DE3725169A1 - Method for the patterned incorporation in semiconductor surfaces of dopants which determine conductivity - Google Patents

Method for the patterned incorporation in semiconductor surfaces of dopants which determine conductivity

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    • C30B31/02—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion materials in the solid state

Abstract

The aim of the present invention is to improve the patterning process, and to combine said process advantageously with the doping process. There is the greatest of technical interest in a corresponding formulation of objects. The point is that the resolutions of the previously stated patterning techniques have reached a natural limit, at the resolution of the previously employed beams of the most varied type: ultraviolet light, X-ray or electron beams, as well as ion beams. In addition, there is a range of difficulties which do not even allow the theoretical limits of resolution to be reached: flatness of the wafer and optical imaging (focal depth!), contrast of masks and gradation quality of the photoresists may be named here. The basic idea of the novel method is as follows: The entire information or a substantial portion of the information for the two-dimensional wafer patterning is to be stored in a polypeptide chain to whose side groups there are coupled the atoms normally used for doping in semiconductor technology. For the purpose of doping, the macromolecules are adsorbed in a defined way onto the semiconductor surface and the atoms are, for example by means of a UV laser pulse, photochemically split off and built into the semiconductor surface simultaneously, virtually simultaneously or in a temporal sequence by means of thermal softening of said semiconductor surface, for example with the aid of a second IR laser pulse.

Description

Um elektronische Bauelemente auf der Oberfläche von Halbleiter-Kristallen herzustellen, sind im allgemeinen eine Reihe von Prozeßschritten notwendig. Wenn es im folgenden erforderlich wird, soll beispielhaft von Silizium (Si) gesprochen werden, jedoch ist immer an alle möglichen Element- oder Verbin­ dungsleiter gedacht, was dem Fachmann keine prinzipiellen Schwierigkeiten macht. Die genannten Prozeßschritte haben verschiedene Funktionen:To electronic components on the surface of semiconductor crystals To manufacture, a number of process steps are generally necessary. If it becomes necessary in the following, for example silicon (Si) are spoken, however, is always in contact with all possible element or verb management manager thought, which the specialist no fundamental difficulties makes. The process steps mentioned have different functions:

  • a) es werden Epitaxi-Schichten erzeugta) epitaxial layers are produced
  • b) es wird oxidiert, nitriert usw.b) it is oxidized, nitrided etc.
  • c) es werden Fotolacke aufgebracht und strukturiert belichtet (unter Benut­ zung von Fotomasken, Lichtprojektoren, mit gesteuerten Elektronenstrahlen u. ä),c) photoresists are applied and exposed in a structured manner (under user of photo masks, light projectors, with controlled electron beams u. ä),
  • d) es wird auf entsprechend strukturierten Oberflächen durch Eindiffusion von Dopanten eine bestimmte Art von Leitfähigkeit erzeugt,d) it is diffused on appropriately structured surfaces a certain type of conductivity is generated by dopants,
  • e) es werden Ätzstopschichten eindiffundiert, häufig vor der Erzeugung von Epitaxie-Schichten.e) etch stop layers are diffused in, often before the generation of Epitaxial layers.

Dieses und weitere Verfeinerungen sind Stand der Technik.This and other refinements are state of the art.

Die gegenwärtige Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, den Strukturierungs­ prozeß zu verbessern, sowie denselben vorteilhaft mit dem Dotierungsprozeß zu kombinieren. Eine entsprechende Aufgabenstellung ist von höchstem techni­ schen Interesse. Die Feinheiten der bisher genannten Strukturierungstechni­ ken sind nämlich an einer natürlichen Grenze angelangt, an das Auflösungs­ vermögen der bisher verwendeten Strahlen verschiedenster Art: Ultraviolet­ tes Licht, Röntgen- oder Elektronenstrahlen, auch Ionenstrahlen. Hinzu kom­ men eine Reihe von Schwierigkeiten, die nicht einmal die theoretischen Auf­ lösungsgrenzen zu erreichen gestatten: Ebenheit von Wafer und optischer Abbildung (Schärfentiefe), Kontraste von Masken und Gradationsqualität der Fotolacke seien genannt.The present invention has set itself the goal of structuring process to improve, as well as the same advantageous with the doping process to combine. A corresponding task is of the highest technical standard interest. The subtleties of the structuring technology mentioned so far ken have reached a natural limit, the dissolution are able to use various types of rays: ultraviolet light, X-rays or electron beams, including ion beams. Add com a number of difficulties that are not even theoretical allow to reach solution limits: flatness of wafer and optical Image (depth of field), contrasts of masks and gradation quality of the Photoresists are mentioned.

