DE2121863A1 - Verfahren zum Diffundieren von Zink in ein Halbleitersubstrat, insbesondere in ein Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltung - Google Patents

Description

3. Mai 1971 Dr.Schie/E

Docket YO 969 097 U.S. Serial No. 34- 194

Anmelderin: international Business Machines Corporation, Armonk, New York 10504, V«, St. A.

Vertreter: Patentanwalt Dr.-Ing. Rudolf Schiering, 703 Böblingen/Württ., Westerwaldweg 4-

Verfahren zum Diffundieren von Zink in ein Halbleitersubstrat, insbesondere in ein Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltung ■

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren, zum Diffundieren von Dotierungsstoffen in Halbleitersubstrate. Sie bezieht sich im besonderen mehr noch auf ein Verfahren für das Diffundieren von Zink aus einer Zinksilikat-Diffusionsquelle in ein Halbleitersubstrat,·_; wie zum Beispiel aus Galliumarsenid oder einer anderen Verbindung, die % aus Elementen der Gruppen III und V des Periodischen Systems gebildet ist. .-.■-.■■

Als Substratmaterial sind ternäre Verbindungen, wie zum Beispiel GaLlLumalumioiiimarsfmLd (Ga/Ls₁ Al.), geeirr^-i/.

Dieses Verfahren ist insbesondere für die integrierte uchaltung anwendbar, da es die Herstollung von Vorrichtungen, zum Beispiel Diodon-Reihon, ermöglicht, bei denen eine hohe Dichte vorliegt, and bei denen das FLügel- oder Seitenphänomen zu ; berüofcfü J ■ Ί ^n L.;t, ;'₍

DLe beim bc-kaanten Ulf und Leren von Störrsto ffen in EIaLb-

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leitersubstrate bei Verwendung dotierter Oxyde oder dotierter Halbleiter als Diffusionsquellen bestehenden Probleme sind zum Teil bereits erkannt worden. Man hatte erkannt, daß die Verdampfung des Dotierungsmittels unerwünscht ist, und hatte deshalb eine von Dotierungsstoffen freie Oxydschicht über die dargestellte Diffusionsquelle gebracht, um das Verdampfen zu verhindern.

Diese Technik schließt die Notwendigkeit der Diffusionsfensterbildung aus. Bekannte Methoden arbeiten mit konventionellen Dotierungsstoffen wie Bor und Arsen und mit konventioneilen Halbleitersubstratmaterialien wie Germanium und Silicium.

Bei Verwendung solcher und ähnlicher 3pffe nuß man in einem gewissen Umfange mit ■Jai'tea-iftgdif fusion oder mit seitlicher Diffusion des Dotierungsstoffes im Halbleitersubstrat rechnen und es gibt bisher nichts, was diese Seioendiffusion einschränken könnte.

Bei der Benutzung von Dotierungsstoffen wie Zink entsteht ein Problem, welches nicht dem bekannten Verfahren anzurechnen ist. Wenn man versucht, Zink aus einem Zinkdampf durch ein Diffusions fenster zu diffundieren, dann breitet sich das Zink längs der Ob fit* fluche, seitlich zwischen der Oxydmaske und dem HaLb. Lei c-r aus, und ebwas .'ink dringt sogar durch die Oxydmaskt , Di·.rj ergibt eiue .öex>endiffusion plor Flügsldiffusion, die= ii.n-ei.ii mehrfaches ";röL>;r ist als die normalerweise bei.konventionellen Dotierungsstoffen erwartete Seitendiffusion.

Versuche zur Kontrolle der Flügeldiffusion waren beim Si-. liciumdicxyd, wobei eine ZinkdiffusionsquelLe mit Siliciumdioxyd bedeckt wurde, unwirksam.

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BAD ORIGINAL

Andere Systeme mit Verwendung verschiedener Oxyde, Nitride und spezifischer Diffusionsquellen konnten die Flügeldiffusion nicht kontrollieren. Dies gelingt vielmehr erstmals durch die vorliegende Erfindung. Diese liefert Kombinationen einer spezifischen Maskierung mit einer Diffusionsquelle, womit das seitliche Diffundieren wesentlich eliminiert wird und womit das Herstellen von Reihen τοη Dioden mit derartigen Dichten ermöglicht wird, wie es bisher wegen der erforderlichen Fläche zur Berücksichtigung des Seitendiffusionsproblems nicht erreicht werden konnte.

