DE2614324A1 - Verfahren zur herstellung einer schichtbildenden loesung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer schichtbildenden loesung

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DE2614324A1
DE2614324A1 DE19762614324 DE2614324A DE2614324A1 DE 2614324 A1 DE2614324 A1 DE 2614324A1 DE 19762614324 DE19762614324 DE 19762614324 DE 2614324 A DE2614324 A DE 2614324A DE 2614324 A1 DE2614324 A1 DE 2614324A1
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Boris Georgijevitsch Gribov
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BOGDANOVA LJUBOV NIKOLAJEVNA
GRIGOS VLADIMIR IVANOVITSCH
KOSYRKIN BORIS IVANOVITSCH
MIRONOV VLADIMIR FLOROVITSCH
PETSCHURINA SVETLANA JAKOVLEVNA
SINOVJEV KONSTANTIN VLADIMIROVITSCH
SVJOSDOTSCHKIN ALEXANDR REVISOVITSCH
Original Assignee
BOGDANOVA LJUBOV NIKOLAJEVNA
GRIGOS VLADIMIR IVANOVITSCH
KOSYRKIN BORIS IVANOVITSCH
MIRONOV VLADIMIR FLOROVITSCH
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    • H01L21/22Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
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Description

  • VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SCHICHT-
  • BILDENDEN LÖSUNG Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen, die zur Abscheidung von glasartigen Schichten bestimmt sind, die mit Bor dotiert sind und Quellen zur Diffusion von Bor in Silizium darstellen.
  • Die Erfindung kann in der Halbleiter-Mikroelektronik für die Herstellung von Tansistorstrukturen und integrierten Schaltungen verwendet werden.
  • Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen, die zur Vergütung von optischen Bauelementen, optischen Deckschichten mit verschiedenen Reflexionseigenschaften, Beleuchtungs- und Lichtfiltern verwendet werden (Suikovskaya P.V., khimicheskie mctody poluchenia prosrachnykh plenok /Chemische Verfahren zur Herstellung von durchsichtigen Dünnschichten/, Verlag "Chemie", L., 1971; Schröder Ch., Abscheidung von Oxidschichten aus organischen Lösungen - 8. Sammelheft ~Physik der Dünnschichten, Hrsg. von G. Hass und R.E. Thun, Ubersetzung aus dem Englischen, M., Verlag Mir, 1972, B. 5).
  • Dieses Verfahren besteht in aufeinanderfolgender Vermischung von Tetraäthoxysilan mit einem organischen Lösungsmittel und mit Wasser sowie nachfolgender Einführung in das gewonnene Gemisch von Säurekatalysatoren - Mineralsäuren, beispielsweise Salz- oder Salpetersäure in 0w1 Mol/l. Die gewonnene Lösung wird dann einige Stunden bzw. Tage lang zur Reifung stehengelassen.
  • Allerdings sind diese Lösungen zum Aufbringen von Schichten - Quellen zur Diffusion von Donator- und Acceptorzusätzen in Halbleitermaterialien - ungeeignet, weil sie keine entsprechenden Dotierungsverbindungen enthalten.
  • Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen zur Dotierung von Halbleitermaterialien mit verschiedenen Zusätzen - Bor, Antimon, Arsen, Zink (US-PS Nr. 3 660 156).
  • Das erwähnte Verfahren besteht darin, daß Tetraäthoxysilan ein Dotierungszusatz, beispielsweise B(QC2H5)3, und ein Katalysator, beispielsweise TiCl4, jedes einzeln in einem wasserfreien organischen Lösungsmittel, beispielsweise wasserfreiem Äthylalkohol, gelöst werden. Danach werden alle drei Lösungen zusammengegossen, und in das Gemisch wird ein bestimmtes Volumen an Eisessig eingeführt, das Gemisch wird in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter zur Reifung bis zu 2 Tagen lang stehengelassen, wonach die Lösung zur Anwendung bereit ist.
  • Allerdings ist dieses Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen mit der unvermeidlichen Benutzung von wasserfreiem wthylalkohol (oder anderen Lösungsmitteln, die keine Feuchtigkeit enthalten) verbunden und durch eine komplizierte Zubereitung der Lösungen gekennzeichnet. Außerdem besitzen diese Lösungen eine hohe Hygroskopizität und enthalten einen Überschuß an Essigsäure, was die Stabilität der Lösungen herabsetzt und die Qualität der aus ihnen hergestellten Schichten (Bordiffusionsquellen ) verschlechtert.
  • Bekannt ist ferner ein anderes Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen zur Dotierung von Halbleitermaterialien mit verschiedenen Zusätzen, darunter auch mit Bor.
