DE2519360C2 - Mittel zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat und dessen Verwendung - Google Patents

Mittel zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat und dessen Verwendung

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Description

mit π zwischen O und 12 ist, und einem flüssigen Alkoxialkanol der allgemeinen Formel
R'-R"-OH,
wobei die Alkoxigruppe R' und die Alkylengruppe R" fünf Kohlenstoffatome aufweisea besteht
2. Mittel zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Verbindung der allgemeinen Formel AlR3, wobei R eine Cr bis Cg-Alkoxi-Gnippe oder
-OOC-iCH^-COO-Gruppe
mit π zwischen O und 12 ist, und Äthoxiäthanol besteht
3. Mittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein ülykot enthält
4. Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß R
gleich
CHj
-L-CH
CM, ist.
5. Verwendung des Mittels nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei einem Halbleitersubstrat das mit einer Maske aus von polykristallinem Silicium überzogenen Siliciumoxid versehen ist.
Die Erfindung betrifft ein Mittel zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat, insbesondere mittels des sogenannten »Paint-on«-Verfahrens sowie die Verwendung dieses Mittels.
Das »Pain(-on«-Verfahrcn besteht bekanntlich darin, auf die Oberfläche eines llalbleitersubstrates eine Lösung oder eine Suspension einer den DotierslofF enthaltenden Verbindung aufzutragen, das Lösungsmit tel zu verdampfen oder zu zerstören und schließlich das mit der den Dotierstoff enthaltenden Verbindung überzogene Substrat in einem Ofen erhöhter Temperaturen auszusetzen, wobei die Höhe der Temperatur und Behandlungsdauer die verschiedenen Parameter der gewünschten Diffusionsschicht begrenzen (vgl. DE-OS 20 07 753).
Auch ist in der Halbleitcrtcchnik bekannt, daß unter den Dotierstoffen vom Typ P, wie Aluminium, Bor, Gallium und Indium, das Aluminium den besonderen Vorlcil hat, in Verbindung mit einem N-Substrat wie Silicium Grenzschichten /u schaffen, die sehr hohe Spannungen aushalten können, ledoch wird Aluminium in der llalbleilertechnik nur in geringem Umfang ve; λ endet, weil seine Anwendung in der Praxis zahlreiche Probleme aufwirft. So ist Aliiminiumoxyd
AI2O3 eine schwerdissoziierbare Verbindung, die praktisch nicht als Diffusionsquelle verwendet werden kann. Infolgedessen hat man Aluminiumdiffusionen in abgeschlossenem Rohr durchgeführt, um die Oxidation von Aluminium zu vermeiden; dabei hat sich jedoch als weiterer Nachteil herausgestellt, da die bei diesem Verfahren in abgeschlossenem Rohr gewöhnlich verwendeten Umhüllungen aus Quarz sind, daß der Quarz mit dem Aluminium gemäß der folgenden bekannten Gleichung reagiert:
3 SiO2+4 AU 2 AI2O3+ 3 Si.
Hieraus folgt daß die Dampfspannung des Aluminiums in Gegenwart von Quarz niedriger als die Dampfspannung ist die man für das Aluminium bei der Behandlungstemperatur erzielen könnte. Bei Durchführung der bekannten Diffusion im geschlossenen Rohr in einer Quarzumhüllung überschreitet die Oberflächenkonzentration des Aluminiums (Csai) 10" Atome je Kubikzentimeter nicht oder nicht erheblich. Darüber hinaus bildet sich bei diesem grundlegenden Prozeß auf der Zone, in weiche Aluminium eindiffundicrt ist eine Diffusionszone vom Typ N aufgrund einer Verunreinigung durch den Quarz. Man muß deshalb auf diverse relativ komplizierte Techniken zurückgreifen, um Aluminiumdiffusionen in einem Substrat mit relativ hohen Oberflächenkonzentrationen (größer als 10" Atome/cm3) zu erreichen, wie es beispielsweise in dem Aufsatz »Diffusion of Aluminium in Single Crystal Silicon« von R. C. Miller und A. Savage im Journal of Applied Physics, Vol. 27, Nr. 12 vom Dezember 1956, S. 1430- 1432 oder in dem Aufsatz »On the Diffusion of Aluminium into Silicon« von Y. C. Kao, veröffentlicht in Electrochemical Technology, Vol. 5, Nr. 3 — 4, März/ April 1967. S. 90-94,beschrieben ist
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Mittel zu schaffen, mit dem insbesondere nach dem »Pain;-on«- Verfahren Aluminium in hoher Konzentration in ein Substrat insbesondere Silicium, ei, diffundiert werden kann. Im Anspruch 5 ist eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Mittels angegeben.
