DE2152297A1

DE2152297A1 - Verfahren zur Diffusionsbehandlung eines Halbleiters

Info

Publication number: DE2152297A1
Application number: DE19712152297
Authority: DE
Inventors: Brown William Allan
Original assignee: Cogar Corp
Current assignee: Cogar Corp
Priority date: 1970-10-27
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1972-05-10
Also published as: NL7114791A; US3932239A

Description

Oogar Corporation
Vappingtrt falle (Hew York, USA)

Verfahren tt»r DIffusion·behandlung eines Hal blei tere

Di· Erfindung betrifft ein Verfahren tür Diffusion·- behandluag «ine· Halbleiter·« inabeeondere eine» SiliciussubBtrats, in eines offenen Bohr unter Terwendung einer Phosphorquelle.

Zur Bildung τοη Halbleiter-Diffusatsonen in eines Halblei tereubetrat» e.B. aus Sillolus, kann aan eine Diffusionsbehandlung in einer Kapsel oder eine· geschlossenen Rohr oder In eine· offenen Rohr oder alt Hilfe eines dotierten Oxides oder durch Implantation τοη Ionen durchfuhren· Jedes dieser bekannten;-. Verfahren hat bestirnte Tor- und lach teile. Bei der Bildung Ton n-Dlffusatsohea in eines Sillolussubstrat durch Diffusion in eines offenen Rohr wird eft Phosphor als Stttrstoff verwendet. Besonders snr Herstellung der **ittersone eines npn»Tranaletor· i»t es bekannt, bei eines in eines offenen Rohr durohgeffl%rtea DlffuslciSTorgang Phosphor als Stöntoff su Tervenden. IeI 4er Herstellung tos s-Eanal-Metalloxid-Balbleitereinriehtusges Aer Is Aer as 27· Oktober 1976 eingereichten msd auf Ale AajMlderl* Übertragenes USA-Patentanseldung Θ4 277 uster des Titel ■I1T HMORT OHI? I »eluding fll DeTicee Therefor and Pabri sation Method" und der entsprechenden deutschen Patentanseidung (die··· Aktenselohen 26 432) beschriebenen Art werden die a-Bmitter- und die n-Kollektor-Diffusatione duroh eine Diffuslonsbehandlung In eines offenen ttohr unter Verwendung τοη Phoephor gebildet.

Bei der Herstellung τοη ηρη-Transistoreinrichtungen oder τοη n-Kanal-Metallozid-ualbleitereinrichtunrjen ist ea oft wichtig» daß die Diffuaatzoae eine siniaale Dicke und einen niedrigen'epesiflschen elektrischen Blattwideratand (sheet reoietance) hat. Dies ist besondere wichtig bei der Herstellung

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von Einrichtungen, die eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit haben und daher nur kleine lanalbreiten (Basisbreite oder Gattkanalbreite) haben dürfen. Die Erfüllung dieser Forderung in der Halbleiter-Industrie ist schwierig, weil zur Herabsetzung des spezifischen elektrischen Blattwiderstandes lange JSrhitzungszeiten und hohe Störstoffkonzentrationen erforderlich waren, die ihrerseits zu einer Erhöhung der Dicke des Zonenübergang β führten. Jte war daher sehr schwierig, einerseits eine optimale, geringe Dicke und andererseits einen niedrigen spezifischen elektrischen Blattwiderstand der Diffusatzone zu erzielen. Bei der Herstellung einer bipolaren Traneistoreinrichtung, z.H. einer npn-Binrichtung, alt einer sehr hohen Arbeitegeschwindigkeit muß die Diffusatzone dünn und der Abstand (dl· Basisbreite)zwischen dem Basis-Emitter- und dem Basis-Kollektor-Übergang sehr klein sein· Je schmaler die Basisbreite bzw. der Abstand zwischen dem Basis-Emitter- und Am Basis-Kollektor-Übergang ist, desto höher ist die Arbeitsgeschwindigkeit der Einrichtung. Daher ist ein Diffusionsverfahren erwünscht, mit dem ein sehr dünner Basie-Smltter-Übergang erzeugt werden kann. Um die Schwierigkeiten zu vermelden, die bei der Herstellung von dünnen Diffusatzontn mit Phosphor auftreten, hat man schon die Verwendung von araendotierten Emitterzonen vorgeschlagen. Die Vermeidung der genannten Schwierigkeiten ist besonder» wiohtig, wenn in dem Verfahren andere Schritte durchgeführt werden nüssen, welche die Dicke der vorher gebildeten phorphordotiorten Imltter-Diffuaatzone beeinflussen. Auch bei der Herstellung einer n-Kanal-Metalloxld-Halbleiterelnriolitung müssen die Emitter- und die KoIlektor-liffusatzone der Metalloxid-Halbleiter- bzw. IB3-llnrlchtung derart hergestellt werden, daß die Dicke dar Dlffuaatsone bei der nachfolgenden Behandlung des Gatts nur miniaal verändert wird.