  • Dieses Verfahren besteht in folgendem: 1. Zu Tetraäthoxysilan werden organische Lösungsmittel und Wasser hinzugefügt, wobei die Konzentration von Tetraäthoxysilan in der Lösung gegen 20 Gew.-FÓ, die Wassermenge aber gegen 7 Mol je 1 Mol Tetraäthoxysilan beträgt; 2. In das Gemisch wird ein Dotierungszusatz - eine chemische Verbindung eingeführt, die eine Donator- bzw. eine Acceptorbeimischung enthält, die zur Diffusion bei der Herstellung von Halbleitergeräten erforderlich ist, und zwar die Borsäure, die zugleich den Katalysator des Reifungsprozesses der Lösung darstellt; 3. Die Lösung wird eine Zeit lang zur Reifung stehengelassen, wodurch polymere Ester der Orthokieselsäure gebildet werden und die Lösung schichtenbildende Eigenschaften erhält.
  • Die gewonnene schichtenbildende Lösung wird auf die folgende Weise verwendet: a) mit einer Pipette wird nicht mehr als 1 ml dieser Lösung auf die Oberfläche einer Halbleiterplatte aufgetragen, die sich in einer Zentrifuge dreht. Die Aufbringung der Lösung kann auch durch Pulverisieren oder auf eine andere ähnliche Weise geschehen; b) die Halbleiterplatte mit der aufgebrachten Schicht wird einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 600 - 650 0C an der Luft 30 sek lang unterzogen. Bei der Wärmebehandlung wird infolge der Zersetzung der polymeren Ester der Orthokieselsäure und der Borsäure Borsilikatglas - die Bordiffusionsquelle - gebildet.
  • Die Dicke der hergestellten Schichten (im Bereich von 0,1 bis 0,3 lun) wird durch Drehzahländerung der Zentrifuge, der Gehalt an Dotierungszusatz (3203) in der Schicht aber durch Konzentrationsänderung des Dotierungszusatzes in der Lösung geregelt. Die hergestellten Schichten des Borsilikatglases werden als Diffusionsquellen für die Prozesse der Basis- und Trenndiffusion bei der Schaffung von n-p-n-Transistorstrukturen, zum Nachdotieren der Kontaktgebiete der Transistoren und bei anderen Diffusionsprozessen während der Herstellung der Halbleitergeräte verwendet.
  • Das angeführte Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen besitzt eine Reihe von wesentlichen Nachteilen: 1. Die Einführung der Borsäure in die schichtbildende Lösung ist mit beträchtlichen Schwierigkeiten verbunden, weil die Borsäure in wasser-organischen Gemischen begrenzt löslich ist. Dies verhindert die Gewinnung einer schichtbildenden Lösung mit hoher Borkonzentration.
  • 2. Da die Borsäure auch den Dotierungszusatz und zugleich den Katalysator der HPK-Reaktion (der hydrolytischer Polykondensation ) von Tetraäthoxysilan darstellt, ist die Reifungszeit der Lösung, d.h. die Zeit, in der die Lösung schichtbildende Eigenschaften erhält, von der Konzentration der Borsäure in der Lösung abhängig. Bei sehr niedrigen Konzentrationen der Borsäure kann der Reifungsprozeß 1 - 2 Wochen dauern, was Schwierigkeiten in der Produktion bereitet.
  • 3. Da die Borsäure ein fester Stoff ist, so ist zur genauen Dosierung derselben in der Lösung entweder eine genaue Wägung mit Analysenwaage oder die Zubereitung einer wasserorganischen Hilfslösung mit einer genau bekannten Konzentration der Borsäure erforderlich. Dies kann die Genauigkeit der vorgegebenen Konzentration der Borsäure in der Lösung beeinflussen oder setzt zusätzliche technologische Operationen voraus (außerdem können verschiedene industrielle Partien von Borsäure verschiedene Feuchtigkeitsmengen enthalten).
  • 4. Bei der Einführung der Borsäure in alkoholische Tetraäthoxysilanlösung ist die Bildung von leichtflüchtigen Borverbindungen möglich, insbesondere in Lösungen mit niedrigem Wassergehalt.
  • Wegen der hohen Flüchtigkeit dieser Verbindungen von Bor und Lösungsmitteldämpfen läßt sich bei der Gewinnung einer Schicht aus der Lösung eine Schicht mit hohem Borgehalt nur schwierig erhalten, der beispielsweise zur Ausführung der Trenndiffusion bei der Herstellung der meisten integrierten Schaltungen erforderlich ist.
  • 5. Während der Wärmebehandlung der Schicht findet ferner die Verdampfung der Sauerstoffverbindungen von Bor statt, was die Erzielung von hohen Borkonzentrationen in der Schicht noch mehr erschwert.
  • 6. Die intensive Verdampfung der Sauerstoffverbindungen von Bor beim Aufbringen der Schicht und bei der Wärmebehandlung derselben führt nicht nur zur Verarmung der Schicht an Bor, sondern wirkt sich auch auf die Reproduzierbarkeit der Diffusionsergebnisse nachteilig aus, da in Abhängigkeit von konkreten Bedingungen der Aufbringung und Wärmebehandlung (relative Feuchtigkeit, Temperatur, Gasmedium) eine verschiedene Bormenge verdampft.
