieses Dotierungsmittel einen langsameren Diffusionskoeffizienten in Siliciumoxyd hat, der Konzentrationsgradient in diesem Oxyd viel steiler ist und deshalb für eine gegebene Distanz die Konzentration um einen wesentlich grösseren Betrag fällt, woraus sich ergibt, dass die Oberflächenkonzentration für Bor viel kleiner als für Phosphor ist. Wenn der Diffusionskoeffizient des Dotierungsmittels in Siliciumoxyd abnimmt wird der Unterschied der Oberflächenkonzentration zwischen der dotierten Oxydschicht und der Silicium-Oberflächenkonzentration grosser. Für einen konstanten Partialdruck ist die Einwirkungszeit die einzige Steuermöglichkeit für die Beeinflussung der Oberflächen-Dotierungskonzentration. Somit kann bei der Verwendung einer oxydierenden Atmosphäre mit konstantem Druck die Konzentration des Dotierungsmittels an der Oberfläche des Siliciumsubstrats lediglich durch die Einstellung der Einwirkungszeit der Erwärmungstemperatur und der Oxydationsatmosphäre kontrolliert warden. In Fig. 2
- 14 - repräsentiert 309884/1155
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repräsentiert die Höhe der Linien 35 und 37 die Dotierungskonzentration in der dotierten Oxydschicht 30, der Oxyd- _Grenzschicht 36 und dem Substrat 11.
In den nachfolgenden Tabellen werden mehrere experimentell ermittelte Oberflächenkonzentrationen als Funktion der Einwirkungszeit für Oxydschichten gegeben, die mit Phosphor, Bor und Arsen dotiert sind. Entsprechende Ergebnisse lassen sich auch mit anderen Dotierungsmaterialien wie Antimon, Gallium, Indium usw. erzielen. In allen Fällen wurde der Partialdruck des Oxydationsmittels konstant und auf dem angegebenen Niveau gehalten.
- 15 - Tabelle I
309884/1155
I:
OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION, DOTIERUNGSMITTEL: PHOSPHOR
Temperatur Oxydationsmittel Partialdruck Einwirkungszeit in Minuten
4 16 36 64
HOO0C O2 1 atm 2,OxIO19 l,4xlO19 8,OxIO18 6,OxIO18
HOO0C H2O 1 atm 2,6xlO18 1,IxIO18 5,4xlO17 3,2xlO17
Substrat: Monokristallines Silicium, 111-Kristallstruktur
Anfängliche Dotierungskonzentration des Substrats: 10 Atome/cm*
Dotierungskonzentration der dotierten Oxydschicht: 1,2x10 Atome/cm
TABELLE II:
.J OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION, DOTIERUNGSMITTEL: BOR
""* Temperatur Oxydationsmittel Partialdruck Einwirkungszeit in,Minuten
cn 4 16 36 64
HOO0C ' O2 1 atm 8,8xlO19 5,IxIO19 3,2xlO19 l,2xlO19
HOO0C H2O 33 atm 4,7xlO18 2,7xlO18 l,7xlO18 O,65xlO18
Substrat: Monokristallines Silicium, 111-Kristallstruktur
Anfängliche Dotierungskonzentration des Substrats: 10 Atome/cm I0
Dotierungskonzentration der dotierten Oxydschicht: 3,4x10 Atome/cm <■**
cn - 16 - OO
TABELLE III
MO75P-1OO7
TABELLE III:
OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION, DOTIERUNGSMITTEL: ARSEN
Temperatur Oxydationsmittel Partialdruck Einwirkungszeit in Minuten
16 .36 64
CO CO GD #-■
HOO0C
HOO0C
H2O
atm
atm
l,2xlO20 8,5xlO19 5,8xlO19 4,7xlO19 2,OxIO19 l,5xlO19 1,OxIO19 7,OxIO18
Substrat: Monokristallines Silicium, 111-Kristallstruktur
Anfängliche Dotierungskonzentration des Substrats:
1015 Atome/cm3
Dotierungskonzentration der dotierten Oxydschicht: 1,6x10 Atome/cm
- 17 -
M075P-1OO7
In Fig. 3 wird durch die Linie 40 die Druckabhängigkeit der Dotierungskonzentration in der dotierten Oxydschicht 30, der Oxyd-Grenzschicht 36 und des Substrats 11 dargestellt. Die Punkte 41', 41" und 41'" kennzeichnen die Oberflächen-Dotierungskonzentration für verschiedene Partialdrücke. Im vorliegenden Fall sind die Kurven 41', 41'' und 41''· auf eine einzige Zeit tx normalisiert, nachdem die Wärme zugeführt wird und die oxydierende Atmosphäre angelegt ist. Man kann erkennen, dass die höchste Dotierungskonzentration, welche durch den Punkt 411 gekennzeichnet wird, bei einem niedrigen Partialdruck für das Oxydationsmittel erzielt wird. Ein mittlerer Partialdruck für das Oxydationsmittel führt zu. einer mittleren Oberflächen-Dotierungskonzentration gemäss dem Punkt 41'·, wogegen eine niedrige Dotierungskonzentration bei einem hohen Partialdruck gemäss dem Punkt 41fl? erzielbar ist. Dies ergibt sich, da, obwohl die Diffusionsgeschwindigkeit durch die Oxydschicht in einem gewissen Umfang durch den angehobenen Atmosphärendruck Vergrössert wird, der durch das Ansteigen des Umgebungsdruckes ausgelöste Anstieg der Wachstumsgeschwindigkeit für das Oxyd, dasAnsteigen der Diffusionsgeschwindigkeit weit übersteigt. Damit wird durch das Vergrössern des Partialdrucks für das Oxydationsmittel die Oberflächenkonzentration verringert.
Zusammenfassend gilt, dass eine Einstellung der Oberflächenkonzentration durch das Kontrollieren der Wachsturnsgeschwindigkeit einer undotierten Oxyd-Grenzschicht zwischen der dotierten Oxydschicht und der Siliciumoberflache erzielbar ist. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Oxyd-Grenzschicht wird mit Hilfe des Partialdrucks der Oxydationsmittel verändert. Diese Oxyd-Grenzschicht behindert das Eindiffundieren des Dotierungsmittels in das Silicium, wodurch die Konzentration dieses Dotierungsmittels in der Siliciumoberflache verringert wird. Von besonderem Vorteil ist, dass bei der Steuerung bzw. Einstellung der Dotierungskonzentration die Dicke der dotierten Oxydschicht die Kinetik des Wachstums der undotierten Oxydschicht nicht beeinträchtigt. Dies ergibt sich auch aus
3 O 98 8 4/^15 B der
MO75P-1OO7
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei welchen eine hoch mit Phosphor, Bor und Arsen dotierte Öxydschicht 30 einer schrittweisen Erhöhung des Partialdrucks für das Oxydationsmittel unterzogen wird.
- 19 - TABELLE IV
309884/1155
MO75P-1OO7
TABELLE IV:
OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION,DOTIERUNGSMITTEL: PHOSPHOR
Oxydationsmittel 1 atm 3/4 atm 1/2 atm 1/4 atm
1,6x10
2,1x10
19
3,3x10
19
9x10
19
H2O
1,1x10
1,3x10
18
1,9x10
18
3,5x10
18
Zeit: 16 Minuten
Temperatur: 1100 C
TABELLE V:
OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION, DOTIERUNGSMITTEL: BOR
Oxydationsmittel 1 atm 3/4 atm 1/2 atm 1/4 atm ,
8,0x10
1,0x10
20
1,4x10
20
2,1x10
20
H2O
Keine Dotierung Keine Dotierung Keine Dotierung 8,0x10
18
Do Di Zeit: 16 Minuten
D.
D.
