DE1156176B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einen Traegerkristall - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 74268 Vmc/21g

49-i

ANMELDETAG: 9. JUNI 1961

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER

Auslegeschrift: 24. OKTOBER 1963

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die aus einem einkristallinen Grundkörper und mehreren Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration bestehen, durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mehrere scheibenförmige Trägerkristalle in die Schlitze eines stabförmigen Haltekörpers so eingebracht werden, daß der Haltekörper die Trägerkristalle vollständig überdeckt und daß dann der Haltekörper in einem strömenden Gemisch einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und eines gasförmigen Reaktionsmittels durch Stromwärme erhitzt wird. Der Haltekörper kann z. B. durch direkten Stromdurchgang erhitzt werden oder auch durch Induktionsheizung.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial auf erhitzten Trägerkristallen beispielsweise aus den deutschen Patentschriften 865160 und 1061593 bekanntgeworden. Durch die Erfindung werden diese Verfahren weiter verbessert.

Vorzugsweise werden Halbleiterschichten aus demselben Halbleitermaterial wie der Trägerkristall auf diesem abgeschieden, z. B. Germanium auf Germanium. Es ist aber auch bekannt, für den Trägerkristall anderes Halbleitermaterial zu verwenden als das, welches durch Abscheidung aus der Gasphase niedergeschlagen wird. Scheidet man beispielsweise auf einem Siliziumträger Germanium ab, so ist auf den Germaniumschichten eine Kontaktierung schon bei tieferen Temperaturen und gegebenenfalls auch mit anderen Stoffen möglich.

Die Bedingung für eine derartige Abscheidung von unterschiedlichem Halbleitermaterial ist, daß die Reaktionstemperaturen für die Abscheidung und Niederschlagung des Uberzugsmaterials niedriger sind als die Schmelztemperaturen des Trägermaterials und des Haltekörpers. Hinzu kommt noch, daß die Gitterkonstanten des Trägerkristalls und des abzuscheidenden Halbleitermaterials nur um etwa 5% differieren dürfen. Es können demzufolge beispielsweise Germanium auf Silizium abgeschieden werden sowie GaI-lium-Arsenid auf Germanium, Aluminium-Arsenid sowohl auf Germanium als auch auf Silizium, GaI-lium-Arsenid auf Aluminium-Arsenid und umgekehrt, Aluminium-Phosphid auf Silizium, Gallium-Phosphid auf Silizium und Indium-Phosphid auf Germanium.

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung

von Halbleitermaterial aus der Gasphase

auf einen Trägerkristall

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens^Str. 50

Dr. phil. nat. Konrad Reuschel, Pretzfeld,

und Otto Schmidt, Erlangen, sind als Erfinder genannt worden

Die Übergänge von einem Material auf das andere können auch über Mischkristalle erfolgen. Man kann also beispielsweise, wenn man Germanium auf einem Siliziumeinkristall niederschlagen will, zunächst mit einer Abscheidung von Silizium, z. B. aus entsprechenden Siliziumverbindungen, wie Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) oder Silikochloroform (SiHCl₃), beginnen. Durch allmähliches Beimischen der entsprechenden Germaniumverbindungen zu dem Gasstrom, der in die Reaktionskammer geleitet wird, sowie eine entsprechende Verminderung der Siliziumverbindung kann man schließlich zum reinen Germanium übergehen. Die Abscheidung von Halbleitermaterial kann zweckmäßig aus den entsprechenden Verbindungen dieser Stoffe, z. B. ihren Halogeniden, durch chemische Reaktion, beispielsweise Reduktion mit Wasserstoff, erfolgen. Im allgemeinen wird mit einem hohen Wasserstoffüberschuß gearbeitet; der Wasserstoff dient also in diesem Falle zusätzlich als Trägergas.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele dargestellt, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen. In

Fig. 1 ist ein Reaktionsgefäß mit einer entsprechenden Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen dargestellt;

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus Fig. 1 und

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Fig. 3 einen Schnitt durch den Haltekörper gemäß bleibende Material hat z. B. eine Dicke von 0,2 mm.

