DE1192749B - Verfahren zum Aufzeichnen eines ringfoermigen Musters auf der Oberflaeche eines Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

W 31948 VIII c/21g
29. März 1962
13. Mai 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufzeichnen eines ringförmigen Musters auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bei dem eine Maske mit mehreren Löchern nahe dieser Fläche angebracht wird und ein Material durch die Löcher der Maske hindurch auf der Halbleiteroberfläche niedergeschlagen wird.

Die Verwendung verschiedener, mit Hilfe von Masken hergestellter Figuren auf Oberflächen von Halbleiterkörpern zur Bildung begrenzter Legierungs- und Diffusionsgebiete usw. ist bekannt.

Eine besonders erwünschte geometrische Form zur Herstellung von Dioden und Transistoren ist die Ringform, deren Herstellung unter Verwendung einer Maske beim Aufdampfen oder beim Belichten einer lichtempfindlichen Schicht schwierig, wenn nicht unmöglich ist. So muß bei der Erzeugung einer Ringfigur der den Innenkreis des Ringes bestimmende Kern der Maske in irgendeiner Weise hinsichtlich des Außenkreises gehalten werden, was meist durch einen oder mehrere, die Ringzone überbrückende Stege geschieht. Diese Stege sind aber wegen ihrer Abschattungswirkung Ursache dafür, daß keine zusammenhängende Ringzone erzeugt werden kann.

Bei der, Herstellung von Mesatransistoren ist es bekannt, eine mit mehreren Schlitzen versehene Maske im Abstand von der Oberfläche des Halbleiterkörpers anzuordnen und durch die gleichen Schlitze nacheinander Gold und Aluminium, aber unter verschiedenen Richtungen, bei gleichzeitig erfolgendem Einlegieren auf die Halbleiterkörperoberfläche aufzudampfen, so daß schräg unter jedem Schlitz eine langgestreckte Emitterzone (Al) entsteht, neben der ein Basiskontakt (Au) gleicher Abmessungen liegt. Mit Hilfe dieses Verfahrens können aber aus den vorstehend erwähnten Gründen keine zusammenhängenden Ringzonen erzeugt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Schwierigkeiten bei der Herstellung von Ringfiguren auf Halbleiterkörpern zu vermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vom eingangs beschriebenen Verfahren ausgegangen, und es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich die Maske und der Halbleiterkörper zusammen um eine Achse drehen, die im wesentlichen senkrecht zu der Halbleiteroberfläche orientiert ist. Hierdurch ist es, wie nachstehend noch ersichtlich werden wird, auf einfachste Weise möglich, Ringfiguren zu erzeugen.

Es ist zwar aus der Bedampfungstechnik bekannt, zu bedampfende Gegenstände auf einer sich drehenden Scheibe anzuordnen und ohne Verwendung einer Verfahren zum Aufzeichnen eines ringförmigen
Musters auf der Oberfläche eines
Halbleiterkörpers

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

William Wiegmann, Middlesex, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. April 1961 (102 741)

Maske nacheinander über eine Bedampfungsquelle hinweg zu drehen, wodurch die Gegenstände in dieser Reihenfolge mit einem aufgedampften Niederschlag versehen werden. Dieses Verfahren ist aber vom erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich verschieden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann eine Maske aufweisen, die mit runden, in gleichen Abständen voneinander liegenden Löchern versehen ist. Die Maske wird mit Hilfe eines Abstandshalters im Abstand von der Oberfläche einer Halbleiterscheibe festgelegt. Die aus der Maske, dem Abstandshalter und dem Halbleiter bestehende Anordnung wird dann in eine Vorrichtung eingesetzt, die eine Drehung dieser Anordnung um eine Achse senkrecht zur Ebene der Maske und der Scheibe ermöglicht. Im Abstand von der Maske und in radialen Abstand von der Drehachse wird eine Verdampfungsquelle angeordnet. Die Verdampfungsquelle kann beispielsweise ein kleiner Heizfaden sein, der das aufzudampfende Material, z. B. Siliziummonoxyd, trägt. Maske und Scheibe werden langsam gedreht, und die Stromzufuhr zum Heizfaden wird eingeschaltet, so daß das Siliziummonoxyd verdampft wird. Das Aufdampfen erfolgt zweckmäßig im Vakuum. Während der langsamen Drehung von Maske und Scheibe wird das Siliziummonoxyd bei feststehender Dampfquelle durch die Maske hindurch auf der Halbleiteroberfläche in Form von Ringen niedergeschlagen, wobei jedes Loch

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der Maske auf der Halbleiteroberfläche einen SiIiziummonoxydring erzeugt. Der Durchmesser des erhaltenen Ringes ist von der Größe der außeraxialen Versetzung der Verdampfungsquelle abhängig. Die Breite des Ringes entspricht im wesentlichen dem Durchmesser des zugeordneten Loches.