Fiir ein Verfahren zum Diffundieren von Zink in ein Halblei- d tersubstrat besteht die Erfindung darin, daß zur Vermeidung übermäßiger Seitendiffusion eine Zinkdiffusionsquelle aus Zinksilikat auf einen Teil der Oberfläche eines Substrats aufgetragen wird, welcher aus Galliumarsenid oder aus einer anderen IH-V Verbindung besteht, daß auf den verbleibenden Teil des Substrats ein Maskenmaterial aus AIuminiumoxyd oder Siliciumnitrid aufgetragen wird und daß das Diffundieren von Zink aus der Zinksilikatdiffusionsquelle durch Erhitzen der Substratdiffusionsquelle und der Maske auf eine bestimmte, passende Temperatur durchgeführt wird.

Das Auftragen auf die Teile des Substrats kann vorteilhaft

auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen: f

a.) Auftragen und Darstellen durch Atzen einer Diffusionsquelle, welche das aus der thermischen Zersetzung von Zinkpropionat und Tetraathylorthosilikat aus der Dampfphase herrührende Zinksilikat enthält. Die Darstellung der Diffusionsquelle wird durch photolithographisches Maskieren und Ätzen in der üblichen Weise erreicht. Nach der Darstellung wird eine Maske entweder aus Aluminiumoxyd oder aus Siliciumnitrid über die Diffusionsquelle uni die exponierte Ober-

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fläche des HalbleiterSubstrats aufgetragen. Durch Erhitzen von Aluminiumisopropoxyd in der Dampfphase im Stickstoff bei einer Temperatur, die ausreicht, um die thermische Zersetzung des Isopropoxyds herbeizuführen, wird Aluminiumoxyd gebildet. Die AlpO^-Schicht kann auch durch Aufsprühen aus einer Aluminiumkathode aufgetragen werden, wie es an sich in der Veröffentlichung "Argon Content of SiC>2 Films Deposited by EF Sputtering in Argon", vgl. IBM Journ. Ees. Develop., Band 14, Heft 1, Januarheft 1970, Seite 52, beschrieben ist. Das Siliciumnitrid wird durch die thermische Zersetzung von Siliciumbromid und Ammoniak in der Dampfphase gebildet.

b.) Auftragen und Darstellen einer Maske aus Aluminiumoxyd oder Siliciumnitrid in der oben angezeigten Weise. Auftragen von Zinksilikat über die Maske und über die exponierte Oberfläche des Halbleitersubstrats in der oben beschriebenen Weise und Erhitzen.

Durch die beiden vorstehenden Annäherungen wird im Gebrauch eine übermäßige Seitendiffusion oder Flügeldiffusion von Zink eliminiert. Nach einer vorteilhaften Durchführungsmethode sollte die Zinksilikat (xZnO»ySiO₂)-Diffusionsquelle ZnO in Mengen von weniger als fünfzig Gewichtsprozenten enthalten. Wo diese Menge größer als fünfzig Prozent ist, ergibt sich eine Neigung des Zinks, unmittelbar durch die Maske zu dringen.

Nach Vorstehendem besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe in der Schaffung einer Methode zur Verhütung der übermäßigen Seitendiffusion des Zinks in Halbleitersubstraten.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Methode zur Kontrolle der Seitendiffusion von Zink, um bei

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der Fabrikation von Dioden dichtere Dioden-Reihen zu ermöglichen als bisher.

Die Erfindung enthält, um kurz zusammenzufassen folgendes: Eine Methode zur Diffusion von Zink in Galliumarsenid ohne Ausflüglen der Diffusion. Das Zinksilikat wird als Diffusionsquelle benutzt, während Siliciumnitrid und Aluminiumoxyd zum Maskieren ausgewählter Bereiche eines Galliumarsenidsubstrats gebraucht werden. Die diffundierten Bereiche sind präzis innerhalb des Substrats definiert. Die Verwendung dieser Materialien als Diffusionsquelle und für die Maske verhindert das Ausflügeln, d. h. das seitliche Aus- " breiten, des Diffusionsstoffes in der Grenzfläche zwischen dem Maskenmaterial und dem Galliumarsenidsubstrat.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen für eine beispielsweise und besonders vorteilhafte Ausführungsform näher erläutert. In der nachstehenden Beschreibung sind auch Weiterbildungen des Erfindungsgedankens enthalten. Die nachfolgende Beschreibung enthält zudem Angaben über weitere detailliertere Aufgabenstellungen und über fortschrittliche Eigenschaften der Erfindung. -

Durch die amerikanische Patentschrift 5 554 008 ist die |

Verwendung von dotiertem Siliciumdioxyd bekannt geworden, das im Einsatz durch eine Schicht aus Siliciumdioxyd bedeckt wird, um die Verunreinigung anderer Oberflächen zu verhindern·

Durch die amerikanische Patentschrift 3 564 085 ist die Verwendung eines dotierten Halbleiters bekannt geworden, der mit Siliciumdioxyd beschichtet ist, um eine Verdampfung der Diffusionsubstanz zu verhindern.