  • 7. In Lösungen mit großer Wassermenge bilden sich flüchtige Borverbindungen weniger. Jedoch scheiden sich bei ausreichend hoher Konzentration der Borsäure aus diesen Lösungen trübe Schichten ab, die nach der Dicke ungleichmäßig und nach der Struktur uneinheitlich sind. Die Diffusion aus diesen Schichten führt zur starken Erosion der Oberfläche des Halbleitermaterials - Silizium- und erheblichen Verschlechterung der Qualität der Transistorstrukturen (infolge der ungleichmäßigen Diffusionsfront).
  • Außerdem sind die Lösungen mit ausreichend hoher Konzentration von Borsäure und Wasser durch niedrige Stabilität gekennzeichnet und besitzen eine begrenzte Haltbarkeitsdauer.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile.
  • Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, ein Verfahren zur Herstellung von solchen schichtbildenden Lösungen zu schaffen, die als Dotierungszusatz solche-stabilen Verbindungen enthalten, die Bor nur bei erhöhten Temperaturen in schon abgeschiedenen und dehydratierten Schichten ausscheiden, daß dank der hergestellten Schicht die Erosion der Siliziumoberfläche vermieden werden kann, während die Streubreite des spezifischen elektrischen Oberflächenwiderstandes der erzeugten Schicht wie folgt aussieht: vom Prozeß zum Prozeß A R5 = + 5% (nom); von der Platte zur Platte A R5 = + 5% von der Partie zur Partie der Lösungen R5= + ' 10%, und außerdem wird die Herstellung von schichtbildenden Lösungen unter einfacheren technologischen Bedingungen erfolgen und die gewonnenen Lösungen werden eine längere Aufbewahrung zulassen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß hydrophiles organisches Lösungsmittel mit T#asser, Tetraalkoxysilan und einem Dotierungszusatz vermischt wird, wobei erfindungsgemäß in das Gemisch von hydrophilem organischem Lösungsmittel mit Wasser als Dotierungszusatz ein Bor-Silylalkylderivat von Meta-, Ortho- oder Para-Karboran der allgemeinen Formel: CH B10H10-n (CH2CH2 SiR3)nCH' wo R = Cl, OC2H5 und n = 1, 2, eingeführt wird, wonach dem Gemisch Tetraalkoxysilan zugesetzt wird, von dem mengenmäßig 1 Mol je 2 bis 8 Mol des im Gemisch anwesenden l-.assers genommen wird.
  • Dank dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere der Anwendung von Bor-Silylalkylderivaten des Meta-, Ortho- oder Para-Karborans der obengenannten allgemeinen Formel können schichtbildende Lösungen mit hoher Borkonzentration gewonnen werden, die eine große Haltbarkeitsdauer - nicht weniger als 6 Monate - besitzen und qualitätsgerechte Schichten mit hohem Borgehalt abscheiden lassen. Die Herstellung der schichtbildenden Lösungen ist schnell, bequem und fertigungsgerecht unter den Bedingungen einer industriellen Massenproduktion. Die Anwendung von solchen schichtbildenden Lösungen in der Herstellungstechnologie von Halbleitergeräten führt zur Verbesserung der elektrophysikalischen Kennwerte dieser Geräte und erheblichen Verkürzung ihrer Herstellungszeit.
  • Zur Beschleunigung des Reifungsprozesses der zu gewinnenden Lösung, und zwar zur maximalen Reduzierung der Herstellungszeit der schichtbildenden Lösungen mit beliebiger Konzentration der Ausgangskomponenten, werden zweckmäßig gemäß der vorliegenden Erfindung nach der Einführung von Tetraalkoxysilan 0,005-0,05 Mol/l einer Mineralsäure eingeführt.
  • Es wurde gefunden, daß am zweciunäßigsten als Mineralsäure Salzsäure verwendet werden muß-.
  • Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung und den Ausführungsbeispielen klar.
  • Bekannterweise werden an die Verbindungen, die als Dotierungszusatz verwendet werden, folgende Anforderungen gestellt: 1. gute Löslichkeit in benutzten organischen Lösungsmitteln; 2. niedrige Flüchtigkeit; 3. Fähigkeit, in wasser-alkoholischen Gemischen hydrolysiert zu werden und feste Silanverbindungen mit den Hydrolyse produkten von Tetraalkoxysilan zu bilden; 4. hohen Prozentgehalt an Bor besitzen, sich unter Borausscheidung nur bei relativ hohen Temperaturen (300-4000C) zersetzen.
  • Deshalb ururde als Dotierungszusatz, der den angeführten Anforderungen genügt, erfindungsgemäß eine bororganische Verbindung aus der Klasse der Karboranderivate und zwar Bor-Silylalkylderivate der Meta-, Ortho- und Para-Karborane der allgemeinen Formel: CHB1 oH1 0#n(CH2CH2SiR3 )nCH' worin R = Cl, OC2H, und n = 1, 2, gefunden und vorgeschlagen.
  • Diese bororganischen Verbindungen enthalten 35 Gew.-% an Bor, besitzen eine niedrige Flüchtigkeit, sind stabil genug an der Luft, zersetzen sich unter Borausscheidung nur bei hohen Temperaturen. Sie lassen sich mit Tetraalkoxysilanen und den meisten organischen Lösungsmitteln, die zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen verwendet werden, unbegrenzt vermischen. Die meisten von diesen Verbindungen sind Flüssigkeiten und lassen sich mit einer Pipette anstatt der Wägung von Borsäure mit der Analysenwaage dosieren.