Es ist auch die kinematische Umkehrung der ganzen Vorrichtung denkbar, um dasselbe Ergebnis zu erhalten. Diese Alternative ist jedoch konstruktiv komplizierter.

Wird ein Kreisfleck gewünscht, der konzentrisch zu einem der auf die vorstehend beschriebene Weise erzeugten Ring liegt und einen radialen Abstand vom Innenkreis desselben besitzt, so wird eine zweite koaxial zur Drehachse der Anordnung angebrachte Verdampfungsquelle verwendet. Eine derartige Anordnung ist zum Aufbringen metallischer Elektroden auf gewissen Transistorarten geeignet.

Die Anordnung kann auch, wie bereits erwähnt, dazu verwendet werden, um beispielsweise eine ringförmige belichtete Hache auf einer lichtempfindlichen Schicht zu erzeugen, die nachfolgend zur Bildung einer Ringfigur entwickelt wird.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine, teilweise im Aufschnitt, schematische Darstellung des Geräts zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Scheibe aus Halbleitermaterial, auf deren Oberfläche durch das Gerät der F i g. 1 Figuren ausgebildet sind;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die Halbleiterscheibe der F i g. 2;

F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch den Transistor, der aus einem Teil der in F i g. 2 und 3 dargestellten Halbleiterscheibe gebildet ist.

Die F i g. 1 zeigt in schematischer Form die Grundelemente des Geräts zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung. Eine rechteckige Scheibe 11 aus Silizium, die vorher eindiffundierte pn-Ubergänge enthält, ist mit Hilfe einer einfachen Klemmanordnung in der Vorrichtung 12 angeordnet. Eine perforierte Maske 13, die von der Siliziumscheibe durch ein Abstandsstück 14 getrennt ist, ist ebenfalls in die Vorrichtung geklemmt. Wie aus der schematisehen Darstellung hervorgeht, ist diese Vorrichtung 12 mit Hilfe eines hitzebeständigen Lagers 15, für das die Verwendung von Kohlenstoff typisch ist, auf einem Grundteil 16 drehbar angeordnet. Diese Vorrichtung wird durch einen Motor 17 über einen Riemen 18 langsam gedreht. Es können auch andere Anordnungen angewendet werden, um die perforierte Maske fest mit der Siliziumscheibe zu verbinden und die Vorrichtung zu drehen. Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung ist zur Erleichterung der Erläuterung gewählt.

Zwei Verdampfungsquellen für das aufzubringende Material sind schematisch in Form von kleinen Tiegeln dargestellt, wobei zu jedem Tiegel ein elektrisches Heizelement gehört. Eine Verdampfungsquelle 21 ist in der Drehachse der Vorrichtung 12 dargestellt. Die zweite Verdampfungsquelle 22 ist entfernt von der Drehachse angeordnet, sie hat jedoch im wesentlichen den gleichen Abstand von der perforierten Maske. Die Metallmaske, die typisch aus Nickel besteht, besitzt neun kleine kreisförmige Löcher mit gleichem Abstand voneinander. Bei Verfahren, bei denen die Temperatur zwischen den Verdampfungen zum Zweck desLegierens geändert wird, kann die Maske aus Molybdän bestehen, das im wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizient wie Silizium hat.

Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Aufdampfgerät wird die gesamte Anordnung vorteilhafterweise in eine nicht dargestellte evakuierte Kammer eingeschlossen. Bei der Herstellung eines diffundierten Flächentransistors wird z. B. vorher die Siliziumscheibe zwei Diffusionsbehandlungen unterworfen, um das η-leitende Basisgebiet 23 und die verschiedenen p-leitenden Emittergebiete 24 herzustellen. Wie später vollständiger erklärt wird, können insbesondere die diffundierten Emittergebiete bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung genau definiert werden. Zunächst sei jedoch angenommen, daß die Scheibe bereits die diffundierten Basis- und Emittergebiete enthält, und beim Einbringen in die Vorrichtung zur Aufnahme der metallischen Elektroden für den Kontakt mit den Basis- und Emittergebieten vorbereitet ist.

