DE2208271A1

DE2208271A1 - METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR CONNECTIONS

Info

Publication number: DE2208271A1
Application number: DE2208271A
Authority: DE
Inventors: Geb Radet Brigitte Lamouroux
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1972-02-22
Filing date: 1972-02-22
Publication date: 1973-08-30

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Herstellen von Halbleiterverbindungen Mikroschaltunglen, alb Ieiterverbindunen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schaltungselementen in elektronischen Mikroschaltungen, indem eine dünne Schicht eines Materials auf eine Halb leiter Unterlage aufgebracht und die Schicht in vorbestimmte Bereiche der Unterlage diffundiert wird Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens Es ist bereits bekannt, passive Schaltungselemente in Mxkreschaltungen dadurch herzustellen, daß ein Laserstrahlbündel auf eine auf einer Unterlage aufgebrachte dUnne Schicht einwirkt und diese unter Vakuum verdampft. Dabei wird der Laser-Strahl auf die Oberfläche der dünnen Schicht scharf eingestellt0 Diese Technik ermöglicht keine Reproduzierbarkeit und ergibt unregelmäßige Umrisse der behandelten Bereiche. Method and apparatus for producing semiconductor interconnects Microcircuits, Alb Ieiterverbindunen The invention relates to a method for Manufacture of circuit elements in electronic microcircuits by a thin layer of a material applied to a semiconductor base and the Layer diffused into predetermined areas of the substrate also affects it an apparatus for performing this method It is already known, passive To produce circuit elements in Mxkreschaltungen that a laser beam acts on a thin layer applied to a base and underneath it Vacuum evaporates. In doing so, the laser beam hits the surface of the thin layer focused0 This technique does not allow reproducibility and results irregular outlines of the treated areas.