Bei der Erzeugung von dicken Oxidschichten durch Wärmebehandlung nach der Bildung von Diffusatzonen in einer Halbleiteranordnung, s.B. nach der Bildung einer n-Emitte_zone in npn-Anordnungen oder der Bildung einer η-Emitter- und einer n-Kolloktorzone in Metalloxid-llalblelteranordnungen, tritt oft die Schwierigkeit auf,.daß die über bestimmten Bereichen des Hulöleitoroubstrats durch Wärmebehandlung zu erzougotiden, dicken Oxidacbichten

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nicht erhalten werden können, weil für die Erzeugung dieser dicken Oxidschichten eine Behandlung während einer so langen Zeit und bei einer so hohen Temperatur erforderlich ist, daß die Dicke deυ Zonenübergangee in unerwüne enter Welse vergrößert wird . Dadurch wurden die ursprünglichen Diffusatprofile oder -zonen in der Halbleiteranordnung zerstört oder abgeändert. Ea besteht daher ein Bedürfnis nach einem zur Diffusionsbehandlung eines Halbleiters dienenden Verfahren, alt den einerseits Diffusatzonen von geringer Dicke und alt kleinem spezifischen elektrischen Blattwiderstand erzeugt werden können und das andererseits die Bildung von dieken Oxidschichten durch Wärmebehandlung ermöglicht.

iiie Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines verbesserten verfahrene zur Diffusionsbehandlung eines Halbleiters.

Eine weitero Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten und in einea offenen Rohr durchgeführten Verfahrens zur Diffuslonsfeehandlunf eines Halbleiters.

Ferner besteht eine Aufgab« der Erfindung in der Schaffung eines verbesserten und in einem offenen ttotar durchgeführten verfahrene zur Diffusion«behandlung «ines Halbleiter« uat«r Verwendung von POCl. al« Phospkwriuelle·

UBe weitere Aufgab« Aar Brfiniung besteht la 4#r Seaaffaag «la·« verbesserten terfakreas ibt Ausbildung νob düBaea B-Dlffusatzonea alt al«Arlg«m spezifischen «l«ktrl«oh«a Blattwldersta^ und voa 41ok«n Oxlft-0berfllokensehioht«& bei der Herstellung voB netalloxli-Halblelterelnrlchtungen und bipolaren Halbleitoreinrichtungen.

Die Krflndung schafft «in Verfahren zua Eindlffundieren von Störstoffen in ein HalbleitwvnubairRt. Tn einer Ansflihrungsform wird ia einem offenen Bohr Phosphor ej.ndi f fundiert, wobei die Dicke d*r Diffnsatzone durch die Dauer dee Auftragen«! der Phosphor^uelle beeinflußt wird. Auf dlesu Weine kann mun olno Dlffueatzone err.eu/sen, die eine gerinne Picke unJ daher <Μηο·.>

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geringen spezifischen elektrischen Blattwiderstand hat. Dae DiffueionsTPrfahren ermöglicht ferner die Bildung von sehr dicken Oxidschichten,, wie sie bei der Herstellung von Hetalloxid-Halbleitereinrichtun/;en und von FET-Einrichtungeη besonders erwünscht sind.

Die vorstehend angegebenen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden ausführlicheren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen hervor. In diesen zeigt

Fig. 1 in einem Diagramm, in Jem der spezifische elektrische Blattwiderstand auf der Ordinate und die Auftragezeit auf der Abszisse aufgetragen sind, eine Kurven-char zur Darstellung der Abhän :i£keit de3 spezifischen elektrischen Jlattviderstandes von aan Bohandlung3bedin -fingen bei Auftrage ν organ -;en und danach durchgeführten Reoxidationsvor.^;;rim;en.