  • Eine Besonderheit der erwähnten Verbindungen sind die in ihren Molekülen vorhandene geschlossene Ikosaederstruktur, die von BH- und CH-Gruppen des Karborankerns gebildet ist, und die Seitenketten, die Silizium enthalten, das mit reaktionsfähigen Endatomen von Chlor oder Äthoxygruppen verbunden ist.
  • Hohe chemische und thermische Beständigkeit des Karborankerns und der mit ihm verbundenen Seitenketten, die sich nach dem Schema: -CH2-CH2-SiCl3+3H20 i -CH2-CH2-Si(OH)3+3HCl hydrolysieren lassen und in die Struktur der Polymere (der Produkte von Hydrolyse und Polykondensation des Tetraalkoxysilans) durch gemeinsame Kondensation mit den Hydrolyseprodukten des Tetraalkoxysilans nach dem Schema: unter Bildung von linearen oder räumlichen Strukturen (Ketten ) eintreten können, gewährleisten eine erfolgreiche Anwendung dieser bororganischen Verbindungen in den schichtbildenden Lösungen. Die Zersetzung des Karborankerns findet bei Temperaturen von 300 0C unter Borausscheidung statt; bei höheren Temperaturen ist an der Luft oder im Sauerstoff die Bildung von Borsilikatglas wahrscheinlich, das als Quelle für die Bordiffusion in Silizium dient.
  • Bei der Verwendung solcher bororganischen Verbindungen als Dotierungszusatze ist sogar in alkoholischen schichtbildenden Lösungen die Möglichkeit zur Bildung von flüchtigen Borverbindungen praktisch ausgeschlossen. Deshalb haben die aus diesen Lösungen gewonnenen Schichten eine höhere reale Borkonzentration als die Schichten, die aus den Lösungen mit der Borsäure bei ein und derselben berechneten Borkonzentration in der Lösung hergestellt trurden, Der Umstand, daß in der schichtbildenden Lösung mit Karboranderivaten leicht hydrolysierbare Gruppen in der Lösung freie Borsäure fehlen, läßt und Borkonzentration aus der Lösung qualitativ einwandfreie durchsichtige Schichten abscheiden, die gegenüber den Schichten, die aus den Lösungen mit der Borsäure abgeschieden werden, von hoher Homogenität und Dichte gekennzeichnet sind.
  • Untersuchungen haben gezeigt, daß die Wechselwirkung der Borsäure mit Alkohol oder Tetraalkoxysilan in den schichtbildenden Lösungen zur Bildung von flüchtigen Estern der Borsäure führt, die zusammen mit dem Lösungsmittel verdampfen können.
  • In den Lösungen, die eine größere Wassermenge enthalten, ist die Bildungsintensftät der flüchtigen Borverbindungen geringer, aber es werden qualitativ schlechte Schichten - trübe und ungleichmäßig - hierbei erzeugt. Dies hängt anscheinend entweder mit der begrenzten Löslichkeit der Borsäure in den angewandten Lösungsmitteln, oder mit der leicht vor sich gehenden Hydrolyse der Bindungen Si - 0 - B, die sich in den Lösungen befinden, zusammen. In den beiden Fällen kann die Aggregierung der bei der Schichtenabscheidung anfallenden Borsäure-Teilchen die Ursache für die Trübung der Schichten und ihre strukturelle Unvollkommenheit sein.
  • Deshalb erscheint der Ersatz der Borsäure durch andere Borverbindungen als die optimalste Lösung. Jedoch kann der Ersatz der Borsäure durch andere Sauerstoffverbindungen von Bor keinen spürbaren Effekt erbringen, da die Anwendung als Dotierungszusätze von Boranhydrid B203 oder von Borsäureestern B(0C2H5)3; B(OCH)3 das Gleichgewicht der flüchtigen Verbindungen und der Borsäure in den Lösungen in einem beträchtlichen Maß nicht ändert. Betrachtet man die Schemen der möglichen Reaktionen in den Lösungen des hydrolysierten Tetraalkoxysilans, das die erlsähnten Stoffe enthält, so läßt sich Viel Gemeinsames feststellen: B203 - Dotierungs zusatz B203+3H20 --+ 2H3B03 H3B03 - Dotierungs zusatz B(OC2H5 )- Dotierungs zusatz Folglich ist es unzweckmäßig, als Dotierungszusätze für die Zubereitung von schichtbildenden Lösungen Sauerstoffverbindungen von Bor oder solche sauerstoffreie Verbindungen desselben, wie Halogenide zu verwenden, die sich in wässerigorganischen Lösungen unter Bildung von Sauerstoffverbindungen nach dem Schema: 3 + 3H20#H3B03 + 3HX leicht hydrolysieren lassen.