Temperatur: 1100 C
0 atm
1,2x10
20
1,2x10
20
0 atm
3,4x10 3,4x10
20 20
- 20 -
TABELLE VI:
KJ CJ Ca)
TABELLE VI:
OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION, DOTIERUNGSMITTEL: ARSEN
MO75P-1OO7
Oxydationsmittel 1 atm
3/4 atm
1/2 atm 1/4 atm
Oatm
H2O
7,OxIO
18
1,5x10
19
3,7xlO
IQ
9,OxlO
IQ
Zeit:
16 Minuten
Temperatur: 1100 C
- 21 -
Im
Im praktischen Anwendungsfall wird-der Partialdruck des Oxydationsmittels dadurch geändert, dass der prozentuale relative Anteil des Oxydationsmittels in einem neutralen Trägergas geändert wird. Als Trägergas für Sauerstoff kann Stickstoff Verwendung finden, sodass der Reaktionsinnenraum z.B. auf einer Atmosphäre gehalten werden kann, wobei der Sauerstoff prozentual zur Änderung des Partialdrucks geändert wird.
Wie man sieht, lässt sich die Oberflächen-Dotierungskonzentration entweder durch Ändern der Einwirkungszeit oder durch Ändern des Partialdrucks variieren. Diese zwei Möglichkeiten führen zu einem Verfahren, das «iner extremen Automatisation zugänglich ist, derart, dass die dotierte Oxydschicht 30 nicht geändert werden muss, um die Oberflächen-Dotierungskonzentration auf dem verwendeten Substrat zu ändern. Der einzige zu ändernde Parameter ist entweder die Einwirkungszeit oder der Partialdruck des Oxydationsmittels, Der wichtige Faktor, der die Verwendung einer üblichen dotierten Oxydationsschicht für alle Dotierungssituationen zulässt, ist die Verwendung eines Oxydationsmittels in einer Atmosphäre, welche die dotierte Oxydschicht umgibt. Durch Einstellung entweder des Partialdrucks oder der Einwirkungszeit wird das Anwachsen der Oxydschicht gesteuert, um die gewünschte Oberflächen-Dotierungskonzentration zu erzielen. Die Notwendigkeit,verschiedene Konzentrationen in der für das Diffusionsverfahren verwendeten Oxydschicht vorzusehen entfällt, wenn das Oxydationsmittel in der umgebenden Atmosphäre enthalten ist.
Für den Fall, dass als Diffusionsquelle eine mit Arsen dotierte Oxydschicht Verwendung findet, lassen sich analoge Ergebnisse erzielen. Man hat festgestellt, dass Diffusionen aus einer solchen arsendotierten Oxydschicht mit einer grösseren Geschwindigkeit bei der Anwesenheit
- 22 - vor
309884/1155
ORIGINAL INSPECTED
MO75P-1GO7
von O- ablaufen, wogegen die Diffus ions geschwindigkeit bei der Verwendung von N- um einen Faktor fünf bis zehn geringer ist. Diese Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 7 zusammengefasst.
- 23 - TABELLE VII
309884/1185
TABELLE VII:
OBERFLÄCHEN-DOTIERUNGSKONZENTRATION, DOTIERUNGSMITTEL: ARSKN
Temperatur Reaktionsatmosphäre Partialdruck Einwirkungszeit in Minuten
45 120
O CO OO
1 10O0C
11000C
atm 7,0x10
atm 4,5x10
6xlO19
4,8x10
° O
1,5χ1Ο
3,7XlO20
- 24 -
In
MO75P-1007
In der Tabelle VII sind die Daten für eine Oberflächen-Dotierungskonzentration in Abhängigkeit von der Diffusionsteit angegeben, und zwar für eine arsendotierte Oxydschient in einer reinen Sauerstoffatmosphäre (O2) sowie in einer reinen Stickstoffatmosphare (N7). Aus den Angaben Vann man entnehmen, dass die Oberflächen-Dotitruagskonzen■ tration in einer ö~-Atmosphäre grosser "Is τ.ι ^ ine τ N7-Atmosphäre ist. Weshalb dies der Fall ist l.i-.rt sich zur Zeit nicht erklären. Es v;irc jedrcn angenciri^rn,- dass für einige Bereiche des Partie!drucks bei O, diffundierende Arsen-Silikatkomplexe der Art As. Si 0 entstehen, die die
χ / ζ
Reaktionsgeschwindigkeit an der Oxyd-Silicium-Gren.zschicht vergrössern und dadurch eine höhere Oberflachen-Dotierungs- konzentration für Diffusionen in einer C^-Atmosphäre gegen über der Konzentration bei der Verwendung eine» ^-Atmosphäre verursachen.