Die amerikanische Patentschrift 5 476 620 zeigt das Beschichten von Siliciumdioxyd bei einer Borsilikat-Diffusionsquelle·

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In all diesen drei Fällen geht es jedoch nicht um das Problem der Ausflügelung der Diffusion. Bei den dort erwähnten gewöhnlichen Diffusanten kommt eine übermäßige Seitendiffusion nicht vor. Das Dotieren mit Zink ist ein Sonderfall. Zink ist Dotierungsmittel für Galliumarsenid, nicht aber für Silicium oder Germanium.

Fig. 1 der schematischen Zeichnungen ist eine Querschnittsdarstellung eines Halbleitersubstrates, das der Dampfdiffusion eines Dotierungsniittels für ein ausgewähltes Gebiet über eine Öffnung in einem Maskenmaterial ausgesetzt ist. Die Ausdehnung der normalerweise erwarteten Seitendiffusion ist in Fig. 1 mit nichtgestrichelten Linien, während die Ausdehnung der Seitendiffusion bei Zink als Diffusant im Falle der üblichen Methoden mit gestrichelten Linien gezeigt ist.

Fig. 2 enthält eine Querschnittsdarstellung eines Halbleitersubstrats mit Zinksilikat-Diffusionsquelle, die auf seiner Oberfläche angeordnet und durch einen maskierenden Materialbereich von drei Seiten eingeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt ein Halbleitersubstrat im Querschnitt, das aus seiner Oberfläche mit einem maskierenden Material versehen ist, welches von drei Seiten durch eine Zinksilikat-Diffusionsquelle eingeschlossen ist.

Fig. 4 enthält, zum Teil in Querschnittsdarstellung, eine schematische Zeichnung des zum Auftragen des Zinksilikats auf die Oberfläche eines HalbleiterSubstrats verwendeten Apparates.

Fig. 5 enthält, zum Teil in Querschnittsdarstellung, eine schematische Zeichnung der zum Auftragen entweder des

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Aluminiumoxyds oder des Siliciumnitrids auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats benutzten Apparatur.

In Fig. 1 ist mit 1 das Halbleitersubstrat bezeichnet. Dieses ist mit einer gelochten Schicht 2 aus maskierendem Material bedeckt. Verwendet man gewöhnliche Dotierungsstoffe wie Bor, Arsen, Antimon etc., so wird durch Erhitzen des Substrats 1 auf eine passende Temperatur im Dampf des gewünschten Dotierungsstoffes eine diffundierte Zone 3 gebildet, die in der Zeichnung durch eine nichtgestrichelte Linie dargestellt ist. Der dargestellte Fall gehört zum Stande der Technik soweit die gelochte maskieren- " de Schicht 2 aus Siliciumdioxyd besteht. Es sei bemerkt, daß der diffundierte Bereich 3 sich seitlich genau so weit erstreckt wie er sich vertikal ausbreitet.

Unter den selben Umständen ist, ausgenommen wenn das Zink Diffusant ist, der durch Diffusion gebildete Bereich durch die gestrichelte Linie 4 veranschaulicht. Die seitliche Ausdehnung der Diffusion ist hier viel größer als die vertikale Ausdehnung der Diffusion. Sie wird wegen ihres Auftretens als "Flügeln" charakterisiert·

Nach Fig. 1 sollte es klar sein, daß der durch Diffusion ä gebildete pn-übergang wegen des Flügeins einen viel größeren projizierten Bereich auf der Oberfläche des Substrats 1 ergreift als im Falle des projezierten Oberflächendiffusionsbereiches 3. Die Eliminierung des Flügeins oder der übermäßigen Seitendiffusion ist daher ein bedeutender technischer Fortschritt im Hinblick auf ein Zusammenpacken der Vorrichtungsdichte in integrierten Schaltungsanordnungen.