  • Um eine schichtbildende Lösung zu erhalten, die keine Sauerstoffverbindungen von Bor enthält, müssen in ihre Zusammensetzung als Dotierungszusatz stabile Verbindungen eingeführt werden, die Bor nur bei erhöhten Temperaturen in der schon abgeschiedenen und praktisch dehydratisierten Schicht ausscheiden.
  • Diese borhaltigen Verbindungen müssen auch funktionelle Gruppen besitzen, die zur Ge#?ährleistung einer genau vorgegebenen Borkonzentration in den Schichten und Verbesserung der Struktur und Eigenschaften der Schichten selber mit den Hydrolyseprodukten des Tetraalkoxysilans in den Lösungen zusammenwirken und sich chemisch verbinden können.
  • Auf diese Weise gestattet es die Verwendung der vorgeschlagenen Bor-Silylalkylderivate der Meta-, Ortho- oder Para-Karborane der allgemeinen Formel: CHB10H10#n(CH2CH2SiR3 )nCH, wo R = Cl, OC2Hf und n = 1, 2, als Dotierungszusatz für die schichtbildenden Lösungen, schichtbildende Lösungen mit einer hohen Borkonzentration zu erhalten, die eine hohe Haltbarkeitsdauer -nicht weniger als 6 Monate - besitzen und qualitativ einwandfreie Schichten mit hohem Borgehalt abscheiden lassen. Das Verfahren zur Herstellung von schichtbildenden Lösungen, das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, ist schnell, bequem und unter den Bedingungen einer industriellen Massenproduktion fertigungsgerecht. Die Anwendung dieser schichtbildenden Lösungen in der Herstellungstechnologie der Halbleitergeräte führt zur Verbesserung der elektrophysikalischen Kennwerte der Halbleitergeräte und beträchtlichen Verkürzung ihrer Herstellungszeit.
  • Die chemischen Verbindungen, die als Dotierungszusätze -Bor-Silylalkylderivate der Meta-, Ortho- und Para-Karborane der allgemeinen Formel: CHB1 0H1 0#n(CH2CH2SiR3)n CH, wo R = Cl, OC2H5 und n = 1, 2, Verwendung finden, werden durch Umsetzung der Ieta-, Ortho- und Para-Karborane mit den Alkylderivaten der Chlorsilane oder ung)Äthoxysilane (in Anwesenheit von Katalysatoren bei Erwärmung) hergestellt.
  • Die schichtbildenden Lösungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden stufenweise folgendermaßen hergestellt: 1. Es wird ein wässerig-organisches Gemisch mit einem bestimmten Wassergehalt hergestellt. Als organische Lösungen werden hydrophile polare organische Lösungsmittel verwendet, solche wie niedere einfache Alkohole - Methylalkohol, Äthylalkohol, n-Propylalkohol, Isopropylalkohol, n-Butylalkoh6l sowie Aceton, Methylacetat, ~Äthylacetat oder Gemische dieser Lösungsmittel.
  • Die Wasserkonzentration kann im Gemisch 2 - 10 Mol/l (etwa 4 - 20 Gew.-%) betragen und ist von der Konzentration des Schichtbildners - dem Tetraalkoxysilan - in der Lösung abhängig. Eine niedrigere Wasserkonzentration ( ~2 Mol/l) verlangsamt den Hydrolyse- und Reifungsprozeß der Lösung beträchtlich, eine höhere aber ( 710 Mol/l) beschleunigt diesen Prozeß und vermindert die zeitliche Stabilität dieser Lösungen.
  • 2. Zum wässerig-organischen Gemisch einer vorgegebenen Zusammensetzung wird eine bestimmte Menge des Dotierungszusatzes - einer Verbindung aus der Klasse der Borsilylalkylderivate der Meta-, Ortho- und Para-Karborane der allgemeinen Formel CHB1oH10-n(CH2CH2SiR3)nCH' wo R = Cl, OC2H5 und n = 1, 2, hinzugefügt. Die Größe des eingeführten Zusatzes ist von der erforderlichen Konzentrationshöhe von Bor in der Schicht abhängig. Die Konzentration des Dotierungszusatzes in der Lösung ist von der Konzentration des Tetraalkoxysilans in der Lösung abhängig.
  • 3. Zur Lösung mit dem Dotierungszusatz wird eine vorgegebene Menge des Schichtbildners als der Klasse der Alkoxysilane -der Ester der Orthokieselsäure Si(OR)4, wo R eine Alkylgruppe bedeutet, und zwar von Tet.ramethoxy-, Tetraäthoxy- oder Tetrapropoxysilan (oder deren Gemisch) hinzugefügt. Die Menge des hinzugefügten Tetraalkoxysilans beträgt 0,5 - 2 Mol/l in Abhängigkeit von der erforderlichen Schichtdicke. Die untere Grenze ist mit der Verschlechterung der Schichtenqualität (Ungleichmäßigkeit, Risse, hohe Porigkeit), die obere mit schroffer Abnahme der Stabilität der Lösungen verbunden. Die vorzugsweise Konzentration beträgt rJ1 Molll.
