DE1231813B - Diffusion process for the production of electrical semiconductor components using masks - Google Patents

Description

Diffusions-Verfahren zur Herstellung von elektrischen Halbleiterbauelementen mittels Masken Eine Art von Transistoren, welche sich für Verwendung bei hoher Frequenz eignen, ist der doppeltdiffundierte Siliziumtransistor und, obwohl die vorliegende Erfindung sich auch für andere Halbleiterbauelemente eignet, soll sie im folgenden bezüglich Siliziumdioden und -transistoren beschrieben werden.Diffusion process for the production of electrical semiconductor components using masks A type of transistor which is suitable for use at high frequency suitable is the double diffused silicon transistor and, although the present one The invention is also suitable for other semiconductor components, as follows in terms of silicon diodes and transistors.

Bei der Herstellung von Halbleiterbaueleinenten für hohe Frequenzen müssen die Bauelemente notwendigerweise sehr klein sein, -und es ist schwierig, freiliegende Gebiete des Grundmatörials (d. h. des Halbleiterkörpers) zwischen den verschiedenen übergängen zum Anbringen eines ohmschen Kontaktes herzustellen. Außerdem läßt sich ein Kurzschluß zwischen den an den einzelnen Zonen angebrachten Zuleitungsdrähten nur unter Schwierigkeiten vermeiden. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den ganzen Halbleiterkörper zunächst mittels einer isolierenden Schicht abzudecken und nacheinander verschiedene Teile des Halbleiterkörpers, beispielsweise durch eine chemische Behandlung, freizulegen, um die nachfolgenden Verfahrensschritte, z. B. die Eindiffusion von Störstoffen, zu ermöglichen. - Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen durch mindestens einmali-:,e Eindiffusion von Störstoffen in einen Halbleiterkörper durch die öffnungen einer Diffusionsmaske aus einer auf der Halbleiteroberfläche erzeugten Oxydschicht.In the manufacture of semiconductor components for high frequencies, the components must necessarily be very small and it is difficult to produce exposed areas of the base material (i.e. the semiconductor body) between the various junctions for making an ohmic contact. In addition, a short circuit between the lead wires attached to the individual zones can only be avoided with difficulty. One solution to this problem is to initially cover the entire semiconductor body by means of an insulating layer and to expose different parts of the semiconductor body one after the other, for example by chemical treatment, in order to carry out the subsequent process steps, e.g. B. to allow the diffusion of impurities. - The invention relates to a method of manufacturing semiconductor devices by at least einmali - :, e diffusion of impurities in a semiconductor body through the openings of a diffusion mask of a generated on the semiconductor surface oxide layer.

Ein solches Verfahren ist aus der deutschen Auslegeschrift 1080 697 und aus der französischen Patentschrift 1254 861 bekanntgeworden. Das Verfahren der deutschen Auslegeschrift besteht unter anderem darin, die bei den Diffusionsschritten maskierende Oxydschicht vor jedem weiteren bzw. nach dem letzten Diffusionsschritt zu entfernen, und nicht als Schutzschicht zu verwenden.Such a process has become known from German Auslegeschrift 1080 697 and in French Patent 1,254,861. The method of the German Auslegeschrift consists, among other things, in removing the oxide layer masking the diffusion steps before each further or after the last diffusion step and not using it as a protective layer.

Durch die genannte französische Patentschrift wurde ein Verfahren bekannt, bei dem die maskierenden Oxydschichten als Schutzschichten auf dem fertigen Halbleiterbauelement verbleiben. Es wurde nämlich erkannt, daß die maskierenden Oxydschichten als Schutzschichten verwendbar sind, wobei man der Meinung war, daß keine Verunreinigung der Transistor-pn-Übergänge während oder nach der Herstellung möglich ist, wenn diese stets völlig durch die als Diffusionsmaske verwendete Oxydschicht geschützt bleiben. Die Fachwelt war nämlich der Ansicht, daß praktisch alle Fremdstoffe - mit Ausnahme von Gallium -, die als diffundierende Stoffe im Zusammenhang mit Silizium in Betracht kommen, nicht mit der als Diffusionsmaske verwendeten. Oxydschicht reagieren. Demgegenüber geht die Erfliidung von der neuen Erkenntnis aus, daß das Oxyd bei den Diffusionsschritten von den Störstoffen verunreinigt wird und nicht mehr einen genügenden#.Schutz für die freiliegenden Enden eines pn-überganges während der Lebensdauer des Bauelements bietet.From the French patent mentioned, a method became known in which the masking oxide layers remain on the finished semiconductor component as protective layers. It was recognized that the masking oxide layers can be used as protective layers, and it was believed that no contamination of the transistor pn junctions is possible during or after manufacture if they are always completely protected by the oxide layer used as a diffusion mask. The experts were of the opinion that practically all foreign substances - with the exception of gallium - which come into consideration as diffusing substances in connection with silicon, are not used with the as diffusion mask. Oxide layer react. In contrast, the invention is based on the new knowledge that the oxide is contaminated by the impurities during the diffusion steps and no longer offers sufficient protection for the exposed ends of a pn junction during the life of the component.

