DE2006994C3

DE2006994C3 - Verfahren zum Dotieren eines Siliciumkristalls mit Bor oder Phosphor

Info

Publication number: DE2006994C3
Application number: DE2006994A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.- Phys. 8000 Muenchen Dathe; Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 8011 Vaterstetten Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-02-16
Filing date: 1970-02-16
Publication date: 1978-08-24
Also published as: FR2078594A5; DE2006994A1; NL7102049A; JPS5412790B1; US3764412A; CA965689A; AT348020B; ATA1072370A; GB1328925A; SE373757B; CH544577A; DE2006994B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren eines Siliciumkristalls mit Hör oder Phosphor, wobei im Sauerstoffstroin eine den Dotierungsstoff enthaltende Oxidschicht auf der Oberfläche des Siliciumkristalls abgeschieden und dann air, der Oxidschicht der Dotierungsstoff durch Erhitzen in Gegenwart eines inerten Gases in den Siliciumkristall diffundiert wird.

Ein solches Verfahren ist in der CH-PS 435 219 an Hand eines Ausfiihrungsbeispicls beschrieben. Hier wird auf t?;r Oberfläche von η-leitenden Siliciumscheiben zunächst dk· für e^;ne Dotierung durch Diffusion notwendige Oxidschicht mit eingelagertem Dotierungsstoff erzeugt. Die in einem Quarzrohr angeordneten Siliciumscheiben werden mittels eines Ofens auf etwa 1 100" C erwärmt und dabei der Einwirkung eines - mit Dotierungsstoff, ■/.. H. BJ,, versetztem - Sauers'.offslroms, z. H. für die Dauer von zwei Stunden ausgesetzt. Dabei entsteht auf der Oberfläche der Siliciumscheiben eine doticrungsstoffhaltige Oxidschicht. Später werden dann die mit der dotierungsstoffhaltigen Siliciumoxidschicht versehenen Siliciumscheiben durch Erhitzen in Luft auf eine Temperatur zwischen 1100 bis 1300" C nachbehandclt. Dabei ist angestrebt, daß nicht nur Dotierungsstoff. sondern auch Sauerstoffatome in das Silicium eindiffundieren.

Ferner ist in der DE-AS 1 148 024 ein Diffusionsverfahren zum Dotieren von Siliciumhalbleiterkörpcrn beschrieben, bei dem in Anwesenheit von Sauerstoff oder einer Sauerstoffverbindung der Siliciumkörper in einer Atmosphäre, die oxydierbares oder oxydiertes Dotierungsmaterial im Dampfzustand enthält, auf eine so hohe Temperatur und für so lange Zeit erhitzt, daß eine Glasschichl auf der Oberfläche des Siliciumkörpcrs entsieht und außerdem eine Diffusion des Dotierungsstoffs in den Siliciumkörper unter der Glasschicht erfolgt. Danach wird der Siliciumkorper so erhitzt, daß die Glasschicht entfernt wird. Schließlich wird dann der Siliciumkörper erneut erhitzt, so daß der bereits eingedrungene Dotierungsstoff weiter in den Silicimnkörpcr eindiffundiert.

Hei diesen bekannten Verfahren entsteht die Oxidschicht b/.w. Glasschicht durch chemische Umwandlung von Silicium an der Oberfläche der zu behandelnden Siliciumkrisialle. lint¹ ;mdeie Möglichkeit besteht in der pyrolytischen Abscheidung des dotierenden Oxids, indem auf die erhitzte Süieiumoberfläche ein Gemisch aus einem inerten Trägergas, einer durch Pyrolyse SiO₂ abgebenden gasförmigen Silici-

lötverbindung (z. B. Methylsiloxan} und dem Oxid des Dotierungsstoffs (z. B. Β,Ο_Λ oder P₂O₅)) zur Einwirkung kommt. Eine andere Möglichkeit besteht in einer anodischen Oxydation der Silicjumoberfläche in Gegenwart des betreffenden Dotierungsstoffs, der in

ίο die anodisch entstehende Oxidschichl anderfJiliciumoberfläclne eingebaut wird.

Das zuletzt genannte Verfahren hat den Vorteil, daß Belegungsprozeß und Dotierungsprozeß streng voneinander getrennt sind, was erfahrungsgemäß zu besonders gut definierten Diffusionstiefen und Oberflächenkonzentrationen der durch den Diffusionsprozeß erzeugten Halbleiterzonen führt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch darin zu sehen, daß es sehr aufwendig ist, weil jeder Halbleiterkörper eine

ao zeitraubende Wartung verlangt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei welchem - ebenso wie hei dem Verfahren der Belegung durch anodische Oxydation - Belegung und Diffusion zeitlich streng voneinander getrennt

^a5 sind, während andererseits eine gewisse Anzahl von Halbleiteranordnungen-ohne besondere aufwendige Wartung - gleichzeitig dem Verfahren unterworfen werden können.

