DE2753533A1 - Verfahren zum selektiven eindiffundieren von aluminium - Google Patents
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Description
Dr.-lng. Reimar König · Dipl.-lng. Klaus Bergen
30.Nov.1977 31 836 B
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 ( V.St.A.)
"Verfahren zum selektiven Eindiffundieren von Aluminium"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Eindiffundieren
von Aluminium in eine Oberfläche eines Siliziumkörpers, bei dem auf eine Oberfläche des Siliziumkörpers
eine Maske mit einer Diffusionsöffnung aufgebracht, dann der Halbleiterkörper einer Aluminium-Quelle ausgesetzt
wird und eine Aluminium-Diffusionszone in dem Siliziumkörper durch Eindiffusion des Aluminiums gebildet wird. Die
Erfindung bezieht sich ferner auf eine Maske zum selektiven Eindiffundieren von Aluminium in einen Siliziumkörper von
dessen Oberfläche her mit einer Diffusionsöffnung zum Eindiffundieren des Aluminiums.
Grundsätzlich betrifft die vorliegende Erfindung ein
neues Verfahren zum selektiven Eindiffundieren von Aluminium-Dotiermitteln in ein Substrat aus halbleitendem
Material. Das Verfahren bezieht sich dabei auf die Entwicklung einer neuen und wirkungsvolleren Maske gegenüber
einer Aluminium-Diffusion als bisherige Masken dieser Art.
Beim Herstellen von planaren Halbleiterbauelementen ist es oft erforderlich, P-Dotiermittel in N- oder P-Substrate
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einzudiffundieren. Das am häufigsten benutzte P-Dotiermittel
ist Bor und das verbreitetste Substrat ist Silizium. Bor kann selektiv in verschiedene Bereiche des
Substrats eindiffundiert werden, wenn zuerst eine SiIiziumdioxid-Maske
auf den Bereichen gebildet wird, die nicht zu dotieren sind, und wenn dann das maskierte Substrat
einer Bor-Quelle ausgesetzt sowie schließlich das Substrat erhitzt wird, um das Bor durch die Öffnungen
der Maske in das Substrat einzudiffundieren. Seit dem Auftauchen von Hochspannungsbauelementen, wie Planar-Thyristoren,
ist es jedoch erforderlich geworden, P-Dotiermittel in größere Tiefen zu diffundieren als das
bisher üblich war, und man hat versucht, das Bor durch Aluminium als P-Dotiermittel zu ersetzen, weil mit der
größeren Diffusionsgeschwindigkeit von Aluminium eine Verkürzung der Zeit der Hochtemperatur-Behandlung erreicht
wird. Außerdem weist Aluminium eine bessere Gitter-Anpassung an das Siliziumgitter auf als Bor, wodurch die Qualität
der Bauelemente steigt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Siliziumdioxid-Masken gegenüber Aluminium bei relativ tiefen Diffusionen
versagen ( siehe "Journal of Electrochemical Society", Nov. 1974, Seite 1509). Der Grund dafür, daß Siliziumdioxid
eine schlechte Maske bei tiefen Aluminium-Diffusionen ist, kann darin liegen, daß Aluminium - anders
als Bor - mit dem Siliziumdioxid der Maske reagiert und sich Aluminiumoxid nach folgender thermodynamisch begünstigter
Reaktion bildet:
4A1 (Gas) + 3 Si02 (fest) ^ 2A12°3 (fest)+ 3 Si(fest)
Bei fortgesetzter Diffusion wird die Aluminiumdioxid-Schicht aufgrund vorstehender Reaktion verbraucht und
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Aluminiumoxid tritt an dessen Stelle. Wenn die Siliziumdioxid-Schicht
vollkommen ausgetauscht ist, liegt Aluminiumoxid unmittelbar auf der Silizium-Oberfläche und
wirkt als eine Quelle von Aluminium-Dotiermittel, derart, daß Dotierstoffe in die nicht zu dotierenden Bereiche
eindringen.
Ein Verfahren, das Versagen dieser Art von Masken zu vermeiden, besteht darin, die Dicke der Siliziumdioxid-Maskierschicht
so groß zu wählen, daß die Schicht während der Reaktion des Dotiermittels mit der Maske nicht vollkommen
aufgebraucht wird. Es besteht jedoch in der Praxis eine Grenze für die erreichbare Dicke von Siliziumdioxid-Schichten.
Da Siliziumdioxid einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als Silizium, können
extrem dicke Oxide mechanische Spannungen auf Siliziumscheibchen ausüben. Ferner erfordern dicke Oxid-Filme
lange Zeiten zum Niederschlagen und zum Abtragen. Wenn zum Abtragen ein Ätzen erforderlich ist, können einige
übliche Photoresist-Masken wegen der langen Zeit, während der sie dem Ätzmittel ausgesetzt sind, versagen.