  • In der schichtbildenden Lösung muß ein optimales Verhältnis zwischen Tetraalkoxysilan und Wasser bestehen. Dieses Verhältnis kann sich im Bereich Km = Mol H20/Mol Si (OR)4 = 3 - 8 je nach der Konzentration von Tetraalkoxysilan in der Lösung (cit) ändern. (Bei C = 0,5 Mol Km = 4 - 8; bei = 2 Mol/l Km = 2 - 4). Die untere Grenze Km ist mit der Zrhöhung der Reifungsdauer der Lösungen, der unvollständigen Hydrolyse des Tetraalkoxysilans und des Dotierungszusatzes verbunden, was zum mangelhaften Gehalt an Bor in den Schichten gegenüber dem berechneten führt. Die obere Grenze Km ist mit der Verschlechterung der Schichtenqurn#lität und Verringerung der Stabilität der Lösungen verbunden.
  • 4. Als letztes wird in die Lösung eine bestimmte Menge des Katalysators der Hydrolyse und der Polykondensation eingeführt, der die "Reifung" der Lösung beschleunigt, deh. die Lösung nimmt schneller schichtbildende Eigenschaften an.
  • Als Katalysatoren werden Mineralsäuren, beispielsweise Salzsäure, verwendet, die einen ausreichenden Dissoziationsgrad in Lösungen besitzen und zugleich sehr flüchtig ist (zur schnellen und vollständigen Entfern##iiig aus den abgeschiedenen Schichten bei der Wärmebehandlung). Die Arniendung des erwähnten Katalysators gestattet es, die Zubereitungszeit der schichtbildenden Lösungen mit einer beliebigen Konzentration der vorstehend erwähnten Ausgangskomponenten auf ein Minimum zu reduzieren. Die Menge der eingeführten Säure wird zweckmäßigerweise im Bereich von 0,005 - 0,05 Mol/l gewählt, da eine geringe Menge keine erhebliche Beschleunigung der "Reifung" gewährleistet# eine größere aber zur Verschlechterung der Qualität der abgeschiedenen Schichten führt (die überschüssige Säure in der Lösung verlangsamt die Abscheidung der Schichten aus der Lösung md ihre Herausbildung, vermindert die Haftung der Schichten an der Unterlage). Die optimale Menge der eingeführten Saure ist von der Konzentration des Alkoxysilans in der Lösung abhängig (bei Cr = 1 Mol/ l und Km = 4 , CHCI = 0,01 - 0,04 Mol/l). Die Reifung der Lösung erfolgt in nur einigen Stunden, was unter Produktionsbedingungen recht bequem ist.
  • Die gemeinsame Hydrolyse und nachfolgende Polykondensation der Hydrolyseprodukte des Tetraalkoxysilans und des Dotierungszusatzes im wässerig-organischen Medium führen zur Bildung eines Copolymers einer bestimmten Struktur, das einen sehr komplizierten räumlichen Aufbau besitzt, aber gegen weitere Chemische Umwandlungen während einer langen Zeit stabil ist. Die festen Siloxanbrücken (Bindungen), die sich in der Lösung bilden, geährleisten die Erzeugung von dichten, gleichmäßigen Schichten mit gut reproduzierbarer Zusammensetzung, die zur Verwendung als Diffusionsquellen von Bor in die Halbleiter und als Schutzschichten geeignet sind.
  • Die schichubildenden Lösungen, die nach dem erfindungsgemässen Vc-rahren hergestellt sind, besitzen eine Haltbarkeitssauer bis zu 1 Jahr bei Lagerung im hermetisch abgeschlossenen Zustand (bei einer Temperatur von 45 bis 25°C).
  • Die Abscheidung der Schichten aus den Lösungen erfolgt vord zugsweise durch Zentrifugieren, aber es können auch andere Methoden - Pulverisation, Tauchen - zum Aufbringen der Schichten verwendet werden Die Wärmebehandlung der Schichten zur Verwandlung derselben in Oxidschichten (Silikatgläser) erfolgt auf dieselbe Weise wie im vorstehend beschriebenen Verfahren.
  • Die erzeugten Borsilikatschichten besitzen folgende Eigenschaften: Dicke 0,05 - 0,4 µm Reproduzierbarkeit nach der Dicke 90 - 95 % Reproduzierbarkeit nach der Atzeschwindigkeit 85 - 90 %.
  • Die Verwendung der nach dem Erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten schichtbildenden Lösungen gestattet es gegenüber den bekannten Verfahren, die Dauer der Hochtemperatur-Wärme operationen durch Erhöhung der Borkonzentration in den Schichten (ohne Verminderung ihrer Qualität und der Qualität der Siliziumoberfläche nach der Diffusion) praktisch um das 2-fache zu verringern.
  • Ihrerseits erlaubt es die Verkürzung des Zyklus der thermischen Operationen, die Durchbruchspannungen der Transistoren durchschnittlich um 40~0 zu erhöhen.
  • Somit erhöht die Anwendung der vorgeschlagenen schichtbildenden Lösungen in der Herstellungstechnologie der Halbleitergeräte statt der bekannten die Arbeitsproduktivität, die Qualität der Geräte und den Anteil der tauglichen Geräte beträchtlich.