Demzufolge besteht das Verfahren der genannten Art erfindungsgemäß darin, daß nach dem letzten Diffasionsschritt die mit Störstoffen verunreinigte Diffusionsmaske durch eine neue Oxydschicht ersetzt wird.Accordingly, the method of the type mentioned exists according to the invention in that after the last diffusion step the contaminated with impurities Diffusion mask is replaced by a new oxide layer.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen zwei Ausführungsformen dargestellt sind.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings, in which two embodiments are shown.

In den Fig. 1 bis 6 sind einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung einer Siliziumdiode dargestellt, während die F i g. 7 bis 12 zusammen mit den Fig. 1 bis 3 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Siliziumtransistors (Drei-Elektroden-Vorrichtung) darstellen. Die einzelnen Figuren stellen Schnitte durch ein Halbleiterplättehen bei verschiedenen Verfahrensstufen dar.In FIGS. 1 to 6 , individual method steps for producing a silicon diode are shown, while FIGS. 7 to 12 together with FIGS. 1 to 3 illustrate the method steps for producing a silicon transistor (three-electrode device). The individual figures represent sections through a semiconductor wafer at different process stages.

In F i g. 1 ist ein Halbleiterplättchen 1 dargestellt, das aus Silizium vom n-Typ besteht, an dessen Oberfläche eine isolierende Schicht2 erzeugt wurde. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Siliziumoxyd und wird in an sich bekainter Weise hergestellt, z. B. thermisch durch Einwirkung von Sauerstoff auf Silizium bei hoher Temperatur oder durch Einwirkung von Wasserdampf entweder allein oder in Gegenwart von Luft. Die Oxydschicht kann auch durch pyrolytisches Niederschlagen durch Zersetzung einer chemischen Verbindung, welche Silizium und Sauerstoff enthält, hergestellt werden. In diesem Verfahrensschritt bildet das Plättchen einen Teil einer größeren Scheibe aus Silizium, die gleichmäßig oxydiert und in einem späteren Verfahrensschritt in kleinere Einheiten zerteilt wird, da es bei manchen Verfahrensschritten praktischer ist, sie mit einer größeren Einheit durchzuführen.In Fig. 1 shows a semiconductor wafer 1 which consists of n-type silicon, on the surface of which an insulating layer 2 has been produced. This layer is preferably made of silicon oxide and is produced in a manner known per se, e.g. B. thermally by the action of oxygen on silicon at high temperature or by the action of water vapor either alone or in the presence of air. The oxide layer can also be produced by pyrolytic deposition through the decomposition of a chemical compound containing silicon and oxygen. In this process step, the plate forms part of a larger disk made of silicon, which is uniformly oxidized and divided into smaller units in a later process step, since it is more practical in some process steps to carry out them with a larger unit.

Eine Öffnung (für eine Einheit) oder mehrere öffnungen (für eine größere zusammengesetzte Einheit) werden dann in der Oxydschicht mit Hilfe der Fotoätztechnik hergestellt, wobei ein Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure stattfindet, so daß der Oxydüberzug eine Maske bildet, wie dies bei einer einzelnen Einheit in F i g. 2 dargestellt ist. Dort ist die öffnung mit 3 bezeichnet.An opening (for a unit) or several openings (for a larger assembled unit) are then made in the oxide layer using the photo-etching technique, whereby an etching with hydrofluoric acid takes place so that the oxide coating forms a mask, as is the case with a single unit in FIG F i g. 2 is shown. There the opening is denoted by 3 .