Gemäß dem französischen Patent 1 1180 739 und dem britischen Patent i 093 822 ist auch bereits die Herstellung aktiver Schaltungselemente bekannt, insbesondere die Herstellung von Mikro-Halbleiterverbindungen, indem ein Lasarstrahl verwendet wird. Dabei wird die Diffusion einer Detierschicht mittels eines tblichen Erwärmungsverfahrens erreicht0 Bei den Verfahren nach der genannten britischen Patentschrift dient das kohärente oder nichtkohärente Licht lediglich dazu, das Dotiermaterial zu dissoziieren9 jedoch nicht dazu, eine Diffusion in die Halbleiter-Unterlage zu bewirkens Gemäß dem Verfahren nach der französischen Patentschrift wird ein kontinuierlicher Laserstrahl zum Erwärmen verwendet, um dadurch eine Diffusion des Dotiermaterials in die Unterlage zu bewirken0 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu scharfen, welches eine bessere Reproduzierbarkeit ermöglicht Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß das Diffundiern außerhalb des die'Diffusion normalerweise gewährleistenden thermischen Gleichgewichtszustandes lediglich durch Beschießen der vorbestimmten Bereiche nit Laserstrahlimpulien bewirkt wird Die Laßerstrahlimpulse fUhren dabei nicht zu einer genügenden Erwärmung, um einen thermischen Oleichgewichtszustand herbeizuführen, sondern bringen ganz kurzzeitig erhebliche Energien auf0 Dadurch ergibt sich eine Diffusion, welche auf einem neuartigen Phänomen beruht, nach dem sich Dotierungen durchführen lassen, welche mit den bekannten Verfahren nicht durchführbar sind Gemäß einer besonderen Durchführungsform werden die Laserstrahlimpulse durch eine Blende, deren Öffnung den zu erzeugenden Diffusionsbereichen entspricht, auf die dünne Schicht gerichtet und die Blende auf diese abgebildet. Die Abbildung kann dabei verkleinert geschehen Es ist zwar bereits ein ähnliches Abbildungaverfahren bekannt, gemäß dem Bereiche auf Mikro schaltungen dadurch bearbeitet werden daß ein stigmatisches Bild einer Blende vorzugsweise verkleinert auf die Mikroschaltung geworfen wird, wobei die Blende der: Umriß entsprechend der zu bearbeitenden Bereiche hat und mittels eines optischen Systems in Verbindung mit Pupillen abgebildet wird. Mit einem derartigen Verfahren lassen sich zwar die Umrisse der zu bearbeitenden Bereiche genau festlegen, da diese der Abbildung der Blende entsprechen, gegebenenfalls in einem bestimmten Verhältnis verkleinert, und nicht einem Beugungsfleck.According to French patent 1 1180 739 and British patent i 093 822 the production of active circuit elements is already known, in particular the manufacture of micro-semiconductor interconnects by using a laser beam will. Thereby the diffusion becomes a detective layer by means of a normal heating process achieved0 In the process according to the above-mentioned British Patent specification, the coherent or non-coherent light is only used to Doping material dissociates9 but does not lead to diffusion into the semiconductor substrate to effect According to the method according to the French patent specification becomes a continuous Laser beam is used for heating, thereby diffusing the doping material in the document to cause0 The invention is based on the object of a method to sharpen, which enables better reproducibility. The solution to this The task is to see that the diffusion outside the die'Diffusion normally ensuring thermal equilibrium state only by bombardment The laser beam pulses are effected in the predetermined areas with laser beam pulses do not lead to sufficient heating to achieve a state of thermal equilibrium bring about, but bring up considerable energies for a very short time diffusion results, which is based on a novel phenomenon, according to which doping can be carried out which cannot be carried out with the known methods According to a special embodiment, the laser beam pulses are through a diaphragm, the opening of which corresponds to the diffusion areas to be generated directed the thin layer and mapped the aperture onto it. The illustration can this happened on a smaller scale. A similar mapping process is already in place known, according to the areas on micro circuits are processed in that a stigmatic image of a diaphragm, preferably reduced to the microcircuit is thrown, the aperture of the: outline corresponding to the areas to be processed Has and is imaged in conjunction with pupils by means of an optical system. With such a method, it is true that the outlines of the Specify areas precisely, as these correspond to the image of the aperture, if necessary reduced in a certain ratio, and not a diffraction spot.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht in Verbindung mit diesen bekannten Verfahren eine erhebliche Verbesserung des Diffusionsprofils gegenüber der üblichen Diffusion mittels Wärme, bei der es nicht möglich ist, Diffusionsgrenzen zu erzielen, welche rechtwinklig zur Oberfläche der Unterlage verlaufen Dies würde bei Mikro schaltungen einen erheblichen Nachteil bilden, da wegen der erheblichen Anzahl von aktiven oder passiven Schaltungselementen, aus denen sich eine Mikroschaltung zusammensetzt, nur eine geringe Fläche für jedes Schaltungselement zur Verfügung steht0 Die Diffusionszone muß daher eine möglichst kleine Ausdehnung in parallel zur Oberfläche der Unterlage verlaufenden Ebenen aufweisen0 Außerdem hängen die Eigenschaften der schaltungselemente merklich von dem Verlauf der Dirfusionsgrenzen abO Diese lassen sich mit den üblichen Wärmediffusionstechniken nicht wirksam beherrschen0 Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich aus durch eine Laserli¢htquelle, durch eine im Strahlengang derselben liegende Blende, durch ein optisches Abbildungssystem zum Erzeugen eines stigmatischen Bildes der Blende im Innern eines evakuierten Behälters, durch eine bewegbare Halteplatte zum Halten der zu bearbeitenden Schaltungen, durch eine Einrichtung zum Aufbringen der dünnen Schicht durch Verdampfung unter Vakuum, u;id durch eins Dickenmeßeinrichtung.The method according to the invention enables in connection with these known methods compared to a considerable improvement in the diffusion profile the usual diffusion by means of heat, in which it is not possible, diffusion limits to achieve which would be perpendicular to the surface of the pad in micro-circuits form a significant disadvantage, because of the significant Number of active or passive circuit elements that make up a microcircuit composed, only a small area is available for each circuit element stands0 The diffusion zone must therefore extend as small as possible in parallel have planes running to the surface of the base0 In addition, the Properties of the circuit elements noticeably differ from the course of the diffusion limits abO These cannot be effectively mastered with the usual heat diffusion techniques0 The device according to the invention is characterized by a laser light source, through a diaphragm located in the beam path of the same, through an optical imaging system to generate a stigmatic image of the screen inside an evacuated container, by a movable holding plate for holding the circuits to be processed a device for applying the thin layer by evaporation under vacuum, u; id by a thickness measuring device.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem AusfUhrungsbeispiel ergänzend beschrieben.The invention is described below with reference to schematic drawings at additionally described in an exemplary embodiment.