  • Die Reproduzierbarkeit der elektrophysikalischen Parameter der Diffusionsschichten wird durch folgende Daten charakterisiert: Streuung des spezifischen Oberflächernqiderstandes, #R5 (Durchschnittswerte): nach der Plattenfläche + 2 - 5% von der Platte zur Platte + 4 - 5 vom Prozeß zum Prozeß + 5 - 6,6 von der Partie zur Partie der Lösungen j 5 -105,0.
  • Beispiel 1.
  • In einen Meßkolben mit 100 ml Inhalt werden etwa 60 ml des Wasser-Alkohol-Gemisches mit einer Dichte von d420 = 0,820 4 eingeführt, dann 1,81 ml von Bortrichlorsilyläthyl-Metakarboran hinzugefügt und bei Umrühren gelöst. Der gewonnenen Lösung werden 21,4 ml Tetraäthoxysilan Si(0C2H5)4 zugegossen; es wird dann umgerührt und das Volumen der Lösung bis zur Eichmarke mit Hilfe desdes Wasser-Alkohol-Gemisches (d420 = 0,820) gebracht, dann werden über die Eichmarke 0,15 ml der 10%-igen Salzsäure hinzugefügt und es wird erneut umgerührt. Die Lösung nimmt schichtbildende Eigenschaften schnell an und ist nach einigen Stunden zur Abscheidung der Schichten bereit. Die Lösung stellt eine farblose durchsichtige Flüssigkeit mit einer Viskosität von 2,4 cSt c'ar, die bei Lagerung langsam zunimmt. Die Haltbarkeitsdauer der Lösung beträgt 8 - 10 Monate bei Lagerung im hermetisch abgeschlossenen Zustand (bei Zimmertemperatur). Nach Ablauf dieser Frist kann die Viskosität der Lösung schnell zunehmen, bis zur Verwandlung der Lösung in ein Gel.
  • Beispiel 2.
  • In einen Meßkolben mit einem Inhalt von 100 ml werden etwa 60 ml des Wasser-Alkohol-Gemisches mit einer Dichte von 20 0,820 eingeführt, dann werden 1,81 ml von Bortrichlorsilyläthyl-Orthokarboran hinzugefügt und bei Umrühren gelöst.
  • Der gewonnenen Lösung werden 21,4 ml von Tetraäthoxysilan zugegossen, es wird umgeruhrt und das Volumen der Lösung bis zur Eichmarke mit Hilfe des Wasser-Alkohol-Gemisches (d40 = 0,820) gebracht, es werden dann über die Eichmarke 0,15 ml der 10¼gegen Salzsäure hinzugefügt, wonach erneut umgeruhrt wird. Die Lösung nimmt schnell schichtbildende Eigenschaften an und ist nach einigen Stunden zur Abscheidung der Schichten geeignet. Die Lösung stellt eine farblose durchsichtige Flüssigkeit mit einer Viskosität von 2,4 cSt dar, die bei Lagerung langsam zunimmt. Die Haltbarkeitsdauer der Lösung beträgt 8 - 10 Monate bei Lagerung im hermetisch abgeschlossenen Zustand (bei Zimmertemperatur).
  • Beispiel 3.
  • Zur Zubereitung einer schichtbildenden Lösung wird, wie es im Beispiel 1 beschrieben war, als Dotierungszusatz Bor-Trichlorsilyläthyl-Parakarboran - 1,81 ml - verwendet. Die Eigenschaften der Lösung sind den im Beispiel 1 angegebenen analog.
  • Beispiel 4.
  • In einen Meßkolben mit 100 ml Inhalt werden etwa 60 ml des Wasser-Alkohol-Gemisches mit einer Dichte von d40 = C,820 4 eingeführt dann werden 2,52 ml bis -Bor-Trichlorsilyläthyl -Metakarboran hinzugefügt und bb# i U###hren gelöst Der geconnenen Lösung werden 21 ~4 ml Tetraäthoxysilan zugegossen; es wird umgerührt und das Volumen ier Lösung bis zur Eichmarke mit Hilfe des Wasser und Alkohol-Gemisches (d40= 0,820) gebracht. Es werden dann über die Eichmarke 0,15 ml der 10e'-igen Salzsäure hinzugefügt und es wird erneut umgerührt. Die Lösung nimmt schnell schichtbildende Eigenschaften an und ist nach einigen Stunden zur Abscheidung der Schichten geeignet. Die Lösung stellt eine farblose durchsichtige Flüssigkeit mit einer Viskosität von etwa 2,6 cSt dar, die bei Lagerung langsam zunimmt. Die Haltbarkeitsdauer der Lösung beträgt 4 - 5 Monate bei Lagerung im hermetisch abgeschlossenen Zustand (bei Zimmertemperatur).
  • Beispiel 5 Zur Zubereitung einer schichtbildenden Lösung, wie es im Beispiel 1 beschrieben war, wird als Dotierungszusatz Bor-Triäthoxysilyläthyl-Metakarboran - 1,9 ml - verwendet. Die Eigenschaften der Lösung sind denen von Beispiel 1 analog.