Der nächste Schritt bei der Herstellung besteht darin, einen Störstoff vom p-Typ in den Halbleiter vom n-Typ durch das Loch 3 einzudiffundieren, wobei als Ausgangsmaterial ein Element der III. Gruppe des Periodischen Systems verwendet wird, vorzugsweise in Legierung mit Silizium. Wenn dieses Material auf das Silizium. in der Öffnung 3 aufgebracht ist und die Temperatur erhöht wird, findet zunächst ein Einlegieren und dann eine Diffusion statt, so daß sich ein ph-übergang in dem Plättchen bildet, der sich ausbreitet, bis ein Zustand erhalten wird, wie er in F i g. 3 dargestellt ist. Durch die Pfeile soll die Einwirkung von Wärme angedeutet werden, während mit 4 der übergang bezeichnet ist, der an der Oberfläche des Halbleiterplättchens an einer Stelle endet, die unter dem Rand der Öffnung liegt. Mit 5 ist die bei diesem Verfahrensschritt gebildete p-Zone bezeichnet. Infolge der Erhitzung wird bei 6 ein neues Oxyd gebildet, wo das Silizium infolge der Öffnung freiliegt.The next step in the production is to diffuse a p-type impurity into the n-type semiconductor through the hole 3 , an element of III. Group of the Periodic Table is used, preferably in alloy with silicon. If this material to the silicon. is applied in the opening 3 and the temperature is increased, first alloying and then diffusion takes place, so that a ph transition forms in the platelet, which spreads until a state is obtained as shown in FIG . 3 is shown. The arrows are intended to indicate the effect of heat, while 4 denotes the transition which ends on the surface of the semiconductor wafer at a point which is below the edge of the opening. The p-zone formed in this process step is denoted by 5. As a result of the heating, a new oxide is formed at 6 , where the silicon is exposed as a result of the opening.

Bisher hat man es als wesentlich angesehen, daß das Ende des überganges 4 in der Oberfläche des Siliziums stets unter der ursprünglichen Oxydschicht 2 verbleibt als Schutz gegen Verunreinigung während der weiteren Behandlung oder während des Einbaues. Im Gegensatz hierzu wurde jedoch gefunden, daß die Verunreinigung der Oxydschicht 2 während des ausgeführten Verfahrensschrittes schwerwiegende Nachteile auf die Eigenschaften und auf die Lebensdauer des so gebildeten Bauelements hat, und es wurde festgestellt, daß es besser ist, den ursprünglichen Oxydüberzug, nach dem Verfahren der Erfmdung, wie in F i g. 4 dargestellt, durch eine neue Schicht 7, die vorteilhaft aus Siliziumoxyd besteht, zu ersetzen, welche die ursprüngliche Dicke hat und die durch eines der obengenannten Verfahren hergestellt wird. Dieser Zustand ist in F i g. 5 dargestellt.So far it has been considered essential that the end of the transition 4 in the surface of the silicon always remains under the original oxide layer 2 as protection against contamination during further treatment or during installation. In contrast to this, however, it has been found that the contamination of the oxide layer 2 during the process step carried out has serious disadvantages on the properties and on the life of the component thus formed, and it has been found that it is better to use the original oxide coating by the method of Invention as shown in FIG . 4, to be replaced by a new layer 7, which advantageously consists of silicon oxide, which has the original thickness and which is produced by one of the above-mentioned processes. This state is shown in FIG. 5 shown.

Der letzte Schritt bei der Herstellung der Diode besteht zuerst in der Herstellung einer Öffnung in der neuen Oxydschicht 7 über der Zone 5 vom p-Typ durch chemisches Ätzen und zweitens in der Aufplattierung von ohmschen Kontakten 8 und 9, wobei der Kontakt 8 sich in der öffnung befindet und der Kontakt9 an der gegenüberliegenden Fläche des Plättehens, und Anbringen der Zuleitungsdrähte10 und 11. Die Herstellung eines Drei-Elektroden-Halbleiterbauelements (Transistor) nach dem doppelten Diffusionsverfahren in Abwandlung durch die vorliegende Erfindung soll nun an Hand der F i g. 1 bis 3 und 7 bis 12 beschrieben werden.The last step in the manufacture of the diode consists first in the manufacture of an opening in the new oxide layer 7 over the zone 5 of the p-type by chemical etching and second in the plating of ohmic contacts 8 and 9, the contact 8 being in the Opening and the contact 9 on the opposite surface of the plate, and attaching the lead wires 10 and 11 . 1 to 3 and 7 to 12 will be described.

Die anfänglichen Verfahrensschritte entsprechen denen, die oben für eine Diode beschrieben wurden und in den Figuren dargestellt sind. Danach wird die Oxydschicht 6, die während des ersten Diffusionsprozesses gewachsen ist, mittels einer Säure oder in ähnlicher Weise entfernt, so daß sich eine exzentrische oder unsymmetrische öffnung 20 (F i g. 7) von verminderter Größe ergibt, wodurch ein Teil der p-Zone 5 freigelegt wird, so daß jedoch noch ein Teil der Schutzschicht an einer Seite der öffnung bestehenbleibt. Die Zone 5 bildet die Basis des Transistors. Eine zweite Zone 21 wird nun in die Basiszone eindiffundiert durch Aufbringen einer geeigneten Störstofflegierung auf die Öffnung 20 und einen zweiten Erhitzungsprozeß. Dieser Prozeß wird genau gesteuert und die Diffusion wird so weit durchgeführt, daß ein zweiter übergang 22 (zwischen Basis und Emitter) gebildet wird und in der Plättchenoberfläche unterhalb des Randes des Öffnung von verminderter Größe endet (F i g. 8). The initial process steps correspond to those described above for a diode and shown in the figures. Thereafter, the oxide layer 6, which has grown during the first diffusion process, is removed by means of an acid or in a similar manner, so that an eccentric or asymmetrical opening 20 (FIG . 7) of reduced size results, whereby part of the p- Zone 5 is exposed, so that part of the protective layer still remains on one side of the opening. Zone 5 forms the base of the transistor. A second zone 21 is now diffused into the base zone by applying a suitable impurity alloy to the opening 20 and a second heating process. This process is precisely controlled and the diffusion is carried out to such an extent that a second junction 22 (between base and emitter) is formed and terminates in the wafer surface below the edge of the opening of reduced size ( FIG. 8).

Die ursprüngliche und die nachgewachsene Oxydschicht sind nun durch die Verwendung als Diffusionsmasken verunreinigt und werden mit chemischen Mitteln entfernt (F i g. 9). Die Oberfläche des Plättchens wird gereinigt und eine neue homogene Oxydschicht 23 auf der ganzen Oberfläche erzeugt (F ig.10). Diese Schicht wird nach der Fotoätztechnik geätzt um die Öffnungen 24, 25 und 26 (F i g. 11), wodurch die Emitterzone 21, die Basiszone 5 und der ursprüngliche Halbleiter 1 freigelegt werden. Dabei bleiben die Teile 27 und 28 der Oxydschicht stehen, um die an die Oberfläche tretenden übergänge zu schützen. Die freigelegten Teile der Halbleiteroberfläche werden nun metallisiert, um einen ohmschen Kontakt niedrigen Widerstandes bei 29, 30 und 31 (F i g. 12) zu erzeugen, an denen die Zuleitungsdrähte 32, 33 und 34 nach einem bekannten Verfahren angebracht werden.The original and the regrown oxide layer are now contaminated by using them as diffusion masks and are removed by chemical means ( FIG. 9). The surface of the platelet is cleaned and a new homogeneous oxide layer 23 is produced over the entire surface (FIG. 10). This layer is etched around the openings 24, 25 and 26 ( FIG. 11) using the photo-etching technique, whereby the emitter zone 21, the base zone 5 and the original semiconductor 1 are exposed. The parts 27 and 28 of the oxide layer remain in place in order to protect the transitions coming to the surface. The exposed parts of the semiconductor surface are now metallized in order to produce an ohmic contact of low resistance at 29, 30 and 31 ( FIG. 12), to which the lead wires 32, 33 and 34 are attached by a known method.

