DE4331937A1 - Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper - Google Patents
Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in HalbleiterfestkörperInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eindiffusion von
Dotanten in Halbleiterfestkörper, insbesondere zur Bil
dung von Halbleiterübergängen in Siliziumkristallkörpern.
Die gebräuchlichsten Verfahren zur Dotierung von Halblei
terfestkörpern sind Hochtemperaturfestkörperdiffusion,
Ionenimplantation und die in letzter Zeit im Zusammenhang
mit der Anwendung von Laserstrahlung wieder aktuelle Le
gierungsdiffusion.
Diese Verfahren haben jeweils spezifische Nachteile.
Hochtemperaturdiffusion und Ionenimplantation verursachen
chemische und strukturelle Fehler im Gitteraufbau, welche
die elektrischen Eigenschaften damit behafteter Bauele
mente verschlechtern. Durch aufwendige zusätzliche Maß
nahmen, wie genaue Temperaturverlaufssteuerung während
der Aufheiz- und Abkühlphasen und Vorkehrungen zur Zu
rückhaltung von ungewollten, meist rasch diffundierenden
Stoffen bei der Hochtemperaturdiffusion können die nega
tiven Auswirkungen begrenzt werden.
Der Ionenimplantation ist stets eine Temperaturbehandlung
zur Ausheilung der durch die Implantation erzeugten
Strukturdefekte nachgeschaltet, welche ähnliche Nachteile
mit sich bringt wie die Hochtemperaturfestkörperdiffu
sion.
Legierungsdiffusion, bei der sich der Dotierstoff in der
Festkörperschmelze sehr schnell verteilt, führt zu sogen.
steilen Profilen in dem nach dem Aufschmelzen wieder
schnell erstarrenden, dotierten Gebiet. Der rasche Kon
zentrationsabfall des Dotanten an der Grenze des dotier
ten Bereiches ist für bestimmte Anwendungen nachteilig,
z. B. sind für einen günstigen Feldverlauf, wie er für
höhere Sperrspannungen nötig ist, flach auslaufende pn-
Übergänge nötig.
In der DE-OL 35 03 264 ist ein weiteres Verfahren beschrie
ben, welches die Änderung der lokalen atomaren Zusammen
setzung von Festkörpern, insbesondere von Halbleitern
durch Anlegen einer Gleichspannung im Volt-Bereich an den
vorher dotierten Festkörper benutzt, wodurch ein Teil der
Festkörperbestandteile zu einer der beiden Spannung er
zeugenden Elektroden wandert und somit die elektrischen
Eigenschaften in bestimmten Volumenbereichen eingestellt
werden können. Voraussetzung für das Verfahren ist, daß
sich die Dotanten bereits im Festkörper befinden. Durch
das elektrische Feld erfolgt lediglich eine Umverteilung.
Dieses Verfahren ist nur eingeschränkt anwendungsfähig
und zwar ist es nicht geeignet, um höhere Dotierungskon
zentrationen, wie sie z. B. für den elektrischen Anschluß
von p- und n-leitenden Bereichen an der Oberfläche und in
einem an die Oberfläche angrenzenden Volumengebiet gerin
ger Tiefe benötigt werden, von außen einzubringen. Für
die Schaffung von Dotierungsprofilen mit hohen Oberflä
chenkonzentrationen müßte der Dotant vor Anlegen der
Gleichspannung in den Festkörper eingebracht werden, da
mit er als Teil der Festkörperbestandteile im elektri
schen Feld wandern kann. Das aber bedeutet zusätzlichen
Aufwand.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in oberflächenna
he Volumenbereiche von Halbleiterfestkörpern anzugeben,
und zwar in einer Weise, welche das Kristallvolumen vor
schädlichen Temperatureinflüssen schützt und die mit in
der Mikroelektronik gebräuchlichen Abmessungen pn-Über
gänge mit flach auslaufendem Dotierungsprofil durch Fest
körperdiffusion herzustellen gestattet.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Merkmal
des Hauptanspruchs, also durch ein Verfahren zur Eindif
fusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper, insbesondere
zur Dotierung von Siliziumkristallkörpern durch Anlegen
einer Gleichspannung und unter Wärmeeinwirkung, bestehend
aus einem das Dotierungsmaterial enthaltenden Medium, mit
dem die Halbleiterfestkörperoberfläche überschichtet ist
und an welches mit Hilfe einer Elektrode eine Gleichspan
nung angelegt wird, während der Gegenpol an der gegen
überliegenden Halbleiterfestkörperfläche direkt anliegt
und der Halbleiterfestkörper bei eingeschalteter Spannung
in dem Bereich des überschichteten Mediums impulsartig
erwärmt wird, wobei die Dotanten aus dem Medium sich an
der Grenzfläche zum Halbleiterfestkörper anreichern und
in den Halbleiterfestkörper übergehen und in diesem
entsprechend der Richtung des angelegten Gleichfeldes
transportiert werden. Die anzuwendenden Temperaturen sind
niedriger als bei der Hochtemperaturdiffusion.