Pig. 2 ζ*;3 jt in einen Diagramm, in den die Tiefe des Zonenübercanjes auf CiO₁- linken und der rechten Ordinate und die Auftragezeit auf der Abr.zi3se aufgetragen sind, eine Kurvenechar zur Darstellung der Abhängigkeit der liefe des Zonenüberganges von den Behandlung:»:>edin;Tungen b-:i Auftragevor?ün;en und danach durchgeführten Rooxi dationsvor.··· r.i^n.

Pig. 3 zeigt in einem Diagramm, in dem die Dicke der Oxidschicht auf der linken und rechten Ordinate und die Aurtragezeit auf der Abszisse aufgetragen sind, eine Kurvenschar 7.ur Darstellung der Abhängigkeit der Dicke der durch eine Wärmebehandlung erzeugten Oxidschicht von den Beha:i']lunr*3bedingungen bei der Auftrage- und der !^oxidationsbehandlung.

In Pig. 1 lot auf der Ordinate der spezifische elektrische Blattwidern land in uhm/Qundrat 1: 'ufon von 5 Ohm/Quadra1 und auf der Abur.isee die Auftrnr,'!:·,»?^. ·ΐ··.ι ihonphuroxichl orlda in Jtufen von 5 min aufgetragen. In Fi'*.. 1 wa⁴ ."» iie Kur\'c 1 die Herabsetzung de;, spesi fischen elektrischen ι attwiderotar ' 3

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▼on eine» KaziBUJi von über 34 Ohm/Quadrat zu einom Mininua von etwa 20 Ohm/Quadrat bei Aufkragezeiten in Bereich von lO^min bis etwa 40 win bei einer Behandlungtemperatur von etwa 900 C. Diese Veränderung des spezifischen elektrischen Blattwiderstandes kann bei dieser Auftragetemperatur als normal erwartet werden.

Die Kurve 2 zeigt, daß der spezifische elektrische^ Blattwiderstand auf beträchtlich unter der Kurve 1 liegende Werte sinkt, wenn die Diffusiölbehandlung bei derselben Auftragetemperatur von 900° C und anschließend eine Reoxidationsbehandlung von 5 min in trockenem Sauerstoff durchgeführt wird. Vie aus dieser Kurve hervorgeht, wird durch eine Heoxidati.ölbehandlung der spezifische elektrische Widerstand wesentlich stärker herabgesetzt,

Die Kurve 3 zeigt ähnlich wie die Kurve 1 die Veränderung des spezifischen elektrischen luftwiderstandes einer Diffueatzone, die bei einer Auftragetemperatur von 920° C durch eine POCl^-Diffueionsbehandlung gebildet worden ist.

Die Kurve 4 ähnelt der Kurve 2 in Pig. It zeigt jedoch den niedrigeren spezifischen elektrischen Blattwiderotand, *er bei einer Auftragetemperatur von 920° C und einer Reoxidationsbehandlung von 5-120-5 nin bei einer Temperatur von etwa 900° C erhalten wird.

Die Kurve 5 zeigt die Abnahme des spezifischen elektrischen Widerstandes durch eine in eine« offenen Rohr mit Phosphor bei einer Auftragetemperatür von 900° C durchgeführte Diffusionsbehandlung und eine bei etwa 9üO° C durchgeführte !^oxidationsbehandlung von 5-18U-U min.

Die Kurve 6 zeigt die Abhängigkeit des spezifischen elektriuchen Widerstandes von der Auftragezeit bei einer in einem offenen «ohr mit Phosphor bei einer Auftragetemperatur von etwa 900° J durchgeführten Diffuaionsbehandlung und einer bei 9U0° C durchgeführten Reoxidationsbehandlung von 5-1θυ-υ min, sowie einer zusätzlichen Wärmebehandlung von 56 min in trockenem eauerotoff bei etwa 1000° C.

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It

Die Kurve 7 zeigt ähnlich wie die Kurve 6 das Ergeliia bei einer Auftragetemperatur von 920° C und einer Keoxidationszeit von 5-120-5 min bei etwa 900° C sowie einer zusätzlichen Wärrnebohandlung von 56 min in trockenem Sauerstoff bei etwa 1000° C.