Dies gelingt bei dem eingangs definierten Verfahren gemäß der Erfindung, indem der Sauerstoffstrom über cine das Oxid des Dotierungsstoffs und SiO, enthaltende Quelle und dann über den Siliciumkristall bei 920 C 120 Minuten lang oder bei 1050" C 60 Minuten lang geführt und die Diffusion im Argonstrom bei 1050" C 120 Minuten lang bzw. bei 1200" C 60 Minuten lang durchgeführt wird.

Damil wird sichergestellt, daß während der Entstehung der dotierungsstoffhaltigen Oxidschicht der später in den SilxiumkristaU einzudiffundierende Dotierungsstoff zunächst ausschließlich in dieser Oxidschicht verbleibt und daß tfiitzdcin die Möglichkeit, den Dotierungsstoff aus dieser Oxidschicht dann in das Silicium eirizudiffundiercn. nicht verlorengeht. Da das Einbringen des Dolierungsstoffs und die Er/.cugiing der dolierungsstoffhaltigen Oxidschicht zwei völlig voneinander entkoppelte Prozesse sind, wird auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens ein ausschließlich durch die während der zweiten Phase des Verfahrens angewendete Diffusionstemperatur und Diffusionszeit bes'immt.

Bei den Verfahren der CH-PS 435 219 und der DE-AS I 148 624 sind die Bedingungen für die Herstellung der dotierungsstoffhaltigen Oxidschicht nicht si gewählt, daß ein (lindringen des Dolierungsstoffs in das Silicium während dieser Phase des Verfahrens ausgeschlossen ist. Damit liegen aber zu Beginn der zweiten E'hase des Verfahrens Bedingungen vor, welche zu unübersichtlichen Dotierungsprofilen fuhren müsse η.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt u. a. folgende Möglichkeil der Herstellung einer Halbleiteranordnung zu: Eine Siliciumschcihc wird ganzflächig auf Grund des crfiudiingsgemäßen Verfahrens mit einer dotierenden oxydischen Schicht belegt. Ansehlic-Bend wird an unerwünschten Teilen die oxydische Schicht wieder selektiv wcggeiil/.l. Das freigelegte Silicium ist auf Grund des crfindiingsgcmaßcn HeIeguugsverfahrens frei mim Dotieriingssloff. I aiii in;m

nun auf die Anordnung in der Hitze einen den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden gasförmigen Dniierungsstoff einwirken, so findet gleichzeitig aus dennochanderSiliciumoberfliiehe vorhandenen, vom vorangegangenen Prozeß her stammenden Bclegungen ebenfalls eine Diffusion statt, so daß gleichzeitig Akzeptoren und Donatoren an verschiedenen Stellen in die Siliciumoberfläche zum Eindiffundieren gehracht werden können.

In der Fig. 1 ist eine zur Durchführung des erfin- »o dungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung beispielsweise dargestellt. Diese besteht aus einem Quarzrohr I, das sich zum größten Teil innerhalb eines Rohrofens 2 befindet. An der Eintrittsstelle 1« des Quarzrohres wird in der estcn Phase des erfindungsgemüßcn Verfahrens ein Sauerstoffstrom eingeführt. Dieses strömt über eine das Oxid des betreffenden Dotierungsstoffes an den Sauerstoff abgebende Quelle 3 und gelangt dann an die Oberfläche der zu beschichtenden SHiciumkristalle 4. Diese befinden sich auf einer als Schieber ausgestalteten Horde 5.

Nach erfolgter Belegung wird gegebenenfalls - in der zweiten Phase - die Quelle 3 entfernt, ler Sauersloffstrom durch das inerte das, z. B. Argon, ersetzt und die Diffusion in üblicher Weise vorgenommen. Der Ofen ist so konstruiert, daß mindestens am Ort der Siliciumseheibcn 4 eine konstante Temperatur herrscht.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht folgendermaßen:

1. Bildung des dotierenden Oxids an dei Siliciumoberfläche bei ^U2()" C im O,-Strom, wobei als Quelle ein Gemisch aus B,O, und SiO, verwendet wird; Einwirkungsdauer 120 Minuten. Anschließend erfolgt die Diffusion im Argonslrom bei 1050" C mit einer Dauer von 120 Minuten.