Fig. 2; Es können aber auch größere Schlitzbreiten und grö-

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer er- ßere Dicken des stehenbleibenden Materials vorge-

findungsgemäßen Vorrichtung. sehen werden, z. B. Schlitze von mehreren Miili-

Der Reaktionsraum in Fig. 1 besteht im wesent- 5 meiern Breite und Materialdicken bis zu etwa

liehen aus einem Bodenteil 2 und einem glockenför- 1 mm.

migen Teil 3, welches auf das Bodenteil aufgesetzt ist. Selbstverständlich erfolgt auch auf dem Haltekör-

Die Glocke 3 kann beispielsweise aus Quarz be- per selber ein Abscheiden von Halbleitermaterial,

stehen. Das Bodenteil 2 ist zweckmäßigerweise durch wodurch ein Zusammenwachsen der eingelegten

ein strömendes Kühlmittel gekühlt, was durch Pfeile io Halbleiterscheiben mit dem Halbleiterkörper an we-

an den Anschlußstutzen 4 und 5 symbolisiert wird. nigen Berührungspunkten möglich ist. Die Halbleiter-

Ein Rohr 6 dient zur Zuführung des Reaktionsgas- scheiben lassen sich aber aus den Schlitzen heraus-

gemisches; die in den Reakionsraum ragende Öffnung nehmen und können auf der Seite, mit der sie auf den

ist düsenförmig gestaltet. Ein zweites Rohr 7 mit grö- Haltekörper aufgelegt waren, nachbehandelt werden,

ßerem Durchmesser dient zur Abführung der Abgase 15 z. B. durch chemisches Ätzen. Beispielsweise können

des Verfahrens. Das Zuführungsrohr 6 ist auf einer auf Halbleiterscheiben des einen Leitfähigkeitstyps,

kurzen Strecke innerhalb des Rohres 7 geführt, wo- z. B. n, von etwa 200 μ Stärke Halbleiterschichten

durch die Reaktioansgase vorgewärmt werden. Durch vom p-Typ von etwa 10 bis 20 μ Stärke abgeschie-

das Bodenteil 2 ragen zwei Stromzuführangen 8 den werden. Auf der Oberseite der Scheiben 14 findet

und 9, von denen die eine geerdet und mit dem Bo- 20 eine ungestörte Abscheidung des Halbleitermaterials

den galvanisch verbunden sein kann, während die an- statt. Die Unterseite, auf der ebenfalls Halbleiter-

dere isoliert durch das Bodenteil hindurchgeführt ist. material niedergeschlagen wurde, kann durch Nach-

Innerhalb des Reaktionsraumes sind zwei stabförmige behandlung, beispielsweise durch Sandstrahlen, Läp-

Haltekörper 10 und 11 mit den Stromzuführungen 8 pen oder Ätzen, in ihren vorherigen Zustand gebracht

und 9 galvanisch verbunden. Eine Strombrücke 12 25 werden.

dient zur Verbindung der beiden Haltekörper 10 und In Fig. 4 ist eine andere Form einer erfindüngs-

11. Eine Stromquelle 13 ist außerhalb des Reaktions- gemäßen Vorrichtung dargestellt. Ein Halbleiterstab

raumes mit den beiden Stromzuführungen 8 und 9 20 ist von einer Seite her mit Schlitzen versehen, in

verbunden. Diese Stromquelle ist zweckmäßigerweise welchen Halbleiterscheiben 21 gelagert sind. Dieser

regelbar gestaltet. 30 Haltekörper ist innerhalb eines beispielsweise aus

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus Fig. 1 vergrößert Quarz bestehenden, verhältnismäßig engen Rohres

dargestellt, und zwar die Stoßstelle zwischen dem 22 untergebracht, durch welches das Gasgemisch hin-

Haltekörper 10 und der Strombrücke 12. Beide Teile durchgeführt wird. Die Erwärmung dieses Körpers

bestehen zweckmäßig ebenfalls aus Halbleitermate- wird nicht durch direkten Stromdurchgang, sondern

rial, beispielsweise aus Silizium. Der Haltekörper 10 35 induktiv bewirkt; eine Induktionsheizspule 23, die an

kann beispielsweise aus einem durch tiegelfreies einen Hochfrequenzgenerator mit z. B. 3 bis 5 MHz

