DE3541798A1 - Verfahren zur diffusion von dotierungen - Google Patents

Verfahren zur diffusion von dotierungen

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Description

TER meer · Müller · Steinmeister : .. [Sony Corp. - S85P349
Beschreibung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum selektiven Eindiffundieren von Dotierungen oder Verunreinigungen in die Obörflache eines Verbindungs-Halbleiters, wie eines Galliumarsenid-Halbleiters (GaAs) unter Bildung wohldefinierter Implantationsbereiche.
In jüngster Zeit werden Halbleiter auf der Grundlage von Verbindungs-Halbleitern, wie Galliumarsenid (GaAs) für die Praxis eingesetzt. Bei der Herstellung solcher Bauteile ist es erforderlich, eine selektive Diffusion von Dotierungen oder Verunreinigungen in das Substrat zu bewirken.
Bei einem typischen Beispiel des Standes der Technik wird ein SiOp-Isolierfilm mit Hilfe eines chemischen Dampfäbscheiduhgsverfahrens (chemischen Aufdampfverfahrens) auf dem GaAs-Substrat abgeschieden, worauf ein Diffusionsfenster durch Photoätzen in dem Film erzeugt wird. Unter Anwendung des SiOp-Isolierfilms als selektive Diffusionsmaske werden Dotierungen, wie Zink, in das Substrat eindiffundiert, um die erforderlichen Diffusionszonen zu bilden. Die Dotierungen neigen jedoch dazu, in der Nahe des Diffusiorisfensters an der Grenzfläche zwischen dem SiO9-FiIm und dem GaAs-Substrat über einen erheblichen Abstand in transversaler Richtung zu diffundieren, wodurch eine abnorme Diffusion verursacht wird, die es erschwert, die Größe und das Ausmaß des Diffusionsbereichs zu steuern. Der Begriff "abnormale transversale Diffusion" steht dafür, daß der Anteil des transversalen Diffusionsabstands in der Nähe der Masken/Substrat-Grenzflache groß ist in bezug auf die vertikale Diffusionstiefe. Wenn der transversale Diffusionsabstand mit dem Symbol χ und die vertikale Diffusionstiefe mit dem Symbol y bezeichnet
TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER: SOiiyCocp. S85P349
werden, so ergibt sich das Verhältnis o( durch die folgende Beziehung:
/ = Transversaler Piffusionsabstand χ
Vertikale Diffusionstiefe y 5
Im Fall der herkömmlichen Technik ist das Verhältnis d größer als 1, wobei im Fall eines SiO2-FiImS der Wert von c( häufig größer ist als 4.
Es ist allgemein anerkannt, daß die abnormale transversale Diffusion nicht nur dann auftritt, wenn ein SiO„-Film als selektive Diffusionsmaske verwendet wird, sondern auch dann, wenn ein Phosphosilicatglasfilm als Maske verwendet oder ein Siliciumnitridfilm auf dem Substrat abgeschieden wird. Bislang ist es nicht möglich gewesen, eine selektive Diffusion von Dotierungsstoffen mit der für das angestrebte Diffusionsmuster erforderlichen Genauigkeit einzudiffundieren.
Es ist somit festzuhalten, daß, wenn Dotierungsstoffe oder Verunreinigungen, wie Zink, selektiv in ein Substrat aus einem Verbindungs-Halbleiter, wie GaAs, eindiffundiert werden sollen, die oben beschriebene abnormale transversale Diffusion unvermeidbar auftritt, so daß die Genauigkeit des erzeugten Diffusionsmusters beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur selektiven Diffusion einer Dotierung in die Oberfläche eines Verbindungs-Halbleiters anzugeben, mit dem es gelingt, die abnormale transversale Diffusion zu unterdrücken und die selektive Diffusion der Dotierungsstoffe mit einer hohen Genauigkeit des angestrebten Musters auch bei Verwendung von Verbindungs-Halbleitern als Substratmaterialien zu bewirken.
TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTSR - Sony Corp. - S85P349
Es hat sich nunmehr gezeigt, daß an der Grenzfläche zwischen den Verbindungs-Halbleitern und der Diffusionsmaske aufgrund des in der selektiven Diffusionsmaske vorhandenen Sauerstoffs eine Transmutationsschicht ausgebildet wird und daß diese sauerstoffhaltige Transmutationsschicht der wesentliche Grund für die oben angesprochene abnormale transversale Diffusion ist. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis wurde die obige Aufgabe nunmehr durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens gemäß Hauptanspruch gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum selektiven Eindiffundieren von Dotierungen oder Verunreinigungen in die Oberfläche eines Verbindungs-Halbleiters, welches darin besteht, eine Diffusionsmaske zu verwenden, bei der die Dicke der sauerstoffhaltigen Schicht an der Grenzfläche zwischen der Maske und dem Substrat auf einen Weit von weniger als 2 nm (20Ä) eingestellt wird.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum selektiven Eindiffundieren einer Dotierung oder Verunreinigung in die Oberfläche eines Verbindungs-Halbleiters, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Diffusionsmaske in der Weise auf das Verbindungs-Halbleitersubstrat aufbringt, daß die Sauerstoff enthaltende Schicht an der Grenzfläche zwischen der Maske und dem Substrat weniger als 2 nm (20 A) dick ist und die Dotierung durch die Maske in das Substrat diffundiert.
Wenn die Dicke der sauerstoffhaltigen Schicht an der Grenzfläche zwischen der Maske und dem Substrat weniger als 2 nm (20 A) beträgt, wird die abnormale transversale Diffusion verhindert, so daß die Dotierungsstoffe selektiv mit einem hohen Maß der Genauigkeit in dem gewünschten Diffusionsmuster in das Substrat diffundiert werden können.
TER MEER · MÜLLER . STEINMEiSTCR „Sony. 9P^P* ~ S85P349
Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht ähnlich der in der Fig. 1 dargestellten, die eine modifizierte Form der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches die Art von Vorrichtung erläutert, die bei dem erfindungsgemäßen Diffusionsverfahren eingesetzt werden kann; und
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der in den Fig. 1 und 2 dargestellten, welche jedoch die herkömmlichen Methoden zum Diffundieren von Verunreinigungen in das Substrat verdeutlicht.
Im folgenden sei eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen näher erläutert, wobei in diesem Fall die Diffusion von elementarem Zink in ein GaAs-Substrat als Beispiel herangezogen wird, ohne daß die Erfindung auf diese Ausführungsform beschränkt sein soll. Vielmehr ist das erfindungsgemäße Verfahren auf die selektive Diffusion einer Vielzahl von anderen Dotierungsstoffen in Substrate, die aus beliebigen Verbindungs-Halbleitern aus Elementen der Gruppen III-V oder III-VI bestehen, anwendbar.
Die Fig. 1 zeigt ein vorbehandeltes GaAs-Substrat 1, auf dem eine Siliciumnitrid (SiN)-Schicht 2 und eine SiO3-
Schicht 3 in dieser Reihenfolge aufgebracht sind. Die Be-
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dingungen sind derart gesteuert, daß die Dicke der sauerstoffhaltigen Schicht auf dem Substrat zwischen der SiN-Schicht 2 und dem GaAs-Substrat 1 weniger als 2 nm (20 Ä) beträgt.
Die Vorbehandlung des Substrats kann in der Weise durchgeführt werden, daß man das Substrat 1 mit Aceton, Trichlorethylen, Aceton und/oder einem Alkohol während jeweils 5 Minuten unter Anwendung von Ultraschallwellen wäscht, dann mit Wasser wäscht und mit einer Kaliumhydroxidlösung ätzt. Nach längerem Kontakt mit der Umgebungsluft bildet sich spontan auf dem in dieser Weise behandelten GaAs-Substrat 1 ein Oxidfilm. Zur Verminderung der Bildung des Oxidfilms auf ein Minimum wird der SiO„-Film 3 vorzugsweise mit Hilfe eines plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheidungsverfahrens aufgebracht. Bezüglich Einzelheiten dieses Verfahrens und seiner Anwendung darf auf "Metals Handbook", 9.Auflage, Band 5 (1982), Seiten 381 bis 386 verwiesen werden.
Die SiO_-Schicht 3 wird gegebenenfalls auf der SiN-Schicht 2 ausgebildet. Wenn die SiO^-Schicht 3 als selektive Diffusionsmaske verwendet wird, kann die Dicke der SiN-Schicht 2 im Bereich von einigen nm (einigen 10 Ä), beispielsweise etwa 5 nm (50 A) betragen, während die Dicke der SiO2~Schicht 3 einige 10 oder 100 nm (100 oder 1000 A), beispielsweise 100 nm (1000 Ä) betragen kann. Wenn lediglich eine SiN-Schicht 4 unter Ausschluß der SiO2-Schicht verwendet wird, wie es durch die Fig. 2 verdeutlicht wird, kann die Dicke der SiN-Schicht 4 im Bereich von einigen 10 bis einigen 100 nm (100 bis 1000 Ä), beispielsweise 200 nm (2000 Ä) betragen.
Dann wird beispielsweise unter Anwendung einer herkömmlichen Photolithographietechnik ein Diffusionsfenster 5 erzeugt. Anschließend wird eine Dotierung, wie Zink, in die
TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTErR
>ony. Corp. - S85P349
Oberfläche des GaAs-Substrats diffundiert, wobei die SiO Schicht 3 und die SiN-Schicht 2 oder lediglich die SiN-Schicht 4 als Maske zur Definition des Diffusionsbereichs 6 verwendet werden.
Die Fig. 3 verdeutlicht ein Beispiel einer Diffusionsvorrichtung zur Durchführung der Diffusionsbehandlung. Bei der dargestellten Anordnung wird elementares Zink als Dotierung diffundiert und es wird eine metallorganische Verbindung, wie Diethylzink, als Zinkquelle eingesetzt. Das Diethylzink wird in einem Behälter 11 mit konstanter Temperatur bei einer Temperatur von etwa 20C gehalten. In den Behälter 11 wird gasförmiger Wasserstoff in über die Strömungssteuereinheit 3 gesteuerter Form eingeleitet, um Diethylzink in den Röhrenreaktor 10 zu überführen. Der gasförmige Wasserstoff wird mit gasförmigem Arsin (AsH3) aus der Gasbombe 12 vermischt, so daß gasförmiger Wasserstoff, der etwa 2 % Arsin enthält, in den Röhrenreaktor 10 überführt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Diethylzinks und des Arsins werden durch die Strömungssteuereinrichtung 13 derart gesteuert, daß die Strömung typischerweise etwa 30 ml/min beträgt. Die lineare Geschwindigkeit längs der Substratoberfläche des Röhrenreaktors entspricht dann etwa 14 cm/s. Die Diffusionstemperatur in dem Röhrenreaktor 10 wird auf etwa 6000C eingestellt. Unter diesen Betriebsbedingungen beträgt die Dichte in der Nähe der Substratoberfläche 2 bis 3 χ ΙΟ19 cm bei einem Diffusionskoeffizienten von 7 χ 10~14 cm2/s. Die aus dem Röhrenreaktor abgeführten Gase werden über eine Ölfalle 14, eine Verbrennungskammer 15, die mit Wasserstoff- und Sauerstoffleitungen versorgt wird, und einem Kühler 16, durch den Kühlwasser strömt, abgeführt. Die abgeführten Gase werden durch Kühlen verflüssigt und in dem Behälter 17 gelagert.
Wenn eine Dotierung, wie Zink, in dieser Weise in das
TER MEER - MÜLLER · STEINMEISTER Sony Corp. - S85P.349
— Q —
GaAs-Substrat 1 diffundiert wird, wird die oben angesprochene abnormale Diffusion im wesentlichen verhindert. Das heißt, daß das Verhältnis d des horizontalen oder transversalen Diffusionsabstands χ in der Nähe des Substrats des Diffusionsbereichs 6 zu der vertikalen Diffusionstiefe y etwa 0,5 bis 1 beträgt, so daß eine selektive Diffusion der Dotierung mit dem gewünschten Maß der Genauigkeit entsprechend der Größe des Diffusionsmusters bewirkt wird.
Dies steht im Gegensatz zu der in der Fig. 4 dargestellten Methode des Standes der Technik. In dieser Fig. 4 ist ein SiO„-Isolationsfilm 22 gezeigt, der durch ein chemisches Aufdampfverfahren auf einem GaAs-Substrat 21 abgeschieden worden ist und in dem durch ein Photoätzverfahren ein Diffusionsfenster 23 erzeugt worden ist. Unter Anwendung des Si02-lsolationsfilms 22 als selektive Diffusionsmaske werden Dotierungsstoffe, wie Zink, unter Bildung eines Diffusionsbereichs 24 in das GaAs-Substrat 21 diffundiert.
In diesem Fall diffundieren die Verunreinigungen jedoch transversal über einen relativ großen Abstand an der Grenzfläche zwischen dem SiO9-FiIm 22 in der Nähe des Diffusionsfensters 23 und dem GaAs-Substrat 21, wobei diese abnormale Diffusion es schwierig macht, die Größe oder die Abmessungen des Diffusionsbereichs 24 zu steuern. In diesem Fall ist das oben definierte Verhältnis d. beträchtlich größer als 1.
Es ist festzuhalten, daß die Filmqualität und die Reinhext der SiN-Schicht und insbesondere deren Sauerstoffgehalt in Beziehung zu dem Brechungsindex stehen. Zur Verhinderung einer abnormalen Diffusion ist es notwendig, daß der Brechungsindex des SiN im Bereich von 2,0+0,07 liegt und die Dicke der Sauerstoff enthaltenden Schicht weniger als 2 nm (20 Ä) beträgt. Vorzugsweise liegt der Brechungsindex im Bereich von 2,0 + 0,05 und noch bevor-
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_ 10 _
zugter im Bereich von 2,0 ± 0,03.
Ein Beispiel zur Erzeugung der SiN-Schicht mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt besteht darin, das GaAs-Substrat vor der Abscheidung der SiN-Schicht einer Glühbehandlung, beispielsweise während 15 Minuten bei 8500C, unter gleichzeitigem Aussetzeh einer Plasmaentladung in einer Wasserstoff gasatmosphäre zu unterwerfen, um in dieser Weise den auf dem GaAs-Substrat vorhandenen Oxidfilm zu reduzieren und die Filmdicke zu vermindern. Dann wird die SiN-Schicht durch das plasmaunterstützte chemische Aufdampfverfahren auf die in dieser Weise vorbehandelte Oberfläche abgeschieden unter Ausbildung einer extrem dünnen sauerstoffhaltigen Schicht an der Grenzfläche zwischen dem GaAs-Substrat und der SiN-Schicht.
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren zum Diffundieren von Dotierungen es ermöglicht, eine selektive Diffusion der Dotierungsstoffe in das Substrat aus dem Verbindungs-Halbleiter zu bewirken, ohne daß eine abnormale Diffusion auftritt, so daß eine selektive Diffusion der Dotierungsstoffe mit einem hohen Maß der Genauigkeit des Diffusionsmusters möglich wird.
Leerseite -

Claims (10)

  1. TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE-EUROPEAN PATENT ATTORNEYS O C Λ 1 "7 Q g
    Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl. Ing. H. Steinmeister
    Dipl. Ing F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51
    Mauerkircherstrasse 45
    D-8000 MÜNCHEN 80 D-4800 BIELEFELD 1
    S85P349DE00 26. November 1985
    SONY CORPORATION
    6-7-35 Kitashinagawa
    Shinagawa-ku, Tokyo 141, Japan
    Verfahren zur Diffusion von Dotierungen
    Priorität: 27. November 1984, Japan, Nr. 248795/84 (P)
    Patentansprüche
    Verfahren zum selektiven Eindiffundieren einer Dotierung in die Oberfläche eines Verbindungs-Halbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Diffusionsmaske in der Weise auf das Verbindungs-Halbleitersubstrat aufbringt, daß die Sauerstoff enthaltende Schicht an der Grenzfläche zwischen der Maske und dem Substrat weniger als 2 nm (20 Ä) dick ist und die Dotierung durch die Maske in das Substrat diffundiert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungs-Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt wird.
    TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER - SonY Corp. - S85P349
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Dotierung elementares Zink eingesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man die Oberfläche des Ver bindungs-Halbleiters vor dem Aufbringen der Diffusionsmaske mit einer Kaliumhydroxidlösung ätzt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens der Teil der Diffusionsmaske, der mit dem Halbleitersubstrat in Kontakt steht, aus einer Siliciumnitrid-Schicht besteht.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß die Diffusionsmaske mit Hilfe eines plasmaunterstützten chemischen Dampfabscheidungsverfahrens aufgebracht wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß man das Halbleitersubstrat vor der Bildung der Siliciumnitridschicht glüht und die plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung in einer Wasserstoffgasatmosphäre durchführt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Siliciumnitridschicht einen Brechungsindex von 2,0 + 0,07 aufweist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Siliciumnitridschicht einen Brechungsindex von 2,0 + 0,05 besitzt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e -
    kennzeichnet, daß die Siliciumnitridschicht einen Brechungsindex von 2,0 + 0,03 aufweist.
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