Fig. 2 zeigt eine Annäherung, mit welcher das Flügeln in ien Fällen verhindert wird, wo Zink als Diffusant verlangt

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wird, um leicht emittierende pn-Übergänge in Substraten herzustellen, die aus Galliumarsenid oder anderen Verbindungen aus der III-V-Gruppe oder aus entsprechenden Ternärverbindungen, wie Galliumaluminiumarsenid bestehen. Die Fig. 2 zeigt ein Substrat aus Halbleitermaterialsubstrat zum Beispiel aus Galliumarsenid mit einer Diffusionsquelle 5j die auf einen Teil seiner Oberfläche aufgetragen ist.

Die Diffusionsquelle 5 besteht im Falle der Fig. 2 vorzugsweise aus Zinksilikat (xZnOySiC^) mit ZnO vorzugsweise in einer Menge von weniger als 50 Gewichtsprozent. Wenn diese Menge von ZnO erhöht wird, dann kann das Zink direkt durch das maskierende Material passieren.

Die Diffusionsquelle 5 aus Zinksilikat wird durch thermische Zersetzung von Zinkpropionat und Tetraäthylorthosilikat in der Dampfphase hergestellt. Das Substrat 1 wird in einer Niederschlagskammer beschichte't. Die passenden in der Dampfphase aufgenommenen Bestandteile werden thermisch zersetzt und Zinksilikat auf der Oberfläche des Substrats 1 gebildet. Eine eingehende Beschreibung hierfür wird noch an Hand der Fig. 4· an anderer Stelle gegeben.

Nach dem Niederschlagen einer Schicht aus Zinksilikat wird die Diffusionsquelle 5 durch Auftragen einer Photodeckschicht auf der Oberfläche und durch Bestrahlen über eine Maske gebildet. Solche Photodeckschichten stehen im Handel zur Verfugung und sind in der Halbleitertechnik bekannt. Nach dem Entwickeln der Photodeckschicht wird der nichtexponierte Bereich durch ein passendes Lösungsmittel entfernt.

Es wird eine Photodeckschichtmaske gebildet, welche gegen die meisten der konventionellen Ätzen widerstandsfähig ist. Für Zinksilikat ist verdünntes HF ein passendes Ätzmittel. Sämtliches Zinksilikat, das nicht mit Photodeckschichtmaske

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bedeckt ist, wird entfernt, so daß eine Diffusionsquelle übrigbleibt, die auf einem Teil der Oberfläche des Substrates 1 niedergeschlagen ist. Danach wird die Photodeckschichtmaske durch ein passendes, abtrennendes Mittel entfernt.

In einer folgenden Verfahrensstufe wird eine Maske 6 entweder aus Aluminiumoxyd (AIpO,) oder aus Siliciumnitrid aufgetragen oder über der Diffusionsquelle 5 und auf dem exponierten Oberflächenteil des Substrats 1 gebildet, so daß die Quelle 5 durch die Maske 6 von drei Seiten eingeschlossen ist. ' ί

Das Aluminiumoxyd kann durch thermische Zersetzung von Aluminium!sopropoxyd in einem inerten oder nichtoxydierenden Gas gebildet werden. Eine ins Einzelne gehende Beschreibung der beim Auftragen des Aluminiumoxyds gebrauchten Methode und der dabei benutzten Apparatur folgt bei der Beschreibung der Fig. 5·

Das Siliciumnitrid kann durch thermische Zersetzung von Siliciumbromid (SiBr^) und Ammoniak (HEU) in einem inerten oder nichtoxydierendem Gas aufgetragen werden. Eine ausführliche Beschreibung der beim Auftragen des Siliciumnitrides auf das Substrat 1 benutzen Methode und Apparatur wird eben- ' falls erst bei der Beschreibung der Fig. 5 nachstehend gegeben.

Wenn einmal die Diffusionsquelle 5 und die Maske 6 auf dem Substrat 1 gebildet sind, dann wird das Substrat 1 in einen Diffusionsofen gegeben und dort eine ausreichende Zeit bei einer passenden Temperatur erhitzt, um das Diffundieren von Zink in das Substrat 1 zu bewerkstelligen.