Der vorliegenden Erfindung liegt ein völlig neuer Strukturierungs- und Prozeßgedanken zugrunde, der es ermöglichen wird, bis an die absoluten Gren­ zen der Größe von elektronischen Bauelementen vorzudringen. Während die heute technisch erreichbare Grenze der Größe von Streifen bzw. entsprechen­ der Strukturelemente bei 0,1 µm liegt und nur mit einem großen Aufwand erreicht werden kann, erscheint nach unserem Verfahren eine weitere Verklei­ nerung um den Faktor 1 : 10 und noch kleiner als möglich.The present invention is a completely new structuring and Process concept based, which will make it possible to reach the absolute limits to penetrate the size of electronic components. While the technically achievable limit of the size of strips or correspond the structural elements is 0.1 µm and only with great effort can be reached, another sale appears according to our procedure change by a factor of 1:10 and even smaller than possible.

Der Grundgedanke des neuen Verfahrens ist der folgende:The basic idea behind the new process is as follows:

Die gesamte Information oder eine wesentliche Teilinformation für die flä­ chige Wafer-Strukturierung soll in einer Polypeptidkette gespeichert sein, an deren Seitengruppen die in der Halbleitertechnik üblicherweise zur Dotie­ rung verwendeten Atome angekoppelt sind. All or part of essential information for the flä Current wafer structuring is said to be stored in a polypeptide chain, on the side groups of which in semiconductor technology usually for dotie used atoms are coupled.  

Zur Dotierung werden die Makromoleküle in definierter Weise auf der Halblei­ teroberfläche absorbiert, die Atome beispielsweise mittels eines UV-Laserim­ pulses photochemisch abgespaltet und gleichzeitig, nahezu gleichzeitig oder in einer zeitlichen Folge durch thermisches Aufweichen der Halbleiterober­ fläche beispielsweise mit einem zweiten IR-Laserimpuls in diese eingebaut. Alle Möglichkeiten, Vorbedingungen für den Diffusionsprozeß zu schaffen, können ins Auge gefaßt werden. Bei einer ionischen Kopplung des Dopanden an die Seitengruppen der Makromoleküle (s. Fig. 1) könnte der erste Laser- Impuls entfallen.For doping, the macromolecules are absorbed in a defined manner on the semiconductor surface, the atoms are split off photochemically, for example by means of a UV laser pulse, and at the same time, almost simultaneously or in a time sequence by thermal softening of the semiconductor surface, for example with a second IR laser pulse built-in. All possibilities to create preconditions for the diffusion process can be considered. If the dopand is ionically coupled to the side groups of the macromolecules (see FIG. 1), the first laser pulse could be omitted.

Mit diesem Verfahren können - durch geeignete Wahl der chemischen Bindung der Atome an die Peptidseitenketten - gleichzeitig oder in dichter zeitli­ cher Folge mehrere verschiedene Dotierstoffe räumlich voneinander getrent in die Halbleiteroberfläche eingebaut werden.With this method - by appropriate choice of chemical bonding of the atoms on the peptide side chains - simultaneously or in dense time Afterwards, several different dopants are spatially separated from one another be built into the semiconductor surface.