Nachfolgend wird dieses Phänomen verwendet, um ein verbessertes Herstellungsverfahren für PNP-Transistoren zu schaffen, welche einen Basis-Kontaktbereich mit niedrigem Widerstand haben.
In Fig. 4a bis 4d sind verschiedene Halbleiterstrukturen während der Herstellung eines PNP-Transistor gemäss der Erfindung dargestellt, wobei ein vergrösserter Basis-Kontakt-Biffusionsbereich durch die Verwendung einer Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird, damit die Diffusion aus einer mit Arsen dotierten Oxydschicht verstärkt wird.
Gemäss Fig. 4a ist auf einem stark P-dotierten Substrat ein verhältnismässig leicht dotierter P-Bereich 51 vorgesehen, der epitaxial aufgewachsen sein kann. Darüber ist eine nicht dotierte passivierende Oxydschicht S2 angebracht, die mit einer öffnung 53 versehen ist, um einen Teil der P-leitenden Schicht 51 freizulegen. In Fig. 4b ist der
- 25 - Halb]eiteraufbat.· 3 0 9 R iU /115 5
Kalbleiteraufbau na^h dt dotierten Qxy.:: schicht ο 5 verhältnismäs iig leicht bereiches 57 in einer m.: Die lif fusion geht "j;: : 3US ur»d wirkt. r,x-r : ..e-Schicht 51. Li' Fir. j:.; .
wobei ein Teil der r:*.-r. .■".-">■. "' :■ :■ * -:
über einen T'- ■.! des Β=:κ ■.·.':;■ ■■■;.lc·:-..-« in weichen ei;· verhalt;;: sn::-:.3.?i£ hf wünschenswert ist, Als z^^i^er \>r erfolgt eine kontinuierljclu'- 3irf .
einer Sauers torf atmosphäre durch ::^i v^xnang 5J, aui
der noch vorhandenen mit Arse ..,-^^-"-tin 0: ;fds;-ij.cht ES
Der schwer dotierte N -leitetet Γ -, in s-.-:or t^Kt1^: ·■- ...-.hCC
ergibt sich aus dieser zweiten Diffusion Kc'./^i .5 Iv ichzeitig eine dünne Oxydschich+ 61 über dem verbloibeirlen leicht, dotierten Basisbereich 57 entsteht« In Fig. 4d
ist der endgültige Aurbau dargestellt, nach cleir. weitere Verfahrensschritte durchgeführt wurden., um Öffnungen 6i vorzusehen und eine P -leitende Erdtterdiffusio'.·. 57
von einer Diffusionsquelle aus zu bewirken, Ein nach
dem beschriebenen Verfahren hergestellter PNP-Transistor hat wesentlich gleichförmigere charakteristische Bijenschaften wege::.der t^infacrhtit des "Erfahrejg, dis die
Anzahl der Defekte erzeuger.^rt \>:/'fa"':-T.-ns3c;irit:s verringert und dadurch die Ausbeute erhöht.