2. Oxidbildung bei 1050' C im .Sauerstoffstrom. Quelle aus B₂O, und SiO,. Einwirkungsdauer M) Minuten. Die eigentliche Diffusion erfolgt im Argonstrom bei 1200 ' C mit einer Dauer von 60 Minuten.

Das B₂O, kann, wie aus dem Vorstehenden leicht ersichtlich, ebenso durch ein Phosphoroxid, insbesondere P₂O₅, ersetzt werden, wenn es sich darum handelt, statt einer p-leilenden, durch Bor dotierten Zone eine η-leitende Zone herzustellen.

Die Durchführung des erfindunpsgemaßen Verfahrens wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispielcs, nämlich der Herstellung eines Feldeffekttransistors mit selbst justierenden source- und drain-Oebieten beschrieben. Zur Erläuterung dieses Verfahrens dienen die Fig. 2 bis 6. Auf einer p-|eitenden einkfistallinen Silicjumscheihe I! wird zunächst eine n-leitende Oberflächenzone 12 epitaktisch abgeschieden, die einerseits von einer maskierenden SiO,-Schicht 13 bedeckt wird. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt.

Mittels einer Fotolackätztechnik wird nun die SiOj-Schieht längs paralleler Streifen 14«, 14/>, 14c entfernt, die im einzelnen der herzustellenden source-, gate- and drain-Zone entsprechen (siehe Fig. 3). Entsprechend der Lehre der Erfindung wird nun p-Leitung erzeugendes dotierendes Oxid in Form eines Filmes 15 über die gesamte Oberfläche abgeschieden, derart, daß kein Bor in das darunterliegende Silicium gelangt. Auf diesen Film 15 wird pyrolytisch ein maskierender SiO₂-FiIm 16 durch thermische Zersetzung einer geeigneten gasförmigen Siloxanverbindungoder einer ähnlichen Verbindung erzeugt. Der erreichte Zustand ist in Fig. 4 dargestellt.

Nunmehr werden diese beiden Füme von der Siliciumoberfläche am Ort der beiden alitieren Streifen 14<-· und 14r entfernt, während sie am mittleren Streifen 14h erhalten bleiben. Es resultiert also der in Fig. 5 dargestellte Zustand.

Auf diese Anordnung läßt man nun durch gleichzeitige Erhitzung ein donatorhaltiges Gas einwirken. Der Donator wird so gewählt, daß er in die von dem SiO, bedeckte Siliciumoberfläche nicht eindringen kann. Ein Beispiel ist Phosphor, der in Form von gasförmigem Phosphorwasserstoff oder Phosphorpentoxid dargeboten wird. Während der Erhitzung dringen Donatoralome an den Fenstern 14</ und 14c und Akzeptoratome am Fenster 14/> in das Innere der epitaktischen Schicht 12 unter Entstehung einer η ' -leitenden source-Zone 17. einer ρ ' -leitenden gate-Zone 18 und einer 11' -leitenden drain-Zone 19 ein. Der erhaltene Zustand ist in Fig. fi dargestellt. In abschließenden Verfahrensschritten werden die erhaltenen Zonen mit sperrfreien Kontakten versehen. Zu diesem Zweck werden an der Oberfläche der gate-Zone die Oxidschichten unter Anwendung einer Fotolakkiitztechnik vorher entfernt.

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist darin /u sehen, daß durch die Festlegung der source-, drainiind gate-Geomelric mit einer Maske die Abstände und Streifenbreiten enger toleriert werden können. Außerdem wird durch dieses Verfahren die Symmetrie des Transistors (Verlauschbarkcit von source und drain) sichergestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Dotieren eines Siliciumkristalls mit Bor oder Phosphor, wobei im Sauerstoffstrom eine den Dotierungsstoff enthaltende Oxidschicht auf der Oberfläche des Siliciumkristalls abgeschieden und dann aus der Oxidschicht der Dotierungsstoff durch Erhitzen in Gegenwart eines inerten Gases in den Siliciumkristall diffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffstrom über eine das Oxid des Dotierungsstoffs und SiO₂ enthaltende Quelle und dann über den Siliciumkristall bei 920° C 120 Minuten lang oder bei 1050° C 60 Minuten lang geführt und die Diffusion im Argonstrom bei 1050" C 120 Minuten lang bzw. bei 1200° C 60 Minuten lang durchgeführt wird.