Damit ist es also auch möglich, im gleichen Prozeßschritt leitende Verbin­ dungen zwischen lokalen Strukturen - z. B. Transistoren oder ähnliche Elemen­ te - herzustellen. Zur Herstellung von Wafern mit definierter lateraler Dotierung sind zwei Voraussetzungen zu erfüllen:It is therefore also possible to use a conductive connection in the same process step between local structures - e.g. B. transistors or similar elements te - manufacture. For the production of wafers with a defined lateral Two requirements must be met:

  • 1. Es müssen die Dotieratome in definierter Anordnung entlang der markromole­ kularen Kette angebracht werden. Dieses Problem läßt sich zum Beispiel durch Synthese von Polypeptiden mittels gentechnischer Methoden lösen. Bei Verwen­ dung von Stickstoff oder Schwefel als Dotierstoff können auch natürliche Aminosäuren Verwendung finden, also eine konstitutionelle Qualität eines Peptids. Phosphor, Arsen oder Bor können nach der Synthese chemisch an Sei­ tengruppen mit reaktiven Substituenten (wie Lyson) angekoppelt werden. Schließlich kann die Kopplung von geladenen Dotierstoffen Cd++, Ga++ auch durch Salzbrücken erfolgen (Fig. 1).1. The doping atoms must be attached in a defined arrangement along the markromolecular chain. This problem can be solved, for example, by synthesis of polypeptides using genetic engineering methods. When using nitrogen or sulfur as a dopant, natural amino acids can also be used, that is to say a constitutional quality of a peptide. After synthesis, phosphorus, arsenic or boron can be chemically coupled to side groups with reactive substituents (such as lysone). Finally, charged dopants Cd ++ , Ga ++ can also be coupled by salt bridges ( FIG. 1).
  • 2. Die zweite Voraussetzung besteht in der Herstellung von zweidimensionalen Adsorbatschichten des Polypeptids mit geeigneter lateraler Organisation, z. B. mit der in Fig. 2 dargestellten mäanderförmigen Struktur.2. The second requirement is the production of two-dimensional adsorbate layers of the polypeptide with a suitable lateral organization, eg. B. with the meandering structure shown in Fig. 2.

Fig. 1a zeigt ein Polypeptid mit Lysinresten zur elektrostatischen Kopplung des so künstlich gebundenen Dopanden (z. B. Cd, Ga, In) und Alanin als inerte Seitengruppen. FIG. 1a (. For example, Cd, Ga, In) indicates a polypeptide having lysine residues for the electrostatic coupling of the so artificially bound dopants and alanine as an inert side groups.

Fig. 1b zeigt ein Polypeptid mit Cystein und inerter Seitenkette X, wobei S als konstitutioneller Donor aufzufassen ist und X auch eine hydrophobe Kette sein kann. FIG. 1b shows a polypeptide having cysteine and inert side chain X, wherein S is to be regarded as a constitutional donor and X may also be a hydrophobic chain.

Fig. 2 zeigt eine mänderförmige Struktur des adsorbierten Makromoleküls. Die Symbole ⚫ und × kennzeichnen verschiedene Dopanden, während die ○ für keine Dotierung steht. (A: Carboxyl-Gruppe; E: Amino-Gruppe; B: Peptid- Bindung). Fig. 2 shows a mänderförmige structure of the adsorbed macromolecule. The symbols ⚫ and × indicate different dopants, while the ○ stands for no doping. (A: carboxyl group; E: amino group; B: peptide bond).

Zur Vermeidung der entropiebedingten Tendenz der Makromoleküle zur Knäul- oder Helixbildung können vorteilhaft zur Strukturierung der Absorbatschicht Zwischenträger zum Beispiel amphiphatische Moleküle, wie Lipids, eingesetzt werden, die als zweidimensionale Matrix für die Makromoleküle fungieren. Die Herstellung der zweidimensionalen Adsorbatschicht erfolgt beispielsweise an einer Flüssig-Gas Grenzfläche. Durch Kopplung eines Teils der keinen Dopan­ ten tragenden Seitengruppen an hydrophobe Ketten wird erreicht, daß die Peptidkette flach auf der Grenzfläche aufliegt. To avoid the entropy-related tendency of the macromolecules to or helix formation can be advantageous for structuring the absorbent layer Intermediate carriers, for example amphiphatic molecules such as lipids, are used that act as a two-dimensional matrix for the macromolecules. The The two-dimensional adsorbate layer is produced, for example a liquid-gas interface. By coupling part of the no dopan th supporting side groups on hydrophobic chains is achieved that the Peptide chain lies flat on the interface.  