Figur 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Herstellen von Schaltungselementen in elektronischen MikroschaltungenO Figur 2 zeigt den Strahlengang des optischen Systems der Vorrichtung nach Figur lo Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine optische Bank 1, ein Beobachtungsglas 2, eine Laserlichtquelle 3, eine Blende 4 und eine Linse 5 . Das Beobachtungsglas 2 dient zum Einstellen des Laserstrahls. Dieser ist vorzugsweise ein Rubinlaser oder ein Neodymglaslaser, die in einem Relaxationsbereich betrieben sind0 In gewissen Fällen, wenn die Eindringtiefe der Strahlung klein sein soll, kann man auch eine abschaltbare Laserlichtquelle verwenden0 Es ist ferner eine Lasererregungsschaltung 3a vorgesehen zum Speisen der Laserlichtquelle mit einer Spannung von 5.000 Volt und einer Energie von 10.000 Wattsekunden. Diese Lasererregungsschaltung ist an sich bekannt und ergibt eine Brregerspannung, welche an die Laserlichtquelle genau angepaßt ist Der Laserhohlraum ißt 50 gabildets daß sich eine reproduzierbare Strahlung ergibt Man kann auf diese Weise in der Ebene der Blende 4, die die Zintrittspupille des optischen Systems bildet, eine konstante und gleichmäßige Energiedichte erzielen. Eine gleichmäßige Verteilung der Energie erzielt man offensichtlich durch die Konjugation der fupillen. Figure 1 is a schematic diagram of a device according to the invention for the production of circuit elements in electronic microcircuitsO Figure 2 shows the beam path of the optical system of the device according to FIG The device shown in FIG. 1 comprises an optical bench 1, an observation glass 2, a laser light source 3, a diaphragm 4 and a lens 5. The observation glass 2 is used to adjust the laser beam. This is preferably a ruby laser or a neodymium glass laser operated in a relaxation range0 In certain If the penetration depth of the radiation is to be small, one can also use one Use switchable laser light source0 It is also a laser excitation circuit 3a provided for feeding the laser light source with a voltage of 5,000 volts and an energy of 10,000 watt seconds. This laser excitation circuit is on known and results in a Brregers voltage, which to the laser light source exactly The laser cavity eats 50 gabildets that reproducible radiation One can in this way in the plane of the diaphragm 4, which the interest pupil of the optical system, achieve a constant and even energy density. An even distribution of energy is obviously achieved through conjugation the fupils.

Das optische System umfaßt eine Linse 5, einen im Winkel von 45 Grad tur Achse derselben geneigten Spiegel 6 und eine zweite Linse 7. Dieses optische System entwirft ein genaues Bild der Blende 4 auf die Oberfläche der dünnen Schicht 1, welche aut die halbleitende Oberfläche 5 der Mikroschaltung aufgebracht ist.The optical system includes a lens 5, one at 45 degrees tur axis of the same inclined mirror 6 and a second lens 7. This optical System creates an accurate image of the aperture 4 on the surface of the thin layer 1, which is applied to the semiconducting surface 5 of the microcircuit.

Wie aus Figur 2 zu erkennen ist. bilden die beiden Sammellinsen 5 und 7 ein optisches Sgstemt das beispielsweise eine Verkleinerung aufweist zwischen 1/5 und 1/40, wobei fl und f2 die Brennweiten der beiden Linsen 5 und 7 sind0 Wenn man den Verkleinerllngsfaktor ändern will, braucht man lediglich die Linsen auszuwechseln.As can be seen from FIG. form the two converging lenses 5 and 7 an optical system which, for example, has a reduction in size between 1/5 and 1/40, where fl and f2 are the focal lengths of the two lenses 5 and 7 if if you want to change the reduction factor, you only need to change the lenses.

Die Blende 4 liegt in der Brennebene der Linse 5, während die Oberfläche 1 in der Brennebene der Linse 7 liegt. Die Abmessung des Bildes in Bezug auf die Blende ist also in dem Verhältnis fl/r2 verkleinert Wegen der verhältnismäßig großen Abmessung der Blende lassen sich die Umrisse derselben leicht entsprechend den Umrissen der zu bearbeitenden Bereiche herstellen.The diaphragm 4 lies in the focal plane of the lens 5, while the surface 1 lies in the focal plane of the lens 7. The dimension of the image in relation to the The aperture is therefore reduced in the ratio fl / r2 because of the relatively large Dimension of the aperture, the outlines of the same can easily correspond to the outlines of the areas to be processed.

Das Laserstrahlenbündel wird einige Zehntelmillimeter vor der Oberfläche 1 gebündelt. Diese Bündelung erfolgt unter der Vakuumglocke 8, also ohne Erzeugung eines Plasmas.The laser beam is a few tenths of a millimeter in front of the surface 1 bundled. This bundling takes place under the vacuum bell jar 8, that is to say without generation of a plasma.