Das Siliziumoxyd wurde bei dem Diffusionsverfahren deshalb als Maske verwendet, weil man angenommen hat, daß die Dotierungselemente damit nicht reagieren. Das ist an sich richtig, mit Ausnahme des Elementes Gallium aus der III. Gruppe, das deshalb -bei dem Verfahren ausgeschlossen sein muß. Aber das Oxyd wird trotzdem während der Verfahrensschritte von den Störstoffen verunreinigt und bildet dann nicht mehr einen genügenden Schutz für die freiliegenden Enden des Überganges während der Lebensdauer des Bauelements. Deshalb wird das Oxyd am Schluß nach dem Verfahren der Erfindung durch frisches reines Oxyd ersetzt, ein Verfahren, das keine Schwierigkeiten bei der Verwendung der Fotoätztechnik bereitet. Vorzugsweise wird jede Oxydschicht nach jedem Diffusionsschritt entfernt, beispielsweise nach dem in F i g. 3 dargestellten Verfahrensschritt, so daß der in F i g. 4 dargestellte Verfahrensschritt erreicht wird und daß eine neue Oxydschicht zur Herstellung der Anordnung nach F i g. 7 erzeugt wird.The silicon oxide was used as a mask in the diffusion process because it was assumed that the doping elements did not react with it. That is correct in itself, with the exception of the element gallium from III. Group that must therefore be excluded from the process. But the oxide is still contaminated by the impurities during the process steps and then no longer provides sufficient protection for the exposed ends of the junction during the life of the component. Therefore, after the method of the invention, the oxide is finally replaced by fresh, pure oxide, a method which does not cause any difficulties when using the photo-etching technique. Preferably, each oxide layer is removed after each diffusion step, for example after the one shown in FIG. 3 illustrated process step, so that the in F i g. 4 is achieved and that a new oxide layer for producing the arrangement according to FIG. 7 is generated.

Die Erfindung wurde an Hand der Herstellung einer Siliziumdiode oder eines npn-Transistors aus Silizium beschrieben. Das Verfahren kann aber auch zur Herstellung von pnp-Transistoren und für andere Halbleitergrundstoffe verwendet werden, obwohl bei anderen Halbleitermaterialien Schwierigkeiten dadurch auftreten können, daß sich unstabile Oxyde bilden können. In diesen Fällen werden vorzugsweise Schichten aus Siliziumoxyd auf der Oberfläche erzeugt, und es ist dabei um so wichtiger, die Schichten des gebildeten Halbleiteroxyds durch reine und nicht verunreinigte Siliziumoxydschichten gemäß der Erfindung zu ersetzen.The invention was based on the manufacture of a silicon diode or of an npn transistor made of silicon. The procedure can also be used for Manufacture of pnp transistors and for others Semiconductor raw materials can be used, although difficulties arise as a result with other semiconductor materials can occur that unstable oxides can form. In these cases it will be preferably layers of silicon oxide are produced on the surface, and it is there all the more important, the layers of the semiconductor oxide formed by pure and not to replace contaminated silicon oxide layers according to the invention.

Claims (2)

Patentansprilche: 1. Verfahren zum Herstellen von elektrischen Halbleiterbauelementen durch mindestens einmalige Eindiffusion von Störstoffen in einen Halbleiterkörper durch die Öfblungen einer Diffusionsmaske aus einer auf der Halbleiteroberfläche erzeugten Oxydschicht, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß nach dem letzten Diffusionsschritt die mit Störstoffen verunreinigte Diffusionsmaske durch eine neue Oxydschicht ersetzt wird. Claims: 1. A method for producing electrical semiconductor components by at least one single diffusion of impurities into a semiconductor body through the openings of a diffusion mask from an oxide layer produced on the semiconductor surface, characterized in that after the last diffusion step the diffusion mask contaminated with impurities is replaced by a new oxide layer is replaced. 2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrmaliger Eindiffusion von Störstoffen die Diffusionsmaske jeweils durch eine neue Oxydschicht auf der Halbleiteroberfläche ersetzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften-. Deutsche Auslegeschrift Nr. 1080 697; französische Patentschrift Nr. 1254 861. 2. The method according spoke 1, characterized in that with repeated indiffusion of impurities, the diffusion mask is replaced by a new oxide layer on the semiconductor surface. Considered pamphlets-. German Auslegeschrift No. 1080 697; French Pat. No. 1,254,861.