Besonders günstig gestaltet sich der Einsatz von Lasern
zur Erwärmung des Halbleiterfestkörpers, wenn die Wellen
länge der Strahlung so gewählt wird, daß diese das den
Dotierstoff enthaltende Medium ohne wesentliche Schwä
chung durchsetzt und in einer sehr dünnen Schicht nahe
der Oberfläche des Halbleiterfestkörpers absorbiert wird.
Die Erwärmung ist dann lokal begrenzt.
Günstig ist es auch, wenn das überschichtende Medium eine
wäßrige Lösung einer den oder die Dotanten enthaltenden
chemischen Verbindung ist, die durch eine elektrochemi
sche Reaktion, durch die Laser-Bestrahlung oder durch die
kombinierte Wirkung von beidem die Dotanten als Ionen
freisetzt, die dann zur Grenzfläche Dotiermedium-Festkör
per transportiert werden, bzw. in diesem Bereich entste
hen und forciert eindiffundieren.
Das Dotierungsmaterial kann aber auch ein fester Film
sein, der z. B. aus einer aufgetragenen Dotierflüssigkeit
oder durch ein Abscheideverfahren, z. B. ein CVD-Verfah
ren, gebildet wurde. Hierbei wird die eine Elektrode
direkt mit dem festen Film verbunden. Zweckdienlich kann
auch eine gut leitende, den Kontakt verbessernde und mög
liche Unebenheiten des festen Films ausgleichende Zwi
schenschicht sein.
Das Dotierungsmaterial kann in den festen Film aus
schließlich oder additiv durch Ionenimplantation einge
bracht werden, was den Vorteil hat, daß in vorausbestimm
baren Gebieten unterschiedliche Konzentrationen des oder
der Dotanten abgelagert werden können.
Für die Erzeugung lateral strukturierter Diffusionsgebie
te wird der Halbleiterkristallkörper nur in den Bereichen
erwärmt, in denen Diffusion stattfinden soll, was z. B.
durch einen gebündelten Laserstrahl erreicht werden kann.
Das Muster entsteht dabei durch eine gesteuert ablaufende
Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Halbleiterkri
stallkörper.
Dabei können bestimmte Stellen auch mehrfach vom Laser
strahl überstrichen werden und es können auch die Laser
parameter, die Fokussierung des Laserstrahles, bzw. der
Abstand Fokus/Halbleiterfestkörperoberfläche und der Be
wegungsablauf der Relativbewegung während des Ablaufes
gezielt verändert werden, womit die Möglichkeit gegeben
ist, bestimmte Dotierungsprofilverläufe zu erzeugen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbei
spiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der Einrich
tung zur Eindiffusion von Dotanten aus einem flüssigen
Medium.
Fig. 2 ein Dotantenprofil welches nach dem erfindungsge
mäßen Verfahren mit einer der schematischen Darstellung
gemäß Fig. 1 entsprechenden Einrichtung erhalten wurde.
In Fig. 1 liegt auf einem metallischen Grundkörper 1 eine
zu dotierende Halbleiterkristallscheibe 2 so auf, daß
diese einen guten elektrischen Kontakt mit dem
Grundkörper 1 hat. Über einer elektrisch isolierenden und
chemisch resistenten Dichtung 3 befindet sich ein eben
falls elektrisch isolierender und chemisch resistenter
fester Ring 4, an dessen Innenfläche in einem bestimmten
Abstand von seiner Unterseite eine ringförmige Elektrode
5 angebracht ist, die z. B. aus Platin besteht.
Über die Klemmhebel 6 mit den Klemmschrauben 7 ist der
Ring 4 so angedrückt, daß er den Innenraum 8 nach unten
gegen Flüssigkeiten dicht abschließt. Das flüssige Medium
mit dem oder den Dotanten wird bis zur Höhe 9 aufgefüllt.
An die Elektroden 10 und 11 wird eine Gleichspannung an
gelegt und der Laserstrahl 12, der in der x- und y-Rich
tung führbar ist, durchdringt das flüssige Dotiermedium
und erwärmt die Stelle der Halbleiterkristallscheibe, auf
die er auftrifft.
Bei Verwendung einer 100-Siliziumscheibe (n-leitend;
spez. elektr. Widerstand ca. 20 Ωcm), einer wäßrigen
Bor-Dotierlösung (40 g Borsäure in 1 l Wasser gelöst),
einem Abstand Ringelektrode-Oberfläche Siliziumscheibe
von ca. 2 mm, einer Spannung von 30 V, (Plus-Pol am Pla
tinring; Minus-Pol an der Siliziumscheibe) und Bestrah
lung mit einem gütegeschalteten Nd/YAG-Laser (50 MBit-
Laser, Schaltfrequenz 10 kHz, Energie des Einzelimpulses
ca. 0,2 mJ) mit einer Fahrgeschwindigkeit (scan) des
Laserstrahles über die polierte Siliziumober-fläche von 5
mm/s, ergab sich ein Borprofil mit einer Oberflächenkon
zentration von ca. 1018 Atomen/cm3 und einer Eindringtiefe
von 350 nm (siehe Fig. 2).
Bezugszeichenliste
Fig. 1:
1 Grundkörper aus Metall
2 Siliziumscheibe
3 Dichtung aus elektrisch isolierendem Material
4 fester Ring, der chemisch resistent ist, aus Isoliermaterial
5 Ringelektrode aus Platin
6 Klemmhebel
7 Klemmschraube
8 Innenraum für das flüssige Medium, welches das Dotiermaterial enthält
9 Niveau, bis zu dem das flüssige Medium reicht, welches das Dotiermaterial enthält
10 elektrischer Anschluß für die Ringelektrode
11 elektrischer Anschluß für die Siliziumscheibenelektrode (Grundkörper)
12 Laserstrahl
X, Y, Z Bewegungsrichtungen des Laserstrahles
1 Grundkörper aus Metall
2 Siliziumscheibe
3 Dichtung aus elektrisch isolierendem Material
4 fester Ring, der chemisch resistent ist, aus Isoliermaterial
5 Ringelektrode aus Platin
6 Klemmhebel
7 Klemmschraube
8 Innenraum für das flüssige Medium, welches das Dotiermaterial enthält
9 Niveau, bis zu dem das flüssige Medium reicht, welches das Dotiermaterial enthält
10 elektrischer Anschluß für die Ringelektrode
11 elektrischer Anschluß für die Siliziumscheibenelektrode (Grundkörper)
12 Laserstrahl
X, Y, Z Bewegungsrichtungen des Laserstrahles
Claims (13)
1. Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiter
festkörper, insbesondere zur Dotierung von Silizium
kristallkörpern durch Anlegen einer Gleichspannung und
unter Wärmeeinwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß der
zu dotierende Teil der Halbleiterfestkörperoberfläche
mit einem das Dotierungsmaterial enthaltenden Medium
überschichtet wird, welches mit der einen Elektrode
einer Gleichstromquelle verbunden ist, während die
zweite den Halbleiterfestkörper kontaktiert und der
Halbleiterfestkörper bei an den Elektroden anliegender
Spannung in dem Bereich des überschichteten Mediums
impulsartig erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die impulsartige Erwärmung auf einen oberflächennahen
Volumenbereich des Halbleiterfestkörpers beschränkt
erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die impulsartige Erwärmung des Halbleiterfestkörpers
durch Laser-Strahlung erfolgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das den Dotierstoff enthaltende Medium
für das Laserlicht transparent ist und die Absorption
im wesentlichen im oberflächennahen Volumenbereich des
Halbleiterfestkörpers stattfindet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das das Dotierungsmaterial enthaltende Medium eine
Flüssigkeit ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeich
net, daß die das Dotierungsmaterial enthaltende Flüs
sigkeit ein Elektrolyt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das das Dotierungsmaterial enthaltende Medium ein
fester Film ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeich
net, daß der feste Film durch eine auf die Halbleiter
festkörperoberfläche aufgebrachte und verfestigte Do
tierflüssigkeit gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeich
net, daß der feste Film durch eine mittels des CVD-
Verfahrens abgeschiedene Schicht gebildet wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 7 und 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial durch
Ionenimplantation in das den Halbleiterfestkörper
überschichtende Medium eingebracht ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Ausbildung
eines dotierten Musters mit Hilfe von Laserlicht eine
gesteuerte Relativbewegung zwischen Laserstrahl und
Halbleiterfestkörperoberfläche realisiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß bestimmte Gebiete der Halbleiterfestkörperober
fläche mehrfach vom Laserstrahl überfahren werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Relativbewegung Betriebsparameter des
Lasers sowie Fokussierung, bzw. der Abstand Fokus-
Halbleiterfestkörperoberfläche gezielt verändert wer
den.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934331937 DE4331937A1 (de) | 1993-09-16 | 1993-09-16 | Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934331937 DE4331937A1 (de) | 1993-09-16 | 1993-09-16 | Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4331937A1 true DE4331937A1 (de) | 1994-03-17 |
Family
ID=6498123
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934331937 Withdrawn DE4331937A1 (de) | 1993-09-16 | 1993-09-16 | Verfahren zur Eindiffusion von Dotanten in Halbleiterfestkörper |
Country Status (1)
Country | Link |
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- 1993-09-16 DE DE19934331937 patent/DE4331937A1/de not_active Withdrawn
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