Wegen der Nachteile von Siliziumdioxid-Masken im Verhältnis zu bestimmten Diffusionsmitteln ist auch schon versucht
worden, Siliziumnitrid-Masken oder Kombinationen von Siliziumdioxid/Siliziumnitrid-Masken anzuwenden (Vergl.
GB-PS 1.252 281 und US-PS 3 664 896). Bei großen Diffusionstiefen, insbesondere solchen, die bei relativ hohen Temperaturen
und relativ langer Behandlungsdauer ausgeführt werden, wird es jedoch zunehmend schwieriger, die Nitrid-Maskierschichten
nach Ende der Diffusion wieder abzutragen.
Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu den bisherigen Verfahren mit dicken Oxid-Masken
bzw. Nitrid-Masken oder Kombinationen dieser Maäcen
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gegenüber Aluminium-Diffusionen zu schaffen. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Maske
vorzuschlagen, die sowohl beim Aufbringen als auch beim Abtragen nach vollendeter Diffusion keine wesentlichen
Schwierigkeiten bereitet und die auch bei tiefer Eindiffusion von Aluminium die zu schützenden Bereiche des
Siliziumkörpers sicher gegenüber der Eindiffusion von Aluminium abschirmt. Die erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe zu dem Verfahren besteht darin, daß die Maske aus einer Siliziumdioxid-Teilschicht und einer polykristallinen
Silizium-Teilschicht hergestellt wird und daß die Diffusionsöffnung in der Maske durch Entfernen wenigstens
einer der Teilschichten gebildet wird.
Die erfindungsgemäß hergestellte Maske besteht aus einer Siliziumdioxid-Teilschicht und einer polykristallinen
Silizium-Teilschicht, wobei die Siliziumdioxid-Teilschicht vorzugsweise unmittelbar auf der Oberfläche des Silizium-'Körpers
und die polykristalline Silizium-Teilschicht auf der Siliziumdioxid-Teilschicht liegt. Die Diffusionsöffnung
der Maske ist weiterhin dadurch hergestellt, daß wenigstens eine der Teilschichten entfernt ist.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß auf den Bereichen des Siliziumkörpers, in die Aluminium nicht eindiffundiert
werden soll, eine Doppelschicht liegt, die einerseits eine Sperre gegenüber einer Aluminiumdiffusion darstellt
und andererseits auf einfachste Weise hergestellt und wieder abgetragen werden kann. Befindet sich im Bereich
der Diffusionsöffnung keine der beiden Teilschichten aus Siliziumdioxid oder polykristallinem Silizium,
so ist klar, daß an dieser Stelle die Diffusion des Aluminiums in den Halbleiterkörper hinein ohne weiteres vonstatten
geht. Liegt im Bereich der Diffusionsöffnung dagegen noch die eine oder die andere Teilschicht, so ergibt
sich zwar für den Fall, daß die verbliebene Teilschicht aus Siliziumdioxid besteht, eine gewisse Verzö-
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gerung der Diffusion in den Siliziumkörper, die Diffusion ist aber an sich ohne weiteres durch diese öffnung hindurch
ausführbar. Wie anfangs erläutert, stellt ja Siliziumdioxid
in üblicher, von der Bor-Diffusion her bekannter Masken-Schichtdicke keine ernsthafte Diffusionssperre dar.
Wenn dagegen in der öffnung nur polykristallines Silizium liegt, bietet dieses natürlich der Diffusion des Aluminiums
keinen nennenswerten Widerstand.
Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert;
es zeigen:
Fig. 1 bis 5 eine Reihe von Querschnitten, in denen
einzelne aufeinanderfolgende Verfahrensschritte symbolisiert sind; und
Fig. 6 bis 8 ähnliche Querschnitte zu einem zweiten • Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein Siliziumkörper 10 mit einer Hauptfläche 12 dargestellt. Der Siliziumkörper ist ein Teil
einer größeren (nicht gezeigten) Siliziumscheibe. Obwohl angegeben und gezeichnet ist, daß der Siliziumkörper 10
N-leitend sein soll, ist der Leitungstyp im Rahmen der vorliegenden Erfindung unwesentlich.