Im Falle der Fig. 2 ist als Diffusionsquelle 5 eine 2000 Angstroem dicke Zinksilikatschicht und als Maske 6 eine

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2000 Angstroem dicke Siliciumnitridschieht benutzt. Die Heizdauer beträgt 45 Minuten bei 850°C· Dies führt zur Bildung einer diffundierten Zone, welche Zink enthält und eine Tiefe von 15.Mikron aufweist. Die Breite der Seitendiffusion ist nicht größer als die Tiefe der Vertikaldiffusion»

Die Menge an Zinkoxyd im Zinksilikat sollte vorzugsweise weniger als fünfzig von der Gesamtmenge betragen. Die tatsächlich verwendete Menge hängt jedoch zum Beispiel von den verlangten Eigenschaften der Dioden ab.

In Fig. 3 ist ein anderer Fall für das Eliminieren einer übermäßigen Seitendiffusion oder eines übermäßigen "Flügeln^ dargestellt. In dieser Figur ist das Substrat wieder mit bezeichnet. Es enthält eine Anzahl Maskengebiete 6 mit Diffusionsquelle 5· Die Diffusionsquelle 5 ist auf die Maskengebiete 6 und auf die exponierten Oberflächen des Substrats

1 aufgetragen.

Die diffundierten Gebiete J werden durch Diffusion von Zink aus einer Zinksilikatdiffusionsquelle 5 gebildet. Die Maskengebiete 6 sind entweder aus Aluminiumoxid oder aus Siliciumnitrid,und die entsprechenden Bereiche werden in derselben Weise beaufschlagt wie sie kurz an Hand der Fig.

2 beschrieben wurde. Der Unterschied zwischen der Anordnung nach Fig. 5 und nach Fig. 2 besteht in der Ordnung des Auftragens und im Ätzen eines anderen Materials·

Im Falle der Fig. 3 wird zuerst Aluminiumoxyd oder Siliciumnitrid aufgetragen, und die Maskenbereiche 6 werden mit Hilfe der an sich bekannten photolithographischen Methoden gebildet. Wenn die nichtexponierten Bereiche einer Photodeckschicht durch ein passendes Lösungsmittel einmal entfernt worden sind, dann wird ein Ätzmittel aufgebracht,

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welches das Aluminiumoxyd oder das Siliciumnitrid aus den unmaskierten Gebieten entfernt. Ein geeignetes Ätzmittel für Aluminiumoxyd ist verdünntes HF. Ein passendes Ätzmittel für Siliciumnitrid ist verdünntes HF. Wenn das Ätzen vollendet ist, wird das Auftragen der Zinksilikatdiffusionsquelle 5 durchgeführt.

Nach dem Auftragen wird das Substrat 1 in einen Diffusionsofen eingebracht, wo eine Erhitzung während einer ausreichenden Zeitdauer und bei einer ausreichenden Temperatur durchgeführt wird, so daß Zink bis zu einer gewünschten Tiefe in das Substrat 1 diffundiert, was zur Bildung der Diffu- I sionsgebiete 3 führt. Wie im Beispielsfalle der Fig. 2 so erstrecken sich- auch die diffundierten Gebiete 3 nach Fig. 3 seitlich nicht auf einen größeren Abstand als die Tiefe der Diffusion ausmacht.

In Fig. 4 ist eine Apparatur dargestellt, die bevorzugt zum Auftragen von Zinksilikat durch thermisches Zersetzen von Zinkpropionat und Tetraäthylorthosilikat dient. Die erfindungsgemäße Methode wird weiter unten in Verbindung mit ei~ nem Galliumarsenid-Halbleitersubstrat, mit Stickstoff als Umgebungsgas und mit Tetraäthylorthosilikat (nachstehend auch kurz mit TEOS bezeichnet) als Quelle für Siliciumdioxyd λ und mit Zinkpropionat als Quelle für Zinkoxyd beschrieben werden.

In Fig. 4 ist mit 11 eine Quarzheizröhre bezeichnet, die in einem Röhrenofen 12 angeordnet ist. Die Röhre 11 enthält einen entfernbaren Substrathalter 13, der ein Halbleitersubstrat 1 aus Galliumarsenid innerhalb der Röhre 11 trägt.

Eir.e Quelle 15 für nichtoxydierendes Gas, vorzugsweise für Stickstoff, ist mit den Flußmessern 16, 17, 18 über eintellbare Ventile 19, 20 bzw. 21 verbunden. Eine Rohrlei-

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tung 22 erstreckt sich vom Flußmesser 16 zu einem Sprudelgerät 25 t das eⁱⁿ organisches Alkylat von Zink, vorzugsweise Zinkpropionat enthält. Das zuletzt genannte Material ist normalerweise bei Zimmertemperatur fest, es muß d_aher auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der es flüssig wird. Für diesen Zweck ist das Konstanttemperaturbad 24- vorgesehen. Die Temperaturen hierfür liegen im Bereich von 118° - 27O⁰C. Als besonders geeignet hat sich eine Temperatur von 240°0 erwiesen.