Die Fig. 3a, 3b, 3c zeigen den Aufbau (z. B. mänderförmig in Fig. 3a, ent­ sprechend Fig. 2) geordneter Polypeptidketten durch Co-Kristallisation der hydrophobe Ketten tragenden Polypeptide mit Lipiden (D = Donator, L = Luft, H = Halbleiter, PL = Phospholipid, POL = Polypeptidkette). FIGS. 3a, 3b, 3c show the structure of (z. B. mänderförmig in Fig. 3a, accordingly Fig. 2) minor polypeptide chains by co-crystallization of the hydrophobic chains bearing polypeptides with lipids (D = donor, L = air, H = semiconductor, PL = phospholipid, POL = polypeptide chain).

Die Übertragung des monomolekularen Lipd/Polypeptid-Films (Fig. 3c) auf die Halbleiteroberfläche kann beispielsweise wie üblich mit der Filmwaagentech­ nik, d. h. durch Transfern des Wafers durch den monomolekularen Film an der Luft/Wassergrenzfläche erfolgen. In Fig. 3c sind die Donatoren D durch Käst­ chen mit Kreuzen gekennzeichnet.The transfer of the monomolecular lipd / polypeptide film ( FIG. 3c) to the semiconductor surface can be carried out, for example, as usual with film balance technology, ie by transferring the wafer through the monomolecular film at the air / water interface. In Fig. 3c, the donors D are marked by boxes with crosses.

Alle Strukturierungs- und Dotierungsprozesse nach der hier nur in den Haupt­ gedanken geschilderten neuen Verfahrensweise sind natürlich, wie dem Fach­ mann leicht klar wird, kombinierbarer mit Schritten wie sie in der Halbleiter­ technik üblich sind, zumal alle Substrat- und Dotiermaterialien sowie Mate­ rialien zur Herstellung von Leiterbahnen, Passivierungsschichten, Epitaxie­ schichten usw. weiterhin mit Vorteil nutzbar bleiben sowohl bei der Benut­ zung von Elementhalbleitern als auch von Verbindungshalbleitern, und natür­ lich kann das Verfahren sinngemäß auch bei amorphen Stoffen, wie z. B. Glas, zur Strukturierung verwendet werden.All structuring and doping processes according to the here only in the main The new procedure outlined is, of course, like the subject it is easy to understand, can be combined with steps like those in semiconductors technology are common, especially since all substrate and doping materials and mate rialien for the production of conductor tracks, passivation layers, epitaxy layers etc. can still be used with advantage both for the user element semiconductors as well as compound semiconductors, and of course Lich, the method can also be used for amorphous substances such. B. glass, can be used for structuring.

Wenn wir von Halbleiteroberfläche sprechen, sind also auch amorphe Halblei­ ter, wie Gläser, mit einbezogen. Auch einfache Zwischenprozesse, im allge­ meinen Strukturierungsprozesse der Halbleitertechnik oder Feinwerktechnik, lassen sich durch die Erfindung vorteilhaft gestalten, wie z. B. das Anbrin­ gen von strukturierten Ätzstoppschichten, die bei weiteren Prozeßschritten benötigt werden.When we speak of semiconductor surfaces, they are also amorphous semi-lead ter, like glasses included. Even simple intermediate processes, in general my structuring processes of semiconductor technology or precision engineering, can be advantageously designed by the invention, such as. B. the Anbrin of structured etch stop layers that are used in further process steps are needed.

Zur Herstellung des Polypeptides können auch die aus der Gentechnologie bekannten Verfahren benutzt werden.Genetic engineering can also be used to produce the polypeptide known methods can be used.