Zonenschmelzen hergestellten zylindrischen Stab her- angeschlossen ist, umgibt das Quarzrohr 22. Der

gestellt werden. Er ist mit Schlitzen versehen, welche Haltekörper 20 und die Induktionsheizspule 23 kön-

abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten in den nen in Längsrichtung gegeneinander verschoben

Stab hineingeführt sind. Hierdurch ergibt sich der 40 werden.

mäanderförmige Aufbau gemäß Fig. 2. In diesen Bei der Durchführung des Verfahrens wird eine

Schlitzen werden die Halbleiterscheiben 14 gelagert, Glühzone ähnlich wie die Schmelzzone beim tiegel-

auf denen das Halbleitermaterial niedergeschlagen freien Zonenschmelzen durch den Haltekörper 20

werden soll. hindurchgeführt. Die Abscheidung von Halbleiter-

Der Querschnitt des Haltekörpers kann beispiels- 45 material findet hauptsächlich an der Stelle statt, an weise rund sein, also dem natürlichen Querschnitt der sich diese Glühzone befindet. Ob man diese eines zonengeschmolzenen Halbleiterstabes ent- Glühzone mit derart langsamer Geschwindigkeit sprechen, er kann aber auch rechteckig, quadratisch durch den Haltekörper 20 hindurchführt, daß eine oder in sonst einer Weise gestaltet sein. In Fig. 3 ist genügend dicke Schicht von abgeschiedenem Halbein zweckmäßiger Querschnitt dargestellt, der z. B. in 50 leitermaterial auf den Scheiben 21 gleichzeitig beim der Weise hergestellt werden kann, daß von einem ersten Durchgang der Glühzone niedergeschlagen runden Halbleiterstab an gegenüberliegenden Seiten wird, wie sie für die Herstellung der gewünschten durch Schnitte parallel zur Stabachse Teile entfernt Halbleiteranordnung nötig ist, oder ob man die Glühwerden, zone mehrfach durch den Haltekörper hindurchführt

Bei Stromdurchgang durch diesen Haltekörper 55 und hierdurch eine mehrfache Abscheidung von wird der mittlere, im wesentlichen quadratische Teil Halbleiterschichten bewirkt, hängt von verschiedenen des Haltekörpers am stärksten erwärmt, weil hier der Faktoren ab, unter anderem von dem Aufbau der gegeringste Querschnitt vorliegt. Infolge der Abplattung wünschten Halbleiteranordnung und von den verwendes Stabes auf beiden Seiten ist hier auch der Quer- deten Materialien.

schnitt und damit die Stromdichte vollkommen 60 Die mit Schlitzen versehenen Haltekörper 10, 11 gleichmäßig, so daß die Halbleiterscheiben 14 gleich- bzw. 20 können aus verschiedenen Materialien hergemäßig erwärmt werden. stellt sein, z. B. aus Graphit, Tantal oder Halbleiter-Derartige Schlitze eines Halbleiterstabes können stoffen des AIII-BV-Typs oder der IV. Gruppe des beispielsweise mit Hilfe von Diamantsägen hergestellt Periodischen Systems. Zwecks Vermeidung von Verwerden. Es entstehen z. B. Schlitze von etwa 0,5 mm 65 unreinigungen besteht sie vorteilhaft aus den zuletzt Breite. Halbleiterscheiben von beispielsweise 0,2 mm genannten Materialien, insbesondere aus Silizium. In Dicke können also leicht in diese Schlitze eingescho- diesem Falle muß eine Vorheizung vorgenommen ben werden. Das zwischen den Schlitzen stehen- werden, damit eine Stromaufnahme des hochreinen

Halbleitermaterials möglich ist. Man kann beispielsweise mit Hilfe von Strahlungsquellen, z. B. Bogenlampen, eine derartige Vorheizung vornehmen. Im Falle der Verwendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 4 kann es zweckmäßig sein, an einer Stelle des Haltekörpers 20, z. B. am oberen bzw. unteren Ende der Schlitzreihe, eine Scheibe aus einem Material einzulegen, welches sofort den Strom aufnehmen kann. Man kann beispielsweise an dieser Stelle einen verbreiterten Schlitz vorsehen und in diesen eine Graphitscheibe oder eine Molybdän- oder Wolframscheibe einlegen, wie sie in der Halbleitertechnik als Trägerplatte für Halbleiteranordnungen verwendet wird. Von dieser Stelle ausgehend kann dann die Glühzone leicht durch den gesamten Haltekörper geführt werden.

