DE1133039B

DE1133039B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen und mehrere Zonen abwechselnden Leitfaehigkeitstyp enthaltenden Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE1133039B
Application number: DES68499A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Hans-Jochen Benda
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-05-10
Filing date: 1960-05-13
Publication date: 1962-07-12
Also published as: CH382858A; FR1289110A; US3164500A; GB901239A; DE1133038B; GB902559A; CH381329A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 68499 Vfflc/21g

ANMELDETAG: 13. MAI 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 12. JULI 1962

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes. Bei solchen Verfahren ist es bekannt, daß in eine Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers des einen Leitfähigkeitstyps ein den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp bewirkender Stoff eingebracht wird, wodurch diese umdotiert wird, und daß anschließend die umdotierte Schicht durch Ätzen eines Grabens in mehrere voneinander getrennte Zonen geteilt wird. Durch nochmalige Umdotierung eines Teils einer so entstandenen Zone kann beispielsweise eine Vierschichtanordnung hergestellt werden.

Bei den nach diesem Verfahren hergestellten Anordnungen hat es sich als nachteilig erwiesen, daß der eingeätzte Graben eine erhebliche Tiefe aufweist und somit die mechanische Festigkeit der Anordnung geschwächt ist. Außerdem läßt sich eine Behandlung eines solchen Grabens durch Ätzen u.dgl. schwer durchführen und kontrollieren. Die Erfindung sucht diese Nachteile zu vermeiden und ein neues verbessertes Verfahren zu entwickeln.

Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und mehreren Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps. Es ist erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß zunächst auf einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps eine Oberflächenschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in bekannter Weise erzeugt wird, daß die Oberflächenschicht durch Ätzung von Gräben in mehrere getrennte Bereiche aufgeteilt wird, daß anschließend durch einen Erwärmungsvorgang eine Diffusion des in den Bereichen der Oberflächenschicht enthaltenen Dotierungsmaterials in das Innere des Halbleiterkörpers vom einen Leitfähigkeitstyp und damit eine Verdickung, aber keine Verbindung der Bereiche der Oberflächenschicht bewirkt wird und daß Kontaktelektroden nur auf den getrennten Bereichen der Oberflächenschicht, aber nicht auf dem freigeätzten Bereich des Halbleiterkörpers angebracht werden. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird also eine wesentlich flachere Ausbildung des Ätzgrabens ermöglicht, da die benötigte Stärke der Oberflächenzonen erst nach dem Grabenätzen durch den Diffusionsvorgang erzeugt wird.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, bei denen Oberflächenschichten eines Halbleiterkörpers von einem Leitfähigkeitstyp durch Eindiffusion oder Ausdiffusion von Störstellen umdotiert werden und bei denen anschließend eine Aufteilung der so entstan-Verfahren zum Herstellen

eines Halbleiterbauelementes mit einem

im wesentlichen einkristallinen und mehrere

Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyp

enthaltenden Halbleiterkörper

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

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

Dipl.-Phys. Hans-Jochen Benda, Erlangen, ist als Erfinder genannt worden

• denen Oberflächenschicht in einzelne Bereiche vermittels Ätzung eines Grabens vorgenommen wird. Die Eindiffusion von Störstellen in die Oberflächenschicht kann z. B. aus der Gasphase erfolgen bzw. auch aus einer aufgebrachten Glasur.

Weiter ist das Prinzip der sogenannten Doppeldiffusion oder Überholdiffusion bekanntgeworden, bei dem sowohl Donatoren als auch Akzeptoren gleichzeitig durch Diffusion in einen Halbleiterkörper eingebracht werden, wodurch bei dieser Diffusionsart gleichzeitig zwei verschiedene Oberflächenzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps entstehen.

Es ist auch ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem in einen Halbleiterkörper einheitlichen Leitfähigkeitstyps Dotierungsmaterial in eine Oberflächenschicht eindiffundiert wird, worauf ein Teil dieser Oberflächenschicht entfernt wird, damit auf dem darunterliegenden Halbleitermaterial eine ohmsche Elektrode angebracht werden kann.

Es wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen vorgeschlagen, bei dem in einen platten- oder streifenförmigen Halbleiterkörper von einem Leitfähigkeitstyp den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp erzeugendes Störstellenmaterial in die Oberfläche bis zu einer gegenüber der endgültigen Diffusionstiefe geringen Tiefe eindiffundiert wird, bei dem dann die aufgebrachte und eindiffundierte Schicht wenigstens von einem Teil der Oberfläche entfernt wird, bei dem darauf das bereits eindiffundierte Stör-

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Stellenmaterial bis zur endgültigen Tiefe weiter ein- Es sei angenommen, daß die Halbleiterscheibe eine

diffundiert wird und bei dem auf dem freigelegten Teil Stärke von etwa 250 μ besitze. Nach dem Eindiffun-

des Halbleiterkörpers und auf der eindiffundierten dieren des Aluminiums ist eine Oberflächenschicht

Schicht ohmsche Elektroden angebracht werden. von etwa 10 μ Dicke mit Aluminium dotiert, und Durch dieses Verfahren wird die Möglichkeit ge- 5 nach dem Ätzen ist ein Graben von etwa 15 μ Tiefe

schaffen, an inneren Halbleiterschichten, die nach dem und 0,5 bis lmm Breite in das Element geätzt, der

endgültigen Herstellungsverfahren sehr dünn sind, die Oberflächenschicht in zwei Zonen teilt. Fig. 3

ohmsche Elektroden anzubringen. zeigt das Ergebnis: Der Graben 13 trennt die zwei

In den Zeichnungen ist ein Aüsführungsbeispiel der Zonen 14 und 15 voneinander, die auf dem unver-Erfindung dargestellt, aus dem weitere Einzelheiten io änderten Kern 11 aufliegen,

des Verfahrens hervorgehen. Danach wird in einem weiteren Arbeitsgang durch

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines nach dem be- Erwärmung des gesamten Elementes für eine weitere

kannten Verfahren hergestellten Elementes, während Diffusion des in den beiden Zonen 14 und 15 ent-

Fig. 2 bis 5 verschiedene Verfahrensschritte des haltenen Dotierungsmaterials, im Beispiel also des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellen. 15 Aluminiums, in das Innere gesorgt. Diese Erwärmung

Das bekannte Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Stärke

kann in folgender Weise hergestellt werden: und Dotierungskonzentration der Zonen 14 und 15

In eine Halbleiterscheibe des einen Leitfähigkeits- erreicht ist. Im bisher beschriebenen Beispiel wird typs wird ein den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp also eine Erwärmung des Elementes im Vakuum auf bewirkender Stoff durch einen Erwärmungsvorgang ao etwa 122O⁰C etwa 24 Stunden lang vorgenommen, eindiffundiert. Nach einer gewissen Zeit ist die be- Danach ergibt sich das Bild der Fig. 4. Die Zonen 14 nötigte Eindringtiefe erreicht, und der Diffusionsvor- und 15 haben eine Stärke von etwa 80 μ. Bei gegang wird abgebrochen, worauf die durch Eindiffu- nügender Breite des Grabens 13 tritt keine Verbinsion von Fremdatomen umdotierte Oberflächenschicht dung der Zonen 14 und 15 ein. Die wenigen in die durch Einätzung eines kreisringförmigen Grabens in 25 Oberfläche des Grabens 13 neu eindiffundierten Aluzwei Zonen aufgeteilt wird. Im Ergebnis ruhen auf miniumatome werden bei den schon aus anderen dem unverändert gebliebenen Kern 2 der Halbleiter- Gründen notwendigen und durchgeführten nachscheibe zwei durch einen Graben 3 getrennte Zonen 4 folgenden Ätzvorgängen beseitigt, und 5. Wie man aus der Zeichnung klar erkennen Die zweite Diffusion kann auch bei niedrigeren kann, hat der Ätzgraben 3 eine unerwünschