DE2006994A1 - Verfahren zum Dotieren eines Siliciumkristalls durch Eindiffundieren von Bor bzw. Phosphor aus einer auf der Siliciumoberfläche erzeugten, den Dotierungsstoff abgebenden oxydischen Schicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren eines Siliciumkristalls durch Eindiffundieren von Bor bzw. Phosphor aus einer auf der Siliciumoberfläche erzeugten, den Dotierungsstoff abgebenden oxydischen Schicht, die unter Einwirkung des aus der Gasphase in Form eines Oxids auf die Siliciumoberfläche dargebotenen Dotierungsstoffes entsteht.

Ein solches Verfahren liegt beispielsweise bei der bekannten Planartechnik vor. Hier wirkt B[tief]2O[tief]3- oder P[tief]2O[tief]5-Dampf in der Hitze auf die von einer Maskierung nicht bedeckten Teile der Siliciumoberfläche ein, wobei eine dünne, den jeweiligen Dotierungsstoff enthaltende glasige Schicht entsteht, aus der simultan mit der Entstehung Dotierungsstoff in das darunterliegende Silicium eindringt. Das dotierende Glas wird bei jenem Verfahren im Gemisch mit einem inerten Trägergas, z. B. Argon, an die Oberfläche der erhitzten Siliciumkörper herangeführt.

Eine andere Möglichkeit besteht in der pyrolytischen Abscheidung des dotierenden Oxids, indem auf die erhitzte Siliciumoberfläche ein Gemisch aus einem inerten Trägergas, einer durch Pyrolyse SiO[tief]2 abgebenden gasförmigen Siliciumverbindung (z. B. Methylsiloxan) und dem Oxid des Dotierungsstoffes (z. B. B[tief]2O[tief]3 oder P[tief]2O[tief]5) zur Einwirkung kommt. Eine andere Möglichkeit besteht in einer anodischen Oxydation der Siliciumoberfläche in Gegenwart des betreffenden Dotierungsstoffes, der in die anodisch entstehende Oxidschicht an der Siliciumoberfläche 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 zeitraubende Wartung verlangt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei welchen - ebenso wie bei dem Verfahren der Belegung durch anodische Oxydation - Belegung und Diffusion zeitlich streng voneinander getrennt 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 die dotierende oxydische Schicht durch thermische Oxydation der Siliciumoberfläche unter Verwendung von mit einem Oxid des Dotierungsstoffes versetztem Sauerstoff als Oxydationsmittel erzeugt wird.

Damit wird sichergestellt, dass die Grenze zwischen dem Silicium und dem auf ihm entstehenden oxydischen Gemisch rascher in den Halbleiterkristall vorgetrieben wird, als die Diffusionsfront des Dotierungsstoffes in den Halbleiterkristall eindringen kann. Nach Abschluß dieses Prozesses ist dann erfahrungsgemäß der Dotierungsstoff nicht in das Silicium eingedrungen. Dies wird dann - nach Wechsel des Behandlungsgases und gegebenenfalls auch des Behandlungsgefäßes durch Tempern - insbesondere bei höherer Temperatur nachgeholt, so dass also der Beladungsvorgang und der Diffusionsvorgang streng voneinander getrennt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt u. a. folgende Möglichkeit der Herstellung einer Halbleiteranordnung zu: Eine Siliciumscheibe wird ganzflächig aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer dotierenden oxydischen Schicht belegt. Anschließend wird an unerwünschten Teilen die oxydische Schicht wieder selektiv weggeätzt. Das freigelegte Silicium ist aufgrund des erfindungsgemäßen Belegungsverfahrens frei von Dotierungsstoff. Läßt man nun auf die Anordnung in der Hitze einen den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden gasförmigen Dotierungsstoff einwirken, so findet gleichzeitig aus den noch an der Siliciumoberfläche vorhandenen, vom vorangegangenen Prozeß her stammenden Belegungen ebenfalls eine Diffusion statt, so dass gleichzeitig Akzeptoren und Donatoren an verschiedenen Stellen in die Siliciumoberfläche zum Eindiffundieren gebracht werden können.

In der Figur ist eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung beispielsweise dargestellt. Diese besteht aus einem Quarzrohr 1, das sich zum größten Teil innerhalb eines Rohrofens 2 befindet. An der Eintrittsstelle 1 a des Quarzrohres wird in der ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Sauerstoffstrom, in der zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens hingegen Argon oder ein anderes inertes Gas 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 Siliciumkristalle 4. Diese befinden sich auf einer als Schieber ausgestalteten Horde 5.

Nach erfolgter Belegung wird gegebenenfalls die Quelle 3 entfernt, der Sauerstoffstrom durch das inerte Gas ersetzt und die Diffusion in üblicher Weise vorgenommen. Der Ofen ist so konstruiert, dass mindestens am Ort der Siliciumscheiben

4 eine konstante Temperatur herrscht.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann folgendermaßen geschehen:

1. Bildung des dotierenden Oxids an der Siliciumoberfläche bei 920° C im O[tief]2-Strom, wobei als Quelle ein Gemisch aus B[tief]2O[tief]3 und SiO[tief]2 verwendet wird; Einwirkungsdauer 120 Minuten. Anschließend erfolgt die Diffusion im Argonstrom bei 1050° C mit einer Dauer von 120 Minuten.

2. Oxidbildung bei 1050° C im Sauerstoffstrom. Quelle aus B[tief]2O[tief]3 und SiO[tief]2. Einwirkungsdauer 60 Minuten. Die eigentliche Diffusion erfolgt im Argonstrom bei 1200° C mit einer Dauer von 60 Minuten.

Diese Ausführungsbeispiele können in mannigfacher Art geändert werden. Wichtig ist nur, dass die Belegung bei Anwesenheit von praktisch reinem Sauerstoff erfolgt, während die Diffusion im Inertgasstrom oder in einer Mischung aus Inertgas und Sauerstoff oder in einer Folge Inertgas-Sauerstoff (Reduzierung der eindiffundierenden Bormenge) durchgeführt wird. Das B[tief]2O[tief]3 kann, wie aus dem Vorstehenden leicht ersichtlich, ebenso durch ein Phosphoroxid, insbesondere P[tief]2O[tief]5, ersetzt werden, wenn es sich darum handelt, statt einer p-leitenden, durch Bor dotierten Zone eine n-leitende Zone herzustellen.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand eines weiteren Ausführungsbeispieles, nämlich der Herstellung eines Feldeffekttransistors mit selbst justierenden source- und drain-Gebieten beschrieben. Zur Erläuterung dieses Verfahrens dienen die Figuren 2 bis 6. Auf einer p-leitenden einkristallinen Siliciumscheibe 11 wird zunächst eine n-leitende Oberflächenzone 12 epitaktisch abgeschieden, die einerseits von einer maskierenden SiO[tief]2-Schicht 3 bedeckt wird. Dieser Zustand ist in Figur 2 dargestellt.

Mittels einer Fotolackätztechnik wird nun die SiO[tief]2-Schicht längs paralleler Streifen 14a, 14b, 14c entfernt, die im einzelnen der herzustellenden source-, gate- und drainzone entsprechen (siehe Figur 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 SiO[tief]2-Film 16 durch thermische Zersetzung einer geeigneten gasförmigen Siloxanverbindung oder einer ähnlichen Verbindung erzeugt. Der erreichte Zustand ist in Figur 4 dargestellt.

Nunmehr werden diese beiden Filme von der Siliciumoberfläche am Ort der beiden äußeren Streifen 14 a und 14 c entfernt, während sie am mittleren Streifen 14 b erhalten bleiben. Es resultiert also der in Figur 15 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[tief]2 bedeckte Siliciumoberfläche nicht eindringen kann. Ein Beispiel ist Phosphor, der in Form von gasförmigem Phosphorwasserstoff oder Phosphorpentoxid dargeboten wird. Während der Erhitzung dringen Donatoratome an den Fenstern 14a und 14c und Akzeptoratome am Fenster 4b in das Innere der epitaktischen Schicht 12 unter Entstehung einer n[hoch]+-leitenden source-Zone 17, einer p[hoch]+leitenden gate-Zone 18 und einer n[hoch]+-leitenden drain-Zone 30 ein. Der erhaltene Zustand ist in Figur 6 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 Fotolackätztechnik vorher entfernt.

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die Festlegung der source-, drain- und gate-Geometrie mit einer Maske die Abstände und Streifenbreiten enger toleriert werden können. Außerdem wird durch dieses Verfahren die Symmetrie des Transistors (Vertauschbarkeit von source und drain) sichergestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Dotieren eines Siliciumkristalls durch Eindiffundieren von Bor bzw. Phosphor aus einer auf der Siliciumoberfläche erzeugten, den Dotierungsstoff abgebenden oxydischen Schicht, die unter Einwirkung des in der Gasphase in Form eines Oxids dargebotenen Dotierungsstoffes entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierende oxydische Schicht durch thermische Oxydation der Siliciumoberfläche unter Verwendung von mit dem Oxid des Dotierungsstoffes versetztem Sauerstoff als Oxydationsmittel erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Diffusion nach Erzeugung der oxydischen dotierenden Schicht durch Temperung in einem inerten Gas, insbesondere Argon, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der Erzeugung der dotierenden oxydischen Schicht an der Siliciumoberfläche dienende Gas durch Überleiten von reinem Sauerstoff über eine erhitzte, Bor- oder Phosphoroxid abgebende, vor dem Erhitzen der zu dotierenden Halbleiterscheiben im Behandlungsgasstrom angeordnete Quelle erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der oxydischen dotierenden Schicht an der auf 920 - 1050° C erhitzten Siliciumoberfläche, das Eindiffundieren des Dotierungsstoffes hingegen bei einer Temperatur von etwa 1050 bis 1200° C erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche eines scheibenförmigen Siliciumeinkristalls von einem Leitungstyp epitaktisch eine Zone von entgegengesetztem Leitungstyp abgeschieden und mit einer Schicht aus SiO[tief]2 bedeckt wird, dass in diese SiO[tief]2-Schicht mindestens zwei zur Siliciumoberfläche durchgehende Fenster eingeätzt und diese Fenster mit einer bor- oder phosphorhaltigen SiO[tief]2-Schicht unter Verwendung von reinem Sauerstoff als Oxydationsmittel bedeckt werden, derart, dass weder Bor noch Phosphor in das darunterliegende Silicium eindiffundiert, dass dann der dotierungsstoffhaltige Film an mindestens einem Fenster mit einer pyrolytisch abgeschiedenen SiO[tief]2-Schicht abgedeckt wird, dass an mindestens einem Fenster die Halbleiteroberfläche wieder freigelegt wird, während an mindestens einem anderen Fenster die dotierungsstoffhaltige Oxidschicht erhalten bleibt und dass an dem freigelegten Fenster ein den entgegengesetzten Leitungstyp hervorrufender Aktivator aus der Gasphase zur Einwirkung gebracht und durch Erhitzen der Anordnung Dotierungsstoff sowohl an dem freigelegten Fenster als auch aus dem mit dem dotierungsstoffhaltigen Oxid bedeckten Fenster in die epitaktische Schicht zur Eindiffusion gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Herstellung eines Unipolartransistors.