Wie man aus den Kurven 1,2,5 und 6 erkennt, wird bei einer gegebenen Auftragedauer und Auftragetemperatur durch eine längere Reoxidationsbehandlung und eiue längere Wärmebehandlung nach der Reoxidation der spezifische elektrische Blattwiderstand beträchtlich herabgesetzt, aus den Kurven 3, 4 und 7 erkennt man die entsprechende Wirkung nach einer Behandlung während derselben Auftragezeit und bei einer Auftragetemperatur von 920° C.

In Fig. 2 entsprechen di· Kurven 1, 2, 3, *, 5, 6 und den gleichsuaerierten Kurven in /ig. 1· In TIg. -2 ist die Abhängig* keit der Tiefe des Zonenübergang·» τοη Dlffusatzonen Ton den Behandlungebedingungen bein Auftragen u&i bei der Reoxidation gezeigt. Di· Kurvt 1 in Fig. 2 leigt, daß bei einer Auftragetevperatur τοη etwa 900° C die Tiefe de* Zonenubergangee alt bunehaender Auftragezeit sunlmrt. Dies war aufgrund der Erfahrungen su erwarten, die bei Halbleitern alt bekannten DiffueionsTerfahren gemacht wurden.

Die Kurve 2 zeigt eine anfängliche Zunahme und darauffolgende Abnahme der Tiefe des ZonenUberganges bei einer Auftrage— temperatur ν on etwa 900° C und einer Eeoxidationsbehandlung während 8ineβ Zeitrauas von 5-120-5 nln bei etwa 900° C« Biββ ist wichtig, weil es zeigt, daß die Tiefe dee ZonenUbergangee in der Reoxidationsbehandlung (Auftragezeit länger als 20 Bin) wesentlich abnimmt.

Die Kurven 3 und 4 ähneln den Kurven 1 und 2 und zeigen die Abhängigkeit der Tiefe der Zonenübergenge der Diffucatzonen von der Auftragezeit in einem POCl^-Diffusionsvorgang bei einer Auftragetenporatur von 920° C.

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Die Kurve 5 zeigt die Abnahme der Tiefe des Zonenüberganges mit zunehmender Auftragezeit in einer Diifusionsbehandlung, die bei einer Auf tr age tempera tür von 900° c und mit einer anschließenden Reoxidationsbehandlung von 5-TfcO-O min bei etwa 9üO° C durchgeführt wird.

Die Kurve 6 zei.-t die Abhängigkeit der Tiefe des Zonen-Überganges von der i-hosphor-Auftragezeit in einer Jiffusionsbehandlung, die bei einer Auf trage temperatur von ^fJü0° C durchgeführt wird und der eine Reoxi<iation3behandlung von 5-18U-0 toir. bei 9υΟ° ο und danach eine Behandlung von 56 min bei 1000 C in trockenem sauerstoff folgt.

Die Kurve 7 sei.jt, daß in einer Diffusiölbehandlung, die bei einer Auftrage/bemperatur von 92ü° C und mit einer anschließenden Reoxidationsbehandl^og von 5-12U-5 min bei etwa 900° C und einer darauffolgenden Betu.^dlung von 56 min bei 1000° C in trockenes sauerstoff durchgeführt wird, die riefe des Zonen-Ubergan.^es mit zunehmender Auftragezeit abnimmt.

Aus den Figuren 1 und 2 geht hervor, daß eine geringere Tiefe dee 3onenüberganges und ein niedrigerer spezifischer elektrischer Blattwideratand erzielt «erden, wenn nach einer Diffusionebehandlung mit Phoephoroxvchlorid eine Nachbehandlung unter bestimmten bedingungen durchgeführt wird, nan kann die in dem erfindungpgemäßen x»iffueioneverfahren erzielten airkungen der Afcnahae der Tieie 4ea z.on«nübergangee und dee BlattwldtrBt_an<i·· auch beia Eindiffundieren von anderen oubetancen and in anderen dyateaen, z.F, getchloseenen Bohren uew., erzielen. Die ia den figaren 1 und 2 dargestellten Daten wurden bei einer Konzentration von 3550 ppm FOCl, in dem Behandlungagaeetrom erhalten. In den Geeamtgaeetrow wurde ein Sauerstoffgehalt von 20 Vol.-Jt aufrechterhalten. Der R«et des Gas ströme bestand aue JLrgoaga·. Die verwendeten oiliciumacheiben gehörten zum Leitfähigkeitetyp ρ (2 Oh«.cm" und hatton die Kristallorlentierung (100). Auf diese-Weise erhalt ear. gl'ichmHtige, ungezackte Zonenübergänge.