Das Alkoxialkanol bzw. -äthanol hält die Aluminium-Verbindung in Lösung oder in Suspension.
Eine bevorzugte organische Aluminiumverbindung ist ein Aluminium-Isopropylat mit der Formel
Al —
CH3
0 —CH
CH,
Zufriedenstellende Versuche wurden ferner mit Triäthoxialuminium AI2(OC)H-,)). das bei Raumtemperatur fest ist. durchgeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführung wurde ein Aluminium-Isopropylat mit maximaler Löslichkeit in Äthoxiäthanol gelöst, d. h. mit einer Löslichkeit benachbart von 0.03 g/cm1. Anschließend wurde diese Lösung mit Hilfe eines das Zählen der Tropfen ermöglichenden Tropfers auf eine Siliuum-Subsiratschcibe aufgebracht, wobei die Verteilung der Lösung
*'' auf der Scheibe durch Zentrifugieren mit einer bevorzugten Rolationsgcschwindigkeit son 3000 U/min erreicht wurde. Diese Rotationsgeschwindigkeit ist kritisch und variiert mit der Viskosität der Mischung.
Um diese Viskosität >■.■ verbessern, wurde ein Glykol zugegeben, insbesondere Äthylenglykol (C3H6O3), wobei ein Fünfte! auf vier Fünftel der Lösung zugegeben wurden. Anschließend wurde das Lösungsmittel durch Erhitzung auf eine Temperatur über 300°C beseitigt. Darauf fand die Diffusion in offenem Rohr je nach dem angewendeten bekannten Verfahren in neutraler oder oxidierender Gasatmosphäre statt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Kurve, welche die Aluminiumkonzentration (C(Xj)von Atomen je cm3 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe χ in μπι in ein Substrat darstellt, und
Fig. 2 ist eine Kurve, die die Aluminiumkonzentration (C(Xj) und diejenige eines anderen Dotierungsstoffs in Atomen je cm3 in Abhängigkeit von der Eindringtiefe χ in μιτι in ein Substrat darstellt.
Die in Fig. 1 dargestellte Aluminiumkonzentraiion ergab sich nach Auftragen durch das oben beschriebene Lackieren und eine Diffusion während drei Stunden bei 1300°C. In Ordinatenrichtung ist diese Aluminiumkonzentration Qx) in Atomen/cm3 aufgetragen, und in Abszissenrichtung die Eindringtiefe in μπι ausgehend von der Substratoberfläche. Man sieht, daß eine Oberflächenkonzentration C1 in der Größenordnung von 1017 Atomen/cm3 erhalten wurde, und daß der durch Berechnung ermittelte Diffusionskoeffizient bei 7.8 · 10" cmVsec liegt, wobei die totale Diffusionstiefe bei 50 μπι liegt. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung liegt ein Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens darin, daß es die gleichzeitige Diffusion unterschiedlicher Dotierungsstoffe in einfacher Weise ermöglicht. Wie oben gesagt hat das Aluminium den Vorteil, Grenz- oder Sperrschichten zu liefern, welche sehr hohe Spannungen aushalten. Aluminium hat jedoch den Nachteil, daß die Oberflächenkonzentration allgemein gering ist, wobei ein guter Ohmscher Kontakt mit einer Elektrode zugegebenermaßen Konzentrationen der Dotierungsstoffe an der Oberfläche der Größenordnung von 1019 Atomen/cm2 oder mehr erfordert. Somit ist es beispielsweise zur Realisierung lediglich einer Diode erforderlich, einen zweiten Dotierungsstoff des gleichen Typs wie Aluminium bereitzustellen, d. h. des Typs P, um auf der mit Aluminium dotierten Scnicht eine zweite dotierte Schicht zum Erzeugen des Ohmschen Kontaktes zu bilden.
Das oben beschriebene Lackierverfahren hat allgemein den Vorteil, daß Diffusionen gleichzeitig bewirkt werden können, indem nacheinander durch »painting« die oben beschriebene Mischung auf Aluminiumbasis oder eine Mischung mit einem anderen Dotierungsstoff desselben Typs oder entgegengesetzten Typs (gleichzeitige homopolarc oder hcteropolare Diffusion) aufgetragen werden.
Aufgrund des hohen Diffusionskocffizienten von Aluminium ist in der Mehrzahl der Fälle eine Tiefendiffusion von Aluminium und eine Oberflächendiffusion eines anderen Dotierungsstoffes möglich. Das Verfahren, bei dem eine erste Schicht aus dem aluminiumhaltigcn Mittel auf dem Substrat und anschließend eine zweite Schicht aus einem einen anderen Dotiertingsstnff enthüllenden Mittel aufgetragen wird, hat den augenscheinlichen Nachteil, cm zweistufiges Auftragen zu erfordern, das zwei aufeinanderfolgende Trocknungen, sowie Vorsichtsmaßnahmen hinsichtlich der Reinheit zwischen den beiden Phasen der aufeinanderfolgenden Beschichtungen erfordert Ein Vorteil des oben beschriebenen aluminiumhaltigen Mittels besieht darin, daß die beschriebenen Lösungsmittel und insbesondere Äthoxyäthano! gleichzeitig Lösungsmittel (oder Suspensionsmittel) für andere Dolierungsstoffe sind, die ebenfalls durch »painting«
ίο aufgetragen werden können.
Anhand der F i g. 2 wird eine bevorzugte Ausführung einer gleichzeitigen Diffusion beschrieben, bei der der zweite Dotierungsstoff Bor, d. h. vom gleichen Typ P wie Aluminium, ist. Eine Suspension von Boroxyd B2Oj
wird in Äthoxyäthanol mit folgenden Anteilen hergestellt: 50 cm3 Äthoxyäthanol und 1 bis 20 Gramm Boroxyd B3O3. Anschließend werden gleiche Volumenanteile der aluminiumhaltigen und der borhaltigen Mischungen zusammengebracht und gemischt, und diese Mischung wird auf dem Siliciumsubstrat aufgetragen. Die Kuiven nach Fig. 2 zeigen die Konzentration der Dotierungsstoffe in Atomen je cn: ,n Abhängigkeit von der Eindringtiefe χ in μπι. Die Kun e 1 stellt die Aluminiumkonzentration und die Kurve 2 die Borkonzentration dar. Man stellt fest, daß für eine Diffusionsdauer von 18 Stunden bei einer Temperatur von 1250°C eine mit Aluminium dotierte Zone zwischen 50 und 80 μπι und eine mit Bor und Aluminium dotierte Zone einer Tiefe zwischen der Oberfläche und einer Tiefe von etwa 50 μπι erzielt werden, wobei die Oberflächenkonzentration der P-Dotierung bei 3 ■ 10-° Atomen/cm3 liegt und die Diffusionskoeffizienten des Aluminiums und des Bors bei DAi=3 ■ 10" cnWs und Di3=I1I · 10" cm2/s liegen.
J5 Im Stand der Technik wurde, wie insbesondere in dem Aufsatz »The Preparation and Properties of Amorphous Silicon Nitride Films« von T. L. Chu. Lee und Gruber, Journal of Electrochemical Society (Solid State Science), Juli 1967, Vol. 114, Nr. 7, S. 717-720
•40 beschrieben ist. Siliciumnitrid Si3N4 verwenden um Masken zu schaffen, mit deren Hilfe sich lokale Diffusionen von Aluminium in einem Substrat verwirklichen lassen. Die Anmelderin hat festgestellt, daß bei dem speziellen Verfahren durch »painting«, wie es oben beschrieben wurde, eine solche Maske auigrund der relativ hohen Temperaturen (z. B. 125(TC) wirkungslos ist. Ebenso wird eine am häufigsten verwendete Maske aus Silicium durch das Aluminium angegriffen. Infolgedessen ist gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung nach umfangreichen Untersuchungen von der Anmelderin experimentell festgestellt worden, daß eine Siliciumoxydmasse, die mit polykristallinem Silicium bedeckt ist. wirkungsvoll die Aluminium-Diffusion bei dem oben beschriebenen Verfahren zu stoppen vermag. Es wurde
)5 beoba /n-et, daß bei einer Diffusion von Aluminium mit dem oben beschriebenen Verlahrcn bei 1240 "C während 14 bis 30 Stunden eine Siliciumoxidschichi vor, mehr als 1,5μιτι die Aluminiumdiffusion nicht vollständig zu stoppen vermag, während eine Siliciumoxyd-
w> schicht von 0.6 μ in. die von einer 4 μπι starken Schicht aus polykristallincin Silicium bedeckt ist, von dem Aluminium nicht durchdrungen wird,
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patemanspruche:
1. Mittel zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Verbindung der allgemeinen Formel AIRj1 wobei R eine Ci- bis Ca-Alkcxi-Gnippe oder
DE2519360A 1974-08-01 1975-04-30 Mittel zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat und dessen Verwendung Expired DE2519360C2 (de)

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