In Fig. 5 ist sin Di f £uci 0::.s=.'^νχΐΐΛΤ·^^ für .fν;ei *"β"-ί ..,"hied Konzentrationer; e:n,'S Dotit-'T:_.:g!iriTtsls ,^j? :e:iell··;;:
dotierten Oxy·.;schicht herav.:-. ι·: ef'■■/:: :"!■ ·;.' rs-t. II^r^tvdluT verfahren dargestellt. .Der halb".- ^:. rs: \u. ."■■:·:■■ iemass rig. umfasst ein p'^rk dotiertes Ha lh ?,;■■: Cc;r':,:b5ttat 70 eines
MO7 5P-1OO7
ersten Leitfähiglceitstyps und darüber einen verhältnismässig leicht dotierten Bereich 71 vom selben Leitfähigkeitstyp. Über der Schicht 71 ist eine undotierte passivierende Oxydschicht 7 2 angeordnet, die mit einer Öffnung 7 5 versehen ist, um einen Teil der Oberfläche der Schicht freizulegen. Der Aufbau gemäss Fig. 5b zeigt diese Struktur, nachdem mehrere Verfahrensschritte abgelaufen sind, wobei eine stark dotierte Oxydschicht 74 mit einer Dotierung eines zweiten Leitfähigkeitstyps über der Oxydschicht 72 und dem freigelegten Teil 71 durch die öffnung 75 aufgebracht ist. Eine Silicium-Nitridschicht 76 ist auf der dotierten Oxydschicht angebracht und mit einer, Oxydschicht 78 überzogen, wobei die Nitridschicht 76 mit Hilfe eines fotolittographischen Verfahrens in einer gewünschten Form gemustert sein kann. In Fig. 5c ist der Halbleiteraufbau dargestellt, nachdem ein Teil der Oxydschicht 78 mit einem geeigneten Ätzmittel entfernt wurde, das die Silicium-Nitridschicht nicht angreift. Anschliessend ist ein Teil der Silicium-Nitridschicht 76 mit einem weiteren Ätzmittel entfernt worden, das die Siliciumdioxyschicht nicht angreift. Der verbleibende Teil der Oxydschicht 78 dient als Maske für die Silicium-Nitridschicht 76, sodass nach diesen Verfahrensschritten der Aufbau gemäss Fig. 5c erhalten wird. In Fig. 5d ist der Halbleiteraufbau nach einer Diffusion aus der dotierten Oxydschicht 74 in Anwesenheit einer entsprechenden Atmosphäre dargestellt, die die Diffusion aus dieser dotierten Oxydschicht heraus verstärkt. Dadurch erhält man stark dotierte Bereiche 84 neben und in Kontakt mit dem flachen verhältnismässig leicht dotierten Bereich 82, wobei die Bereiche 82 und 84 vom zweiten Leitfähigkeitstyp sind. Man kann erkennen, dass dieser Halbleiteraufbau dem Aufbau gemäss Fig. 4d entspricht. Die beschriebenen Verfahren können dazu verwendet werden, um Transistoren mit einem verhältnismässig niederohmigen Basis-Kontaktbereich
- 27 - herzustellen
36 U r\
MO75P-1OO7
herzustellen. In Fig. 5e ist ein Halbleiteraufbau dargestellt, der sich ergeben würde, wenn die Diffusion aus der dotierten. Oxydschicht 74 in einer Atmosphäre abläuft, die die Diffusion aus der dotierten Oxydschicht heraus verzögert ablaufen lässt. In diesem Fall ergeben sich die leicht dotierten Bereiche 86 an den Stellen, an welchen die Nitridschicht 76 entfernt wurde, und der tiefere Bereich 88 mit höherer Konzentration durch eine unbehinderte Diffusion aus der dotierten Oxydschicht 74, die unmittelbar unter der verbleibenden Nitridschicht 76 liegt. Diese beiden unterschiedlichen Dotierungsschritte laufen gleichzeitig ab.
Vorausstehend wurde ein Verfahren zur kontrollierten Herstellung von Oberflächen-Dotierungskonzentrationen in einem Halbleitermaterial beschrieben,mit welchen das Dotierungsmittel aus einer dotierten Oxydschicht als Quelle für das Dotierungsmittel heraus eindiffundiert wird. Das Verfahren umschliesst die Verwendung einer oxydierenden Atmosphäre während der Dotierung, wodurch das Wachsen einer Sperroxyd-Grenzschicht bewirkt wird, um die Dotierung des Substrats zunehmend zu verringern. Die Steuerung des Verfahrens erfolgt durch die Einstellung des Partialdrucks für das Oxydationsmittel und durch die Einwirkungszeit, während welcher das Halbleitermaterial in der Diffusionskammer gehalten wird. Das Verfahren lässt die Verwendung von herkömmlichen hoch dotierten Oxydschichten zu, um verschiedene, jedoch steuerbare Oberflächen-Dotierungskonzentrationen durch Diffusion aus dieserdotierten Oxydschicht heraus in das Halbleitermaterial zu schaffen. Dies erfolgt durch die Überwachung der Wachstumsgeschwindigkeit für die Sperroxyd-Grenzschicht, welche aus der Verwendung der oxydierenden Atmosphäre resultiert. Dieses Verfahren zur kontrollierten Dotierung von Oberflächen kann bei der Herstellung unterschiedlichster Halbleiteranordnungen Verwendung finden und insbesondere für Transistoren und integrierte Schaltkreiselemente.
- 28 - Patentansprüche 309884/1155

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum Dotieren von Halbleitermaterialien mit einem stark dotierten Substratbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem darüber angeordneten zweiten Bereich desselben Leitfähigkeitstyps mit verhältnismässig leichter Dotierung, wobei auf dem zweiten Bereich eine erste Oxydschicht angebracht und in dieser zumindest eine öffnung zum Freilegen des zweiten Bereiches angebracht wird und ferner über der ersten Oxydschicht sowie dem freigelegten zweiten Bereich eine zweite Oxydschicht mit verhältnismässig starker Dotierung eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, dadurch g e -kennze ichnet, dass eine erste Maskierschicht auf der dotierten zweiten Oxydschicht angebracht wird, dass eine zweite Maskierschicht auf der ersten Maskierschicht angebracht wird, dass die zweite Maskierschicht einer Atzung unterzogen wird, um einen ersten Bereich der ersten Maskierschicht innerhalb der ersten öffnung in der ersten Oxydschicht freizulegen, wobei ein erster Teil der zweiten Maskierschicht in dieser öffnung erhalten bleibt, dass der erste Bereich der ersten Maskierschicht mit einem zweiten Teil neben dem ersten Teil einer Atzung unterzogen wird, um einen dritten Teil der dotierten zweiten Oxydschicht freizulegen, und dass das Substrat in Anwesenheit einer umgebenden Atmosphäre auf eine geeignete Temperatur gebracht wird, wobei die umgebende
    309884/1155
    Atmosphäre eine -Diffusion der dotierenden Störstellen aus dem dritten Teil der dotierten zweiten Oxydschicht in den zweiten Bereich mit einer ersten Diffusionsgeschwindigkeit verursacht und wobei die umgebende Atmosphäre ferner eine Diffusion der dotierenden Störstellen aus einem Teil der dotierten Oxydschicht unter dem zweiten Teil der ersten Maskierschicht mit einer zweiten Diffusionsgeschwindigkeit verursacht, wodurch in einem einzigen Erwärmungsschritt ein diffundierter Bereich geschaffen wird, der Teile mit im wesentlichen unterschiedlichen Leitfähigkeiten aufweist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Silicium und die die zweite Leitfähigkeit verursachendeiStörstellen aus Arsen bestehen, dass die umgebende Atmosphäre ein Oxydierungsmittel enthält und dass die erste Maskierschicht aus Siliciumnitrid und die zweite Maskierschicht aus Siliciumdioxyd besteht.
  3. 3. Verfahren zur Dotierung von Halbleitermaterialien bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung, wobei eine erste Oxydschicht mit einer ersten Öffnung auf einer verhältnismässig leicht dotierten ersten Halbleiterschicht einer ersten Leitfähigkeit ausgebildet wird und die erste Schicht auf einer verhältnismässig stark dotierten Halbleiter-Trägerschicht der ersten Leitfähigkeit angebracht ist, wobei ferner auf der ersten Oxydschicht eine verhältnismässig stark dotierte zweite Oxydschicht einer zweiten Leitfähigkeit angebracht wird, die die erste Halbleiterschicht durch die erste öffnung berührt und wobei ferner das Halbleiter-Trägermaterial erwärmt wird, um die Störstellen aus der zweiten Oxydschicht in die erste Schicht in Gegenwart einer ersten Umgebungsatmosphäre zu diffundieren und einen ersten Bereich der zweiten Leitfähigkeit in der
    30988i/1155
    ORIGINAL JNSPECTED
    MO75P-1OO7
    ersten Schicht von annähernd dem gleichen Ausmass wie die erste öffnung auszubilden, indem die erste Oxydschicht als Diffusionsmaske wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite öffnung in der dotierten zweiten Oxydschicht angebracht wird, und dass beim Erwärmen des Halbleiterträgers die Diffusion des ersten Bereiches in Anwesenheit einer zweiten Umgebungsatmosphäre weitergeführt wird, wobei die zweite Umgebungsatmosphäre in der Art ausgebildet ist, dass die Diffusion der Störstellen vom zweiten Leitfähigkeitstyp aus der dotierten zweiten Oxydschicht verstärkt wird, wobei die weitergeführte Diffusion mit einer erhöhten Geschwindigkeit unter dem verbleibenden Bereich der dotierten zweiten Oxydschicht auftritt, sodass der erste Bereich eine verhältnismässig leicht dotierte innere Zone und eine verhältnismässig stark dotierte äussere Zone erhält.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterträger aus Silicium besteht, und dass das Halbleitermaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp P-leitend und das Halbleitermaterial vom zweiten Leitfähigkeitstyp N-leitend ist, wobei die zweite Leitfähigkeit durch Arsen erzeugt wird.