Die Kammer, welche das Gerät enthält, wird entsprechend bekannter Verfahren gereinigt und auf etwa 1 · 10~⁶ mm Quecksilbersäule evakuiert. Bei feststehender Vorrichtung wird die erste Verdampfungsquelle 21 erhitzt und das Material, z. B. Aluminium, durch die Löcher in der Maske hindurch aufgedampft, um eine Anordnung von kreisförmigen Flecken auf der Siliziumoberfläche zu erzeugen. Somit definiert jedes Loch in der Maske einen Dampfstrahl der ersten Quelle 21, der auf der Siliziumoberfläche in einer kreisförmigen Figur auftritt. Es ist leicht verständlich, daß das Loch 19 in der Maske, das sich auf der Drehachse befindet, einen kreisförmigen Fleck erzeugt, weil die Quelle 21, das Loch 19 und der aufgebrachte Materialfleck sämtlich auf der Drehachse liegen. Wenn der Abstand zwischen der Verdampfungsquelle und der Maske sowohl im Vergleich zum Abstand zwischen der Maske und der Halbleiteroberfläche als auch zwischen dem mittleren Loch und den nicht in der Mitte liegenden Löchern groß ist, werden in gleicher Weise kreisförmige Flecke aus aufgebrachtem Aluminium durch diese nicht in der Mitte liegenden Löcher in der Maske erzeugt. Nach dem Aufbringen des Aluminiums wird ohne Änderung des Drucks in dem Gehäuse die zweite Verdampfungsquelle 22 erhitzt, und die Vorrichtung 12 langsam mit einer Geschwindigkeit von zehn bis zwanzig Umdrehungen je Minute gedreht. Das Material der Quelle 22, z. B. Gold mit einem kleinen Anteil von Antimon (0,5 bis 1,0%), wird, wenn sich die Vorrichtung dreht, in einer Anordnung von Ringen aufgedampft, die konzentrisch zu den vorher aufgebrachten Aluminiumflecken sind. Die Bildung dieses Ringes läßt sich am besten verstehen, wenn die Bildung des in der Mitte gelegenen Ringes 20 betrachtet wird, der konzentrisch zur Drehachse liegt. Wenn sich die Vorrichtung 12 dreht, wird das Material der nicht in der Mitte liegenden Verdampfungsquelle 22 auf einer ringförmigen Fläche 20 aufgebracht, die konzentrisch zum mittleren Fleck liegt. Wenn auch etwas schwieriger zu veranschaulichen, so entsteht doch ein ähnlicher ringförmiger Niederschlag konzentrisch zu den anderen kreisförmigen Flecken, mit Hilfe eines Dampfstrahls durch die anderen Löcher in der Maske.

Die zum Aufbringen der aus Ringen und Flecken bestehenden Figuren erforderliche Zeit ist weit-