Gemäß Fig. 2 ist auf der Hauptfläche 12 des Siliziumkörpers eine Siliziumdioxid-Schicht 14 aufgebracht. Die Siliziumdioxid-Schicht
14 besitzt vorzugsweise eine Dicke von etwa 20 000 Ä und kann entweder thermisch aufgewachsen oder pyrolytisch
gebildet sein; es wird jedoch ein thermisches Aufwachsen bevorzugt, weil die dabei entstandene Schicht
beträchtlich dichter ist als eine durch Pyrolyse
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hergestellte und daher ein Tempern nicht erforderlich ist. Eine 20 000 1 dicke Schicht aus Siliziumdioxid
kann zum Beispiel dadurch thermisch aufgewachsen werden, daß man den Siliziumkörper 10 bei einer Temperatur von
etwa 1 0000C für eine Zeit von etwa 16 Stunden einer
Dampfatmosphäre aussetzt. Der oxidierte Körper 10 wird
dann langsam abgekühlt, zum Beispiel mit einer Kühlgeschwindigkeit in der Größenordnung von etwa 20C pro
Minute bis zu einer Temperatur von etwa 8700C, worauf
der Körper langsam aus dem Ofen ausgefahren wird, beispielsweise während etwa 5 Minuten. Auf diese Weise kann
eine Siliziumdioxid-Schicht hergestellt werden, die im wesentlichen frei von Rissen und anderen Beschädigungen
ist.
Gemäß Fig. 3 ist auf die Siliziumdioxid-Schicht 14 eine Schicht 16 aus im wesentlichen undotiertem polykristallinem
Silizium von vorzugsweise ebenfalls etwa 20 000 Jt Dicke nach herkömmlichen Verfahren aufgebracht worden.
Eine polykristalline Schicht 16, die Dotiermittel nicht enthält, hat in typischen Fällen einen spezifischen Widerstand,
der nicht kleiner ist als etwa 105 Ohm-cm.
Vorzugsweise wird die polykristalline Schicht 16 dadurch hergestellt, daß der Siliziumkörper 10 in eine Kammer gesetzt
und in Gegenwart einer 6% Silan (SiH^) und 94% Hp
als Trägergas enthaltenden Gasmischung auf eine Temperatur von etwa 6100C erhitzt wird. Die Abscheidegeschwindigkeit
der entsprechenden Reaktion beträgt etwa 300 1 pro Minute.
Die Kombination der Siliziumdioxid-Schicht 14 und der polykristallinen Siliziumschicht 16 stellt die erfindungsgemäße
Maskierschicht dar.
Gemäß Fig. 4 wird die Maskierschicht, d.h. sowohl die
polykristalline Siliziumschicht 16 als auch die Silizium-
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dioxid-Schicht 14, nach herkömmlichen Verfahren geätzt,
um eine öffnung 18 zum darunterliegenden Siliziumkörper 10 auf einem Bereich zu schaffen, in dem die Diffusionszone
gegebenenfalls herzustellen ist. Auf der Hauptfläche 12
des Siliziumkörpers 10 sind auf diese Weise ein maskierter Bereich und ein unmaskierter Bereich gegeneinander abgegrenzt
.
Schließlich wird die ganze Scheibe, von der der Siliziumkörper 10 einen Teil darstellt, einer Dotierquelle ausgesetzt.
Der Siliziumkörper 10 wird vorzugsweise in eine nicht gezeichnete Vakuumkammer gebracht, in der Aluminiumdampf
erzeugt werden kann. Der Aluminiumdampf kann zum Beispiel durch Erhitzen einer Aluminium-Silizium-Legierung
mit 37% Aluminium und 63% Silizium in Vakuum auf eine Temperatur
zwischen 1 0000C und 1 2000C gebildet werden, es
wird jedoch eine Diffusions-Temperatur von etwa 1 1500C
bevorzugt. Die Halbleiterscheibe wird in die Kammer eingebracht und etwa zwei Stunden lang auf der Diffusions-Temperatur
gehalten. Es ist festgestellt worden, daß sich in dieser Zeit eine Tasche 20 mit einer Diffusionstiefe von etwa 15 Mikrometern bildet. Während die Diffusionstiefe
und die Oberflächenkonzentration des Dotierstoffes in der Tasche 20 im allgemeinen von dem jeweils
gewünschten Aufbau abhängen, wird beim Herstellen von tiefen Diffusionszonen in Hochspannungs-rThyristoren eine
Oberflächenkonzentration von etwa 5 x 10 Atomen/cm
bevorzugt.