  5. 5. * Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umgebungsatmosphäre aus Stickstoff besteht und dass die zweite Umgebungsatmosphäre ein Oxydationsmittel enthält.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein verhältnismässig stark dotierter zweiter Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp in den verhältnismässig leicht dotierten Teil des ersten Bereiches diffundiert wird, um einen Transistor zu schaffen, dass die erste Schicht den Kollektor, der leicht dotierte mittlere
    309884/1155
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    Bereich des ersten Bereiches die Basis des Transistors bildet, wobei der stark dotierte Randteil des ersten Bereiches einen Basis-Kontaktbereich bildet und der zweite Bereich den Emitter des Transistors darstellt.
    309884/1 1 55
    - Le e r s e i t β
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4974880A (de) * 1972-11-20 1974-07-19
US4006046A (en) * 1975-04-21 1977-02-01 Trw Inc. Method for compensating for emitter-push effect in the fabrication of transistors
US4102715A (en) * 1975-12-19 1978-07-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for diffusing an impurity into a semiconductor body
JPS52153373A (en) * 1976-06-15 1977-12-20 Toshiba Corp Preparation of semiconductor device
US4217375A (en) * 1977-08-30 1980-08-12 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Deposition of doped silicon oxide films
JPS5635464A (en) * 1979-08-30 1981-04-08 Toshiba Corp Formation of npn type transistor
US4472212A (en) * 1982-02-26 1984-09-18 At&T Bell Laboratories Method for fabricating a semiconductor device
EP0101737A4 (de) * 1982-02-26 1984-08-20 Western Electric Co Diffusion untiefer regionen.
US4471524A (en) * 1982-06-01 1984-09-18 At&T Bell Laboratories Method for manufacturing an insulated gate field effect transistor device
CA1198226A (en) * 1982-06-01 1985-12-17 Eliezer Kinsbron Method for manufacturing a semiconductor device
JPH0397224A (ja) * 1989-09-11 1991-04-23 Toshiba Corp 半導体装置の製造方法
US5494852A (en) * 1993-07-28 1996-02-27 Sony Electronics Inc. High capacity semiconductor dopant deposition/oxidization process using a single furnace cycle
US5792280A (en) * 1994-05-09 1998-08-11 Sandia Corporation Method for fabricating silicon cells
US6057216A (en) * 1997-12-09 2000-05-02 International Business Machines Corporation Low temperature diffusion process for dopant concentration enhancement
JP4870908B2 (ja) * 2004-01-23 2012-02-08 エルピーダメモリ株式会社 半導体装置の製造方法
KR100666564B1 (ko) * 2004-08-04 2007-01-09 삼성에스디아이 주식회사 박막트랜지스터의 제조 방법
TWI501292B (zh) 2012-09-26 2015-09-21 Ind Tech Res Inst 形成圖案化摻雜區的方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3575742A (en) * 1964-11-09 1971-04-20 Solitron Devices Method of making a semiconductor device
US3450961A (en) * 1966-05-26 1969-06-17 Westinghouse Electric Corp Semiconductor devices with a region having portions of differing depth and concentration
US3489622A (en) * 1967-05-18 1970-01-13 Ibm Method of making high frequency transistors
JPS5415663B2 (de) * 1971-12-29 1979-06-16
JPS495595A (de) * 1972-05-02 1974-01-18
JPS551687B2 (de) * 1972-07-06 1980-01-16

Also Published As

Publication number Publication date
JPS4965182A (de) 1974-06-24
FR2191273A1 (de) 1974-02-01
US3808060A (en) 1974-04-30

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