Unter der Glocke befindet sich ein Drehteller 9 der mittels eines Elektromotors 1O, welcher sich außerhalb der Glocke befindet, bewegt werden kann und mehrere zu behandelnde Probestücke 5 trägt. Unter der Glocke befindet sich noch ein optisches System 11 zur Dickenmessung, so daß die vorzugsweise durch Verdampfen unter Vakuum aus einer Schale 12 auf der Unterlage 5 gebildete Schicht 1 gemessen werden kanne Die Vakuumglocke 8 sitzt auf einer Pumpanlage 15 mit der sie evakuiert wird0 Mit dieser Vorrichtung lassen sich sowohl aktive als auch passive Schaltungselemente auf einer Halbleiter-Unterlage erzeugens vorausgesetzt, daß auf dieser geeignete dünne Schichten aufgebracht sind, etwa dotierte Schichten zum Herstellen von Ditfusionsbereichen bei aktiven Schaltungselementen oder leitende Schichten zum Herstellen vor passiven ha elementen0 Diese Schichten werden mittels des Laserstrahls unmittelbar nach ihrem Aufbringen behandelt, so daß die Mikroschaltungen nicht mit der Atmosphäre in Berührung gebracht werden müssen0 Diese Eigenschaft der erfindungsgemaßen Vorrichtung bildet einen wesentlichen Vorteil, da keine schädlichen Verunreinigungen auf die Mikroschaltungen gelangen können. Um die Umrisse und die Tiefe der Dirrusionsbereiche zu beeinflussen, genügt es in jedem Fall, die Energie der Laserlichtquelle einzustellen Man kann außerdem die Energieverteilung in der Blendenebene verändern, um das Diffusionsprofil zu beeinflussen Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglichen nicht nur eine wesentlich genauere Herstellung von Halbleiter-Verbindungen als mit bekannten Verfahren und eine genauere Beherrschung des Profils und der Konzentration der Dotierungen in der Diffusionszone als Funktion der Tiefe, sondern auch die Herstellung viel kleinerer Legierungsbereiche als sie mit üblichen Verfahren erreichbar sind0 Es lassen sich Halbleiter-Verbindungen in der Größenordnung von einem oder mehreren Mikron herstellens Die Diffusion selbst dauert nur einige Mikrosekunden. Die Reproduzierbarkeit ist beachtlich und führt zum Beispiel zu einer Ausfallquote von lediglich 1 % für passive Schaltungen Mit dem Verfahren nach der Erfindung lassen sich leicht Diodenmatrizen oder Transistormatrizen herstellen, wobei im letzteren Fall die Legierungsstellen nebeneinanderliegend in ein und derselben dünnen Schicht hergestellt werden; Mit dem Verfahren nach der Erfindung wurden Mikrodioden hergestellt unter Verwendung eines Rubinlasers oder eines Neodymglaslaser*i.Under the bell there is a turntable 9 by means of a Electric motor 1O, which is located outside the bell, can be moved and carries a plurality of test pieces 5 to be treated. There is still one under the bell an optical system 11 for thickness measurement, so that the preferably by evaporation Layer 1 formed from a shell 12 on the substrate 5 is measured under vacuum The bell jar 8 sits on a pump system 15 with which it evacuates wird0 With this device both active and passive circuit elements on a semiconductor substrate provided that suitable thin layers are applied, such as doped layers to produce diffusion areas in the case of active circuit elements or conductive layers for manufacturing before passive ones Ha elements0 These layers are created directly by means of the laser beam Treated after their application so that the microcircuits do not enter the atmosphere must be brought into contact0 This property of the device according to the invention forms a significant advantage as there are no harmful impurities on the Microcircuits can get. About the outline and depth of the dirrusion areas In any case, it is sufficient to adjust the energy of the laser light source You can also change the energy distribution in the diaphragm plane to adjust the diffusion profile to influence The method and the device according to the invention enable not only a much more precise production of semiconductor connections than with known procedures and a more precise mastery of the profile and concentration the doping in the diffusion zone as a function of the depth, but also the production much smaller alloy ranges than can be achieved with conventional methods0 It can be semiconductor connections in the order of one or more Making microns Diffusion itself only takes a few microseconds. The reproducibility is considerable and leads, for example, to a failure rate of only 1% for Passive circuits The method according to the invention can easily be used to create diode matrices or produce transistor matrices, in the latter case the alloy sites are produced side by side in one and the same thin layer; With microdiodes were fabricated using the method of the invention a ruby laser or a neodymium glass laser * i.

die im Relaxationsberetch betrieben wurden, indem eine Emissionszeit zwischen 0s5 und 3 Mikrosekunden gewählt wurde, um auf einer Siliziumunterlage eine Glasschicht von 3eOOO A Dicke zu diffundieren, welche Glasschicht zum Beispiel Bor oder Phosphor als FoticrunSsverunreinigun8en enthielt. Zum Erreichen einer Konzentration von 1020 Dotierungaatomen pro cia3 wurde eine Energiedichte zwischen 30 und 150 Watt sekunden/cm2 verwendet, je nach der gewünschten DS££usionstiefe.which were operated in the relaxation range by adding an emission time between 0s5 and 3 microseconds was chosen to produce a Glass layer of 3,000 Å thick to diffuse, which glass layer, for example, boron or contained phosphorus as photo runS impurities. To achieve concentration of 1020 doping atoms per cia3 was an energy density between 30 and 150 watt seconds / cm2 used, depending on the desired DS ££ application depth.

Bei Verwendung der oben angegebenen dünnen Schicht betrug die Diffusionstiefe bei einer Energiedichte von 7Q Wattsekunden/cm2 0,6 Mikron mit einem einzigen Laserimpuls.When the above-mentioned thin layer was used, the diffusion depth was at an energy density of 7Q watt seconds / cm2 0.6 microns with a single laser pulse.

Durch fünf Impulse gleicher Art stieg die Diffusionstiefe auf 1,4 Mikron.Five impulses of the same type increased the diffusion depth to 1.4 Micron.

Ein anderes Beispiel betrifft die Herstellung von derl ständen mittels eines abschaltbaren Rubinlasers. Dabei wurde eine Emissionszeit von 100 Nanosekunden verwendet und ein zweilinsiges optisches System mit Linsenbrennweiten von 135 und 18 Millimeter entsprechend einer Verkleinerung on 1/7,5 Die dünnen Schichten bestanden us Nickel-Chrom, Ghromn Silizium-Chrom oder anderen Materialien, die auf einer Glasunterlage aufgebracht worden waren.Another example concerns the production of stands by means of a switchable ruby laser. The emission time was 100 nanoseconds used and a two-lens optical system with lens focal lengths of 135 and 18 mm corresponding to a reduction of 1 / 7.5 The thin layers existed us nickel-chromium, ghromn silicon-chromium or other materials on a glass base had been applied.

Ein derartiger Widerstand, der beispielsweise eine mäanderförmige Widerstandsschicht mit einer Breite von 20 Mikron aufweist, kann durch Variieren der länge auf den gewünschten Widerstandswert eingestellt werden.Such a resistor, for example a meander-shaped one Resistive layer 20 microns wide can be varied by varying the length can be set to the desired resistance value.

Claims

1 method for producing circuit elements in electronic Microcircuits by applying a thin layer of a material to a base and the layer is diffused into predetermined areas of the substrate, d a d u r c h 8 e k e n n e i c h n e t that the diffusion is outside of the diffusion normally ensuring thermal equilibrium only through Described the predetermined areas with laser beam pulses is effected.

20 The method according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i o h n e t that the laser beam pulses through a diaphragm, the opening of which is to be generated Corresponds to diffusion areas, directed onto the thin layer and the diaphragm on this is mapped 3. The method according to claim 2, d a d u r c h g o -k e n n z e i c h n e t that the aperture is shown reduced.

4 The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h 8 e -k e n nz e i c h n e t that the thin layer consists of a doping material and immediately is produced by evaporation of doping material prior to diffusion, 5 Method according to Claim 4, d u r c h g e -k e n n n z e i c h n e t that evaporation of the doping material is carried out by means of laser beams.

6 The method according to claim 1 to 5, d a d u r c h 5 e -k e n nz e i c h n e t 1 that the diffusion is carried out under vacuum 7 method according to Claims 1 to 6 "d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t 2 that the evaporation is carried out under vacuum 8 device for carrying out the method according to Claims 2 to 7, g e k e n n n z e i c h n e t d u r c h a laser light source (3), through a diaphragm (4) located in the beam path of the same, through an optical imaging system (5, 6, 7) for generating a stigmatic image of the diaphragm (4) inside a evacuated container (8, by a movable holding plate (9) for holding the to machining circuits, by means (12) for applying the thin Layer by evaporation under vacuum, and by a thickness measuring device (11).

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