Eine Aluminiumquelle kann auch dadurch hergestellt werden, daß zuerst eine Aluminium-Schicht auf die Oberfläche der
polykristallinen Silizium-Schicht 16 und auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 im Bereich der öffnung
aufgebracht wird und dann die Diffusion von der Aluminium-Schicht her - also nicht aus der Dampfphase - ausgeführt
wird. Unabhängig vom angewandten Diffusionsverfahren wird
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- ST-
die Halbleiterscheibe jedenfalls anschließend einer zusätzlichen
Erwärmung bzw. einem Dotierstoff-Eintreib-Schritt ausgesetzt, indem die Scheibe während einer Zeit
von wenigstens 20 Stunden auf einer Temperatur von etwa 1 300°C gehalten wird, um P-leitende Zonen mit dem gewünschten
Dotierprofil bzw. der gewünschten Dotiertiefe herzustellen.
Anhand von Fig. 6 bis 8 wird ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Fig.
6 zeigt einen Siliziumkörper 10, der ähnlich demjenigen
gemäß Fig. 2 ist, außer daß eine Öffnung 22 in der Sili ziumdioxid-Schicht 14 hergestellt wird, welche zu der
Hauptfläche des Siliziumkörpers reicht, bevor die polykristalline Siliziumschicht abgeschieden wird.
Als nächstes wird gemäß Fig. 7 eine undotierte polykristal—
line Siliziumschicht 16 nach dem gleichen Verfahren wie 'vorher beschrieben, sowohl auf der Siliziumdioxid-Schicht
14 als auch in der Öffnung 18 erzeugt. Die polykristalline Silizium-Schicht 16 liegt also auch auf der Hauptflache
des Siliziumkörpers 10.
Schließlich wird gemäß Fig. 8 die Scheibe, deren Teil der Siliziumkörper 10 ist, einer Aluminium-Dotierstoff-Quelle
ausgesetzt, zum Beispiel verdampftem Aluminium in einem Vakuumsystem. Das Substrat wird dabei während etwa zwei
Stunden auf eine Temperatur von etwa 1 150°C aufgeheizt, wobei das Aluminium durch die polykristalline Schicht 16
in der Öffnimg 18 hindurch diffundiert und sich daher die P-leitende Tasche 20 in dem Siliziumkörper 10 bildet. Da
Aluminium durch die polykristalline Siliziumschicht 16 schneller diffundiert als durch die kombinierten polykristallinen Silizium- und Siliziumdioxid-Schichten, ist
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es also auch nicht erforderlich, den unter diesen Schichten liegenden Siliziumkörper im Bereich der öffnung
18 bzw. 22 der Umgebungsatmosphäre auszusetzen.
Ein drittes, nicht gezeichnetes Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens ist ähnlich den beiden vorbeschriebenen
aber etwas weniger wirkungsvoll. Hierbei wird der Siliziumkörper in ähnlicher Weise vorbereitet wie
gemäß Fig. 3, d.h. auf einen Siliziumkörper 10 wird eine Maske aus Teilschichten von Siliziumdioxid 14 und undotiertem
polykristallinem Silizium 16 aufgebracht. Abweichend
von dem Bauelement gemäß Fig. 4 wird dann eine Öffnung 18 in der polykristallinen Siliziumschicht 16 hergestellt,
die nicht durch die Siliziumdioxid-Schicht 14 hindurchreicht. Schließlich werden Aluminiumdotierstoffe
nach einem der vorbeschriebenen Verfahren durch die öffnung in der polykristallinen Siliziumschicht und durch
die innerhalb der öffnung liegende Siliziumdioxid-Schicht in den Siliziumkörper 10 hineindiffundiert.
Weil die erfindungsgemäße Kombination einer Siliziumdioxid-Schicht
und einer polykristallinen Siliziumschicht im Verhältnis zu einer der Teilschichten allein eine so
wirkungsvolle Maske gegenüber Aluminium-Diffusionen darstellt, ist es möglich, durch das innerhalb der Diffusionsöffnung liegende Siliziumdioxid hindurchzudiffundieren,
ohne daß die Maske an Wirksamkeit einbüßt.
Mit den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist eine Maske zum Abschirmen einer Aluminiumdiffusion vorgeschlagen
worden, welche bisher bekannten Masken weit überlegen ist. Eine beispielsweise nur aus einer 20 000 Jl dicken
Siliziumdioxid-Schicht bestehende Maske versagt, wenn sie ungefähr 7 **inuten lang in einem Vakuum bei 1 150°C diffundierendem
Aluminium ausgesetzt wird. Eine Maske aus
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einer 20 000 % dicken polykristallinen Siliziumschicht
wird von diffundierendem Aluminium bei 1 1500C im
Vakuum schon nach etwa 2 Minuten durchdrungen. Eine erfindungsgemäße
Maske jedoch, die aus der Kombination einer Siliziumdioxid-Schicht und einer polykristallinen Siliziumschicht
besteht, hat bei Anwendung entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung einer Aluminiumdiffusion bei
1 1500C für mehr als 7 1/2 Stunden widerstanden.