Die benutzte organische Verbindung hat die Eigenschaft, sich beim Erhitzen bei einer passenden Temperatur zu zersetzen, so daß sich ein Niederschlag aus Metalloxyd, im Falle des Beispiels aus Zinkoxyd, bildet.

Das alleinige Kriterium in Bezug auf die Zersetzungstemperatur der organischen Metalloxydverbindung besteht darin, daß die Zersetzungstemperatur unt"er der Temperatur liegen muß, bei welcher die Elemente des Metalloxyds normalerweise in ein Halbleitersubstrat diffundieren.

Für Zinkpropionat liegt eine geeignete Zersetzungstemperatur im Bereich von 250° bis 600⁰O, vorzugsweise bei 4-50⁰O.

Das Zinkpropionat wird in der Eöhre 11 durch strömenden Stickstoff aus der Quelle 15 eingeführt. Der Stickstoff fl~ie#fc^cLabei über die Rohrleitung 22 zum Sprudler 23, wo der Stickstoff ^fficsh~das_flüssiga_Zink^roj>ionat sprudelt, das als Dampf mischung mit dem Stickstoff über die Eohrlei— tung 25 in die Eöhre 11 gelangt·

Gleichzeitig mit der Einführung des Zinkpropionates in Dampfform in die Eöhre 11 fließt ein nichtoxydierendes Gas, nämlich Stickstoff, aus der Gasquelle 15 über das Ventil 21

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und Flußmesser 18 sowie über die Rohrleitung 28 in den Sprudler 29, der ein organisches Hydrooxydsalz von Silicium, vorzugsweise TEOS enthalte

Das Konstanttemperaturbad 30 hält das TEOS in flüssiger Form bei einer Temperatur im Bereiche von -20⁰O bis 50⁰C. Die Stickstoffsprudelung durch das TEOS trägt das verdampfte TEOS über die Rohrleitung 31 zur Röhre 11. In der Röhre 11 zersetzen sich Zinkpropionat und TEOS bei einer Temperatur im Bereiche von 250° bis 600°, vorzugsweise 450⁰O, im Bereiche des Substrats, wobei Zinksilikat auf das Sub- g strat 1 aufgetragen wird.

Bei auf gewünschte Durchfluß-Geschwindigkeiten eingestellten Ventilen 19, 21 werden Zinkpropionat und TEOS zur Röhre 11 getragen, wo sie gleichzeitig zu Zinksilikat auf dem Substrat 1 zersetzt werden. Weil der Bereich der Temperaturen, über dem es zu einer Zersetzung der gewählten organischen Verbindung kommt, ziemlich breit ist und weil ein enger Temperaturgradient nicht leicht im Bereich des Substrats 1 aufrechterhalten werden kann, wird ein getrennter Strom von Stickstoff oder Sauerstoff, wenn notwendig bei Erhöhung der Flußgeschwindigkeit in der Röhre 11 benutzt, um das Niederschlagen von Zinksilikat auf das Sub- * strat 1. sicherzustellen. Der Stickstoff aus der Quelle wird daher über das Ventil 20 und über den Flußmesser 17 sowie über die Rohrleitung 32 zur Röhre 11 in Überschußmenge bei einer gewünschten Plußrate 'eingespeist·

Typische Flußgeschwindigkeiten sind 1 Liter pro Minute für den Stickstoff sowohl durch das Zinkpropionat als auch durch die TEOS-Sprudler 23 bzw. 29 und 8 Liter pro Minute für den Stickstoff oder Sauerstoff, die beide direkt über die Rohrleitung 32 zur Röhre 11 geführt werden. Durch das Einstellen der Flußgeschwindigkeit des Stickstoffs über das Zink-

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propionat kann die Proportion des Zinkoxyds zum Siliciumdioxyd kontrolliert werden. Als Anzeichen sollte Zinkoxyd in Mengen, von weniger als 50 Gewichtsprozent vorhanden sein.

Das Zinksilikat wird danach auf der Oberfläche des Substrats 1, wie in Pig. 2 gezeigt, mit Hilfe der Apparatur nach Fig_e 4· gebildet. Nach der Darstellung Zinksilikatdiffusionsqueile 5 wird das maskierende Material 6 entweder aus Aluminiumoxyd oder aus Siliciumnitrid unter Verwendung der in Fig. 5 dargestellten Apperatur gebildet.

In Fig. 5 ist schematisch eine bevorzugte Apparatur gezeigt, in welcher das !Niederschlagen von Aluminiumoxyd oder Siliciumnitrid durch thermisches Zersetzen der das organische Metalloxyd enthaltenden Verbindungen und das thermische Zersetzen von Siliciumbromid bzw. "von Ammoniak bewerkstelligt wird. Das Zersetzen dieser Materialien wird unten im Zusammenhang mit dem Galliumarsenid-Halbleitersubstrat, mit Stickstoff als Umgebungsgas, mit Aluminiumisopropoxyd als Quelle für das Aluminiumoxyd und mit Siliciumbromid und Ammoniak als Quelle für das Siliciumnitrid beschrieben werden.

In Fig. 5 ist mit 11 eine Heizröhre aus Quarz bezeichnet, die sich in einem Eohrofen 12 befindet. Die Röhre 11 hat einen entfernbaren Substrathalter 13, welcher ein Halbleitersubstrat 1 aus Galliumarsenid in der Eöhre 11 trägt.

Eine Quelle 15 für nichtoxydierendes Gas, vorzugsweise Stickstoff, steht in Verbindung mit den Flußmessern 16, 17 und 18 und mit den einstellbaren Ventilen 19 bzw. 20 bzw, 21· Die Rohrleitung 22 erstreckt sich vom Flußmesser 16 zu einem Sprudler 33» welcher ein organisches Alkylat von Aluminium, vorzugsweise Aluminiumisopropoxyd, enthält, ftas zuletzt ge-

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nannte Material ist normalerweise bei Zimmertemperatur fest und muß auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der es flüssig wird. Dazu dient das Konstanttemperaturbad 34. Als geeignete Temperaturen haben sich solche im Bereich von 118° bis 270⁰C ermitteln lassen. Eine besonders günstige Temperatur ist 125°C.

Die verwendete organische Verbindung zersetzt sich beim Erhitzen mit einer geeigneten Temperatur, um einen Niederschlag aus Aluminium zu bilden. Das alleinige Kriterium in Bezug auf die Zersetzungstemperatur der organischen Metalloxydverbindung ist, daß die Zersetzungstemperatur "

unter der Temperatur liegt, bei welcher die Elemente dee Metalloxyds normalerweise in ein Halbleitersubstrat diffundieren.

Für Aluminiumisopropoxyd liegt die Zersetzungstemperatur im Bereich von 250 bis 600⁰G. Als besonders geeignet hat sich eine Zersetzungstemperatur von 420⁰C erwiesen·

Das Aluminiumisopropoxyd wird in die Röhre 11 mit Hilfe des strömenden Stickstoffs aus der Quelle 15 über die Rohrleitung und Sprudler 33 eingeführt. Im Sprudler 33 sprudelt der Stickstoff durch das flüssige Aluminiumisopropoxyd· ä Dieses wird als Dampfmischung mit dem Stickstoff über die Rohrleitung 25 in die Röhre 11 getragen.

Das Substrat 1 wird durch den Ofen 12 auf die gewünschte Zersetzungstemperatur gebracht. Das Aluminiumisopropoxyd zersetzt sich sobald es in Kontakt mit der erhitzten Oberfläche des Substrats kommt und trägt eine Schicht aus Alumini umoxyd auf. Die restlichen Zersetzungsprodukte treten mit dem entlangstreichenden Stickstoff aus der Röhre 11 ü\er die Rohrleitung 26 und über den Ausströmsprudler 2? in ie Atmosphäre aus.

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In der vorstehend beschriebenen Weise wird Aluminiumoxyd auf die Diffusionsquelle 5 und auf den exponierten Oberflächenteil des Substrats 1, wie in Fig. 2 gezeigt, aufgetragen. Das Erhitzen für das Bewerkstelligen der Diffusion von Zink aus dem Zinksilikat kann in der Röhre 11 durch einfaches Erhitzen im Stickstoff durchgeführt werden,

TJm eine Maske aus Siliciumnitrid anstatt aus Aluminiumoxyd zu schaffen, wird Stickstoff aus der Gasquelle 15 über das Ventil 21, Flußmesser 18 und Rohrleitung 28 in den Sprudler 35 gegeben, welcher Siliciumbromid in flüssiger Form enthält. Das Konstanttemperaturbad 30 hält das Siliciumbromid auf einer Temperatur von 25°C. Der Stickstoff sprudelt durch das Siliciumbromid und trägt verdampftes Siliciumbromid über die Rohrleitung 31 zur Röhre 11.

Zur selben Zeit strömt das Ammoniak aus der Ammoniakgasquelle 36 über das Ventil 37» über den Flußmesser 38 und über die Rohrleitung 39 direkt zur Röhre 11, wo sich bei einer Temperatur von 800 C bis 900 0 das Ammoniak und das Siliciumbromid zersetzen und so reagieren, daß eine Schicht aus Siliciumnitrid über dem exponierten Teil des Substrats 1 und über der Diffusionsquelle 5 aus Zinksilikat gebildet wird.

Während dieser Reaktion ist das Ventil 19 geschlossen, um zu verhindern, daß Aluminiumisopropoxyd zur Röhre 11 gelangt. Zusätzlich zu dem Fluß aus Ammoniak und Siliciumbromid-Dampf wird in Röhre 11 überschüssiger Stickstoff aus der Gasquelle 15 über das Ventil 20, über den Flußmesser und über die Rohrleitung 32 eingeführt. Nach dem Niederschlagen des Siliciumnitrids wird erhitzt, damit die Diffusion von Zink in das Substrat 1 in der Röhre 11 nur im Stickstoff bewerkstelligt werden kann.

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Wo eine Konfiguration nach. Fig. J gewünscht wird, können Maskenteile 6 durch ein erstes Auftragen einer Schicht entweder aus Aluminiumoxyd oder aus Siliciumnitrid in derselben Weise wie im Falle der Fig. 5 beschrieben wurde geschaffen werden. Nach dem Darstellen von öffnungen kann die Diffusionsquelle 5 in derselben Weise aufgetragen werden, wie es im Falle der Fig. 4 beschrieben wurde. Das Erhitzen bewirkt dann die Diffusion von Zink in das Substrat 1·

Pat ent anspruche

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Claims (11)

Pat ent Einsprüche

1.) Verfahren zum Diffundieren von Zink in ein Halbleitersubstrat, insbesondere in ein Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer übermäßigen Seitendiffusion eine Zinkdiffusionsquelle aus Zinksilikat auf einen Teil der Oberfläche eines Substrats aufgetragen wird, welches aus Galliumarsenid oder aus einer anderen III-V-Verbindung besteht, daß auf den anderen (Teil des Substrats ein Maskenmaterial aus Aluminiumoxyd oder Siliciumnitrid aufgetragen wird und daß das Diffundieren von Zink aus der Zinksilikat-Diffmsionsquelle durch Erhitzen der Substratdiffusionsquelle und der Maske auf eine bestimmte, geeignete Temperatur durchgeführt wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus Galliumaluminiumarsenid besteht.

3.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinksilikatdiffusionsquelle weniger als 50 Gewichtsprozent Zinksilikat enthält.

4.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch gleichzeitiges E hitζen von Zinkpropionat und Tetraäthylorthosilikat in der Dampfphase auf deren Zersetzungstemperaturen zur Bildung einer Schicht aus Zinksilikat durch Niederschlag.

5.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumisopropoxyd in der Dampfphase bis zur Zersetzungstemperatur erhitzt wird, so daß sich eine Schicht aus Aluminiumoxyd auf dem Substrat ablagert.

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6.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumbromid und Ammoniak in der Dampfphase bis zu ihrer Zersetzungstemperatur erhitzt werden, so daß Elemente hieraus miteinander reagieren und eine Schicht aus Siliciumnitrid als Niederschlag auf dem Substrat bilden.

7.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen von Zinksilikat verdünntes HF benutzt wird.

8.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zersetzung von Aluminiumisopropoxyd in einem inerten oder nichtoxydierenden Gas durchgeführt wird.

9.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zersetzung von Siliciumbromid (SiBr^.) und Ammoniak (HH₃₅) in einem inerten oder nichtoxydierenden Gas durchgeführt wird.

10.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die als Diffusionsquelle (5) aufgetragene Zinksilikatschicht eine Dicke von 2000 Angstroem hat.

11.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenm. zeichnet, daß die als Maske (6) aufgetragene Siliciumnitridschicht eine Dicke von 2000 Angstroem hat.

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