  • Beispiel 6.
  • In einen Meßkolben mit 100 ml Inhalt werden 60 ml des Wasser-Alkohol-Gemisches eingeführt, das 7 ml Wasser enthält, während der Rest n-Propylalkohol ist. Dann werden in diesen Kolben bei Umrühren 1,81 ml Bor-Trichlorsilyläthyl-Metakarboran hinzugefügt. Der gewonnenen Lösung werden 21,7 ml Tetrapropoxysilan zugegossen, es wird umgerührt und das Volumen der Lösung bis zur Eichmarke mit Hilfe des Wasser-Alkohol-Gemisches gebracht. Es werden dann über die Elchmarke 0,15 ml 10,0,0-ige Salzsäure hinzugefügt und es wird erneut umgerührt. Die Lösung nimmt schnell schichtbildende Eigenschaften an und ist nach einigen Stunden zur Abscheidung der Schichten geeignet Die Lösung stellt eine farblose durchsichtige Flüssigkeit mit einer Viskosität von 2,5 cSt dar. Die Haltbarkeitsdauer der Lösung beträgt 5-6 Monate.
  • Beispiel 7.
  • In einen Meßkolben mit 100 ml Inhalt werden 60 ml des Wasser-Alkohol-Gemisches eingeführt, das7 ml Wasser enthält, während der Rest Aceton ist Dann werden in den Kolben bei Umrühren 1,9 ml Bor-Triäthoxysilyläthyl-Orthokarboran hinzugefügt. Der gewonnenen Lösung werden 14,5 ml Tetrainethoxysilan zugegossen. Es wird umgerührt und das Volumen der Lösung bis zur Eichmarke mit Hilfe des Wasser-Alkohol-Gemisches gebracht5 wonach über die Eichmarke 0,15 ml 10^S-ige Salzsäure hinzugefügt werden und erneut umgerührt wird. Die Lösung nimmt schlchtbildende Eigenschaften schnell an und ist nach einigen Stunden zur Abscheidung der Schichten berest. Die Lösung stellt eine farblose durchsichtige Flüssigkeit mit einer Viskosität von 2,1 cSt dar. Die Lagerungsdauer der hergestellten Lösung beträgt 5 - 6 Monate.
  • Beispiel 8.
  • In einen Meßkolben mit 100 ml Inhalt werden 60 ml des Wasser-Alkohol-Gemisches eingeführt, das Methylacetat, Äthylalkohol ((1420 = 0,828) und n-Butylalkohol enthält, die in einem (volumenmäßigen) Verhältnis von 2g7:1 genommen sind.
  • Dann werden in den Kolben unter Umrühren 1 ,81 ml Bor-Trichlorsilyläthyl-Metakarboran hinzugefügt. Der gewonnenen Lösung werden 28,8 ml Tetrapropoxysilan zugegossen. Es wird umgerührt und das Volumen der Lösung mit Hilfe des Wasser-Alkohol-Gemisches bis zur Eichmarke gebracht, wonach über die Eichmarke 0,1 ml der 15¼-igen Salzsäure hinzugefügt werden und erneut umgerührt wird. Die Lösung nimmt schichtbildende Eigenschaften schnell an und ist nach einigen Stunden zur Abscheidung der Schichten geeigneten. Die Lösung stellt eine farblose durchsichtige Flüssigkeit mit einer Viskosität von 2,8 cSt dar. Die Lagerungsdauer der Lösung beträgt 6 - 8 Monate.

Claims (3)

  1. Patentansprüche X %;~ Verfahren zur Herstellung einer schichtbildenden Lösung zur Dotierung von Halbleitermaterialien durch Vermischung eines hydrophilen organischen Lösungsmittels mit Wasser, Tetraalkoxysilan und einem Dotierungszusatz, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Gemisch des hydrophilen organischen Lösungsmittels mit Wasser als Dotierungszusatz ein Bor-Silylalkylderivat von Meta-, Ortho- und Para-Karboran der allgemeinen Formel: CHB1oH10-n(CH2CH2 SiR3)nCHs worin R = C1, OC2H5 und n = 1, 2, hinzugefügt wird, wonach dem Gemisch Tetraalkoxysilan zugesetzt wird, von dem mengenmäßig 1 Mol je 2 - 8 Mol des im Gemisch anwesenden Wassers genommen werden.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung einer schichtbildenden Lösung 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 nach der Einführung des Tetraalkoxysilans in das Gemisch 0,005 - 0,05 MolIl Mineralsäure eingeführt werden.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung einer schichtbildenden Lösung 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 als Mineralsäure Salzsäure verwendet wird.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3030298A1 (de) * 1980-08-09 1982-03-25 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Fluessiges dotierungsmittel fuer die dotierung von halbleitermaterialien mit bor
EP0104412A1 (de) * 1982-09-23 1984-04-04 Allied Corporation Polymeres Bor und Stickstoff enthaltendes Dotiermaterial
US7029723B2 (en) * 2003-01-07 2006-04-18 Intel Corporation Forming chemical vapor depositable low dielectric constant layers

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