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Claims (17)
1.J Verfahren zum selektiven Eindiffundieren von Aluminium
in eine Oberfläche eines Siliziumkörpers, bei dem auf eine Oberfläche des Siliziumkörpers eine Maske mit einer
Diffusionsöffnung aufgebracht, dann der Siliziumkörper einer Aluminium-Quelle ausgesetzt und eine
Aluminium-Diffusionszone in dem Siliziumkörper durch Eindiffundieren des Aluminiums durch die Öffnung gebildet
wird, da durch gekennzeichnet, daß die Maske aus einer Siliziumdioxid-Teilschicht (14)
und einer polykristallinen Silizium-Teilschicht (16) hergestellt und die Diffusionsöffnung (18) der Maske
durch Entfernen wenigstens einer der Teilschichten (14, 16) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Dotierstoffquelle Aluminiumdampf benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Dotierstoffquelle eine auf der polykristallinen Siliziumschicht (16) innerhalb
der Diffusionsöffnung (18) gebildete Aluminiumschicht verwendet wird.
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4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei c h net,
daß eine im wesentlichen undotierte polykristalline Siliziumschicht (16) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine polykristalline Siliziumschicht (16) mit
einem spezifischen Widerstand von mindestens lO^Ohm-cm
verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Diffundieren zunächst in einer
Vakuumkammer Aluminiumdampf erzeugt wird, dann der Siliziumkörper (10) in die Kammer gebracht und schließlich
das Aluminium durch die Diffusionsöffnung (18) durch Aufheizen des Siliziumkörpers (10) diffundiert
wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper (10) wenigstens 2 Stunden auf eine Temperatur
zwischen 1 000 und 1 2000C gebracht wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsöffnung (18) sowohl in der Siliziumdioxid-Schicht
(14) als auch in der polykristallinen Siliziumschicht (16) gebildet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Diffusionsöffnung (18) in der Siliziumdioxid-Schicht (14) gebildet wird und daß die polykristalline Siliziumschicht
(16) innerhalb der Diffusionsöffnung (18)auf dem Siliziumkörper
(10) belassen wird.
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10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 7» dadurch gekennzeichnet,
daß die Diffusionsöffnung (18) in der polykristallinen Siliziumschicht (16) gebildet wird und daß in
der Diffusionsöffnung (18) die Siliziumdioxid-Schicht (14) belassen wird.
11. Maske zum selektiven Eindiffundieren von Aluminium
in einen Siliziumkörper, von dessen Oberfläche her mit einer Diffusl^onsöffnung zum Eindiffundieren des
Aluminiums, da durch gekennzeichnet, daß die Maske aus einer Siliziumdioxid-Teilschicht (14)
und einer polykristallinen Silizium-Teilschicht (16) besteht und daß in der Diffusionsöffnung (18) wenigstens
eine der Teilschichten (14, I6)entfernt ist.
12. Maske nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziumdioxid-Teilschicht (14) unmittelbar auf der Oberfläche (12) des Siliziumkörpers
(10) und die polykristalline Silizium-Teilschicht (16) auf der Siliziumdioxid-Teilschicht (14)
liegt.
13. Maske nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die polykristalline Siliziumschicht (16) im wesentlichen undotiert ist.
14. Maske nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Siliziumschicht (16) einen spezifischen
Widerstand von nicht weniger als 10^ Ohm-cm hat.
15. Maske nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsöffnung (14) durch die polykristalline
Siliziumschicht (16) und die Siliziumdioxid-Schicht (14) bis zur Oberfläche (12) des Siliziumkörpers (10)
reicht. 80 98 24/0674
16. Maske nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Diffusionsöffnung (18) in der Siliziumdioxid-Schicht (14) vorgesehen ist und daß die polykristalline
Siliziumschicht (16) innerhalb der Diffusionsöffnung (18) auf der Oberfläche (12) des Siliziumkörpers
(10) liegt.
17. Maske nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Diffusionsöffnung (18) in der polykristallinen
Siliziumschicht (16) gebildet ist und daß die Siliziumdioxid-Schicht (14) innerhalb der Diffusionsöffnung (18) auf der Oberfläche (12) des Siliziumkörpers (10) liegt.
Siliziumschicht (16) gebildet ist und daß die Siliziumdioxid-Schicht (14) innerhalb der Diffusionsöffnung (18) auf der Oberfläche (12) des Siliziumkörpers (10) liegt.
809824/0674
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