Der Haltekörper 20 gemäß Fig. 4 kann auch mit schrägen Schlitzen versehen werden, bzw. der gesamte Körper kann schräggestellt werden, wodurch ein Herausfallen der Halbleiterscheiben zu Beginn des Verf ahrens sicher vermieden wird. Schräge Schlitze haben weiter den Vorteil, daß größere Halbleiterscheiben eingelegt werden können.

Selbstverständlich können nicht nur Gleichrichter, sondern auch beliebige andere Halbleiteranordnungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise npn- bzw. pnp-Transistoren oder Vierschicht-Anordnungen. Die Abscheidung von Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps kann nacheinander durch Beimischung entsprechender Dotierungsstoffe zu dem Reaktionsgasgemisch erfolgen. So kann man beispielsweise Borchlorid (BQ₃) und Phosphortrichlorid (PQ₃) zur Herstellung von p- bzw. η-Schichten dem Reaktionsgemisch zugeben.

Im allgemeinen wird man diese Abscheidung lediglieh auf der Oberseite der Halbleiterscheibe durchführen und anschließend die auf der Unterseite abgeschiedenen Schichten, die durch das teilweise Anwachsen an den Haltekörper gestört sind, wieder entfernen. Für bestimmte einfache Anordnungen, beispielsweise symmetrische pnp-bzw. npn-Transistoren, kann es aber vorteilhaft sein, beide Seiten zur Abscheidung des Halbleitermaterials zu verwenden. Die Abscheidung wird auf beiden Seiten der Halbleiterscheibe im wesentlichen in gleicher Stärke stattfinden, so daß ζ. B. auf einem Scheibchen von p-Silizium sich nach der Abscheidung von η-leitendem Material auf beiden Seiten gleich starke η-Schichten finden. Durch Aufteilung dieser npn-Scheibe, z. B. durch Zersägen oder durch Anritzen und Zerbrechen, kann eine Aufteilung in mehrere kleinere Transistoren vorgenommen werden. Die Fehlstellen lassen sich nach der Aufteilung leicht aussortieren.

Zur Vermeidung von Strukturstörungen beim Aufwachsen kann es vorteilhaft sein, jeweils zu Beginn eines Abscheidungsprozesses das Molverhältnis der Reaktionsgase oder/und die Reaktionstemperatur kurzzeitig so zu ändern, daß zunächst etwas Halbleitermaterial abgetragen wird, und so eine ungestörte Oberflächenbeschaffenheit sicherzustellen, welche anschließend ein einkristallines Aufwachsen der abgeschiedenen Schichten ermöglicht. Gegebenenfalls kann während des Abscheidungsvorganges die Konzentration der zugesetzten gasförmigen Verbindung eines Dotierungsstoffes verändert und somit eine kontinuierliche Veränderung der Dotierungskonzentration des abgeschiedenen Halbleitermaterials erreicht werden.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die aus einem einkristallinen Grundkörper mit mehreren Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration bestehen, durch einkristallines Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere scheibenförmige Trägerkristalle in die Schütze eines stabförmigen Haltekörpers so eingebracht werden, daß der Haltekörper die Trägerkristalle vollständig überdeckt, und daß dann der Haltekörper in einem strömenden Gemisch einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und eines gasförmigen Reaktionsmittels durch Stromwärme erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper durch induzierte Ströme erhitzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper aus einem Halbleitermaterial der IV. Gruppe des Periodischen Systems, insbesondere aus Silizium besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper mit im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Stabes verlaufenden Schlitzen versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in dem stabförmigen Körper derart angebracht sind, daß dieser einen mäanderförmigen Aufbau aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 865 160;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 057 845;
USA.-Patentschrift Nr. 2 759 855;
Zeitschrift »electronics«,

8. Juli 1960, S. 66 und 68.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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