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Pig. 3 seigt in einem Schaubild die Abhängigkeit der Sicke der Oxidschicht von den Behandlungsbedingungen bei der Auftrage- und der Heoxidationsbehandlung. In dieser Figur sind die Kurven 1, 2, 3_t 4» 5t 6 und 7 Vergleichskurven, die den gleichnumerierten Kurven in den Figuren 1 und 2 zugeordnet aind, welche den apezifischen elektrischen Widerstand baw. die Tiefe des Zonenübergang8 angeben. Dahor zei;;t Fig. 3 die Dicke der durch eine Wärmebehandlung erzeugten Oxidschicht, die bei den entsprechenden aehandlungebedingungen erhalten wird. Aufgrund der in den Figuren 1,2 und 3 enthaltenen Informationen kann der ?achmann daher die Bedingungen bestimmen, unter denen die Oxid,-schichtdicke, der spezifische elektrische Blattwiderstand und die Zonenübergangstiefe erhalten wurden, die angesichts der an die Einrichtung zu stellenden Forderungen zweckentsprechend sind.

Vorstehend wurden anhand der Zeichnungen bevorzugte dführungsbeiepiele der Erfindun/j erläutert, die jedoch iw Rahoen des Erfindiingagedankens Im Aufbau und in Einzelheiten abgeändert werden können.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beeinflussung der Tiefe des Zonenüberganges bei einer Halbleiter-Diffusatzone in einem Siliciumsubstra^ dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Siliciumsubstrats einer Reoxidationsbehandlun5 während eines solchen Zeitraums und bei einer solchen Temperatur unterworfen wird, daß die Tiefe des Zonenüberganges der üalbleiter-Diffusatsone -*uf einen gewünschten Wert reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Diffusatzone zum Leitfähigkeitstyp η gehört und Phosphoratcme enthält.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphoratome während einer in einen offenen Rohr durchgeführten .uiffusionsbehandlung in die Hai blei ter-J)iffusatzone eingeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der in einem offenen Rohr durchgeführten Diffusionsbehandlung !»hosphoroxi Chlorid als Phosphorquelle verwendet wird.

5. Verfahren naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reoxidationsbehandlung bei einer Temperatur von etwa 900° (J durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5# dadurch gekennzeichnet, daß die !^oxidationsbehandlung aus einer Behandlung von etwa 5 min in trockenem Sauerstoff, einer darauffolgenden Behandlung von 12υ sin in Dampf plus Sauerstoff und einer darauffolgenden Behandlung von 5 alβ Ib trockenem Sauerstoff besteht.

7· Verfahren Bach Anspruch 5, dadurch gekennseiohnet, dafi die tteoxldationsbehandlung aus einer Behandlung vom «twa 5 BlB Ib trookeiMn sauerstoff und einer darauffolgenden lung voB 180 BlB Ib Daapf plus Sauerstoff ·βsteht.

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β. Terfihren nach Anspruch 6, dadurch gekenn»eiebnet, daß der ite oxidati one behandlung eine Wärmebehandlung τοη etwa 56 ein in trockenen sauerstoff bei etwa 1000° υ folgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ^oxidationsbehandlung eine Warmbehandlung τοη etwa 56 «in in trockene« Sauerstoff bei etwa 1000 C folgt.

10. Verfahren nach eine« der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Glasschicht bei einer Temperatur i« Bereich τοη etwa 900° C bis etwa 920° C aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Geschieht eine phosphordotierte Glasschicht i·

12. Verfahren nach eine« der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der !^oxidationsbehandlung der spezifische elektrische Blat^iderstand der Halbleiter- · Diffusatzone auf einen gewünschten Wert herabgesetzt wird,

13. Verfahren nach eine» der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die !^oxidationsbehandlung eine auf der Oberfläche des Siliciuosubstrats durch Wärmebehandlung erzeugte Oxidschicht eine angesichts der Tiefe des Zonenübergang und des spezifischen elektrischen Blattwiderstandes der HaIbleiter-Diffusatzone gewählte Dicke erhält.

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