Claims (5)

1. Verfahren zur strukturierten Einbringung von die Leitfähigkeit bestimmenden Dotierstoffen in Halbleiteroberflächen gekennzeichnet dadurch, daß an Polypeptidketten künstlich gebundene Dopanden und/oder als konstitutionelle Qualität einzelner Peptide vorhandenen Dotierungsatome (wie des Schwefels im Cystein) dadurch in die halbleiteroberflächennahen Bereiche eines Halbleiterkristalls, vorzugsweise eines Wafers, eingebracht werden, daß nach einem an sich bekannten flächenhaften, monomolekularen Anbringen des die Dopanden tragenden Polypeptid-Moleküls auf die Oberfläche des Halbleiter­ kristalls bei geeigneter Vernetzung derselben beispielsweise zu einer mäander­ förmigen, flächenhaften Faltung die Dotieratome durch Bestrahlung mit Hilfe von Hochfrequenz-, Licht-, Röntgen- oder anderer Wellenstrahlung und/oder Teilchenstrahlung auch wohldefinierter Frequenz beziehungsweise Energie aus der hochmolekularen Polypeptid-Verbindung soweit, auch zeitlich voneinander, befreit werden, daß sie in eine durch die gleiche oder eine zusätzliche Strahlung aufgeheizte Oberfläche des Halbleiterkristalls eindiffundieren.1. A method for the structured introduction of dopants determining the conductivity in semiconductor surfaces, characterized in that dopants artificially bound to polypeptide chains and / or doping atoms present as constitutional quality of individual peptides (such as the sulfur in the cysteine) thereby in the regions of a semiconductor crystal, preferably a wafer, near the semiconductor surface , introduced that after a known areal, monomolecular attachment of the polypeptide molecule carrying the dopandes to the surface of the semiconductor crystal, with suitable crosslinking of the latter, for example to form a meandering, areal fold, the doping atoms by irradiation with the aid of high-frequency light -, X-ray or other wave radiation and / or particle radiation also well-defined frequency or energy from the high-molecular polypeptide compound as far, also temporally, from each other, that they are in e diffuse in through the same or an additional radiation heated surface of the semiconductor crystal. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die die Dopanden tragenden Polypeptid-Moleküle auf einem flächenhaften Zwischenträger, beispielsweise einer Lipidmonoschicht in an sich bekannter Weise aufgebracht werden und erst diese vereinigte Struktur aus Polypeptid und Lipid auf die Oberfläche eines Halbleiters zu Dotierzwecken aufgebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the polypeptide molecules carrying the dopands on a flat intermediate carrier, for example a lipid monolayer are applied in a manner known per se and only this combined structure of polypeptide and lipid on the surface of a semiconductor for doping purposes is applied. 3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß es gleichzeitig oder innerhalb von Folgeschritten kombiniert wird mit den bei der Strukturierung und Weiterbearbeitung üblichen Prozeßschritten der Halbleitertechnologie, insbesondere zur Herstellung elektronischer Bauelemente einschließlich der Verdrahtungs-, Passivierungs- und Verpackungstechnik.3. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that it is simultaneous or within subsequent steps is combined with the usual structuring and further processing Process steps in semiconductor technology, especially for manufacturing electronic components including wiring, passivation and Packaging technology. 4. Verfahren zur Herstellung eines Polypeptids zum Zwecke der Nutzung in einem Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und/oder 3, gekennzeichnet durch die Benutzung bekannter gentechnischer Verfahren.4. A method of making a polypeptide for use in an Method according to claims 1, 2 and / or 3, characterized by the Use of known genetic engineering methods. 5. Verfahren zur Beeinflussung der Leitfähigkeit von Halbleiteroberflächen und einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Benutzung bei der Herstellung elektronischer Bauelemente.5. Methods for influencing the conductivity of semiconductor surfaces and one or more of the preceding claims characterized by the Use in the manufacture of electronic components.
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