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gehend durch die Notwendigkeit bestimmt, eine ver- besondere bei den obenerwähnten Abmessungen, hältnismäßig große Materialmenge für den ringförmi- beizubehalten. Der Abstand zwischen Maske und gen Kontakt zu verdampfen. Dies wird verständlich, Scheibe soll sich nicht mehr als 0,005 mm ändern, wenn man in Betracht zieht, daß nur ein kleiner Teil um Änderungen des Abstands der aus Ringen und jedes Ringes zu einer gegebenen Zeit in einer Linie 5 Flecken bestehenden Figuren in der gesamten Anmit der Quelle liegt, während die Quelle für den mitt- Ordnung von mehr als 0,002 mm zu vermeiden,
leren Fleck während des ganzen Verdampfungsvor- Weiterhin besteht bei der Herstellung der oben ganges auf den ganzen Fleck gerichtet ist. Um einen beschriebenen doppelt diffundierten Transistoren die ringförmigen Kontakt aus einer Gold-Antimon-Le- vorher erwähnte Vorbehandlung der Siliziumscheibe gierung mit einer Dicke von 1000 Ä zu erzeugen, io zunächst in der Diffusion eines Akzeptors, wie Bor, ist eine Verdampfungszeit von etwa 20 Minuten not- in die eine Fläche der Scheibe mit n-Leitfähigkeit, wendig. Die Fleckfigur kann jedoch in vergleich- um die Basis 35 zu erzeugen, wie es in F i g. 4 darbarer Dicke in einer Zeit von weniger als 5 Minuten gestellt ist. Dann wird auf der p-leitenden Oberfläche erzeugt werden. Die durch das eben beschriebene der Scheibe ein thermisch gewachsenes Oxyd ge-Verfahren hervorgebrachte Anordnung ist in den 15 bildet, das weiterhin mit einem lichtempfindlichen F i g. 2 und 3 dargestellt. Wenn auch nur eine An- Material bedeckt wird. Diese Arbeitsstufen erfolgen Ordnung von neun Kontaktfiguren gezeichnet ist, so im allgemeinen entsprechend bekannter Verfahren, kann doch auch eine größere Anzahl erzeugt wer- Die Scheibe wird dann mit der bedeckten Fläche den, indem weitere Löcher in der Maske vorgesehen nach unten in das Gerät nach der F i g. 1 gebracht, und die Größe der Maske und des Werkstücks ge- 20 wobei jedoch an derselben Stelle, wo die Gold-Antiändert werden. Andere Abänderungen dieses Ver- mon-Verdampfungsquelle 22 angeordnet war, die fahrens liegen auf der Hand, ζ. B. indem nur eine später benutzt wird, eine Ultraviolettquelle angeordaus der Mitte versetzte Verdampfungsquelle vorge- net wird. Insbesondere wird die Ultraviolettquelle sehen wird, um nur den Ring zu erzeugen oder in- zuerst im selben Abstand von der Maske wie die dem eine dritte Quelle in einem größeren Abstand 25 Verdampfungsquellen angebracht, jedoch in einem von der Drehachse hinzugefügt wird, um einen wei- etwas geringeren Abstand von der Drehachse als die teren Ring außerhalb des in F i g. 2 dargestellten zu Quelle 22. Die Vorrichtung wird bei eingeschalteter erzeugen. Lichtquelle gedreht, um Teile der mit der lichtemp-

Die Scheibe 30 in der F i g. 3 wird eine kurze Zeit findlichen Schicht bedeckten Oberfläche entlang erhitzt, um die aufgebrachten Metallelektroden 30 sprechend einer Anordnung von ringförmigen Ge-31 und 32 etwas in das Halbleitermaterial einzu- bieten zu belichten. Die Lichtquelle wird dann in legieren; andererseits kann das Legieren nach Be- einen etwas größeren Abstand von der Drehachse endigung jeder Aufbringung des Materials im verschoben und der Vorgang wiederholt. So wird Vakuum erfolgen. Die Scheibe 30 aus Halbleiter- eine Anordnung von belichteten ringförmigen Gebiematerial wird dann, wie es durch die strichpunktier- 35 ten erzeugt, die etwas größer als die Gebiete sind, ten Linien 33 und 34 angedeutet ist, in einzelne die danach durch die Verdampfungsquelle 22 her-Scheiben zur Herstellung von Transistoren geteilt, vorgebracht werden. Ebenso kann auch an Stelle der wie aus der Fig. 4 hervorgeht. Die Scheibe 40 wird Lichtquelle die Vorrichtung 12 zwischen den Belichin der dargestellten Weise geätzt, um das Gebiet des tungen verschoben werden.
Kollektorübergangs 41 zu verkleinern. 40 Nach dem Entfernen aus der Vorrichtung wird

An die Emitterelektrode 44 und die Basiselektrode die Halbleiterscheibe nach allgemein bekannten

45 werden die Drähte 42 und 43 befestigt. Der Bo- Verfahren weiterbehandelt, um die lichtempfindliche

den der Scheibe wird mit einer Goldschicht 46 über- Schicht mit Ausnahme der entwickelten ringförmigen

zogen, um sie in elektrischer Verbindung mit einem Gebiete zu entfernen. Dann wird das Oxyd durch

Halter anbringen zu können. 45 Ätzen von diesen freien Gebieten entfernt, woraufhin

Eine Vorstellung von der durch das erfindungs- das entwickelte lichtempfindliche Material abge-

gemäße Verfahren ermöglichten Genauigkeit kann waschen werden kann. Die Halbleiterscheibe besitzt

man durch Betrachtung typischer Abmessungen sol- dann eine Oberfläche, die eine Anordnung von mit

eher Bauelemente erhalten. Die Siliziumscheibe kann Oxyd bedeckten, ringförmigen Gebieten aufweist, die

Seitenlängen von 1,02 · 1,27 cm haben. Das Ab- 50 nun einer Phosphordiffusionsbehandlung unterwor-

standsstück zwischen der Siliziumscheibe und der fen werden kann, welche die freien Oberflächenteile

Maske hat eine Dicke von 0,13 mm, während die η-leitend macht, und die in den Fig. 3 und 4 dar-

Löcher in der Maske einen Durchmesser von 0,02 gestellten Emittergebiete 36 erzeugt. Die dazwi-

bis 0,03 mm haben können. Die Verdampfungs- schenliegenden diffundierten Oberflächenteile 37 sind

quellen sind etwa 6,98 cm von der Maske angeord- 55 kein Teil der endgültigen Anordnung. Sie werden

net, wobei der Abstand zwischen den Löchern in der durch die Ätzung entfernt, welche den Mesaaufbau

Maske etwa 0,25 cm beträgt. Bei einer typischen hervorbringt.

Anordnung war die von der Mitte entfernte Ver- Nach dieser Diffusionsbehandlung und nach einer

dampfungsquelle etwas weniger als 2,54 cm von der Oberflächenreinigung ist die Scheibe dann fertig für

Drehachse entfernt angebracht. Diese Anordnung er- 6° das oben beschriebene Aufbringen von metallischen

zeugt eine aus Ringen und Flecken bestehende Figur, Elektroden. Durch Verwendung desselben Geräts

bei der die Flecke einen Durchmesser von etwas mit den Verdampfungs- und Strahlungsquellen in zu-

mehr als 0,025 mm hatten, während der Durchmesser einander in Beziehung stehenden Lagen werden ge-

des äußeren Umfangs des Ringkontakts etwa 0,11mm wisse Probleme hinsichtlich der Maskendeckung ver-

betrug. Der Abstand zwischen dem Ring und dem 65 mieden.

Fleck war etwa 0,01mm. Zur Erzielung genauer Schließlich kann das Gerät nach der Fig. 1 verFiguren ist es wichtig, einen gleichmäßigen Abstand wendet werden, um einen Ring aus abdeckendem zwischen der Maske und der Siliziumoberfläche, ins- Material aufzubringen. Zum Beispiel kann mit der

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zweiten Verdampfungsquelle 22 Silizium-Monoxyd verdampft werden. Wenn dies die einzige Quelle zum Aufbringen von Material ist, wird auf der Oberfläche der Siliziumscheibe ein kleiner Oxydring aufgebracht, der insbesondere als Maske zum Einlegieren in das Siliziummaterial benutzt werden kann, um gleichrichtende pn-Übergänge mit begrenztem Querschnitt zu erzeugen, wie sie insbesondere zur Herstellung von Tunneldioden geeignet sind.

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufzeichnen eines ringförmigen Musters auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bei dem eine Maske mit mehreren Löchern nahe dieser Fläche angebracht wird und ein Material durch die Löcher der Maske hindurch auf der Halbleiteroberfläche niedergeschlagenwird, dadurchgekennzeichnet, daß sich die Maske und der Halbleiterkörper zusammen um eine Achse drehen, die im wesentlichen senkrecht zu der Halbleiteroberfläche orientiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf der Halbleiteroberfläche aus zwei Quellen niedergeschlagen wird, die im wesentlichen dieselben Abstände von der Maske, jedoch unterschiedliche radiale Abstände von der Drehachse haben.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle in der Drehachse angeordnet wird, so daß das auf der Halbleiterfläche erzeugte Muster einen Punkt und einen konzentrischen Ring für jedes Loch in der Maske aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1080 697;
USA.-Patentschrift Nr. 2 887 411;
französische Patentschrift Nr. 1107451;
britische Patentschrift Nr. 612 858;
»Scientia electrica«, 1960, H. 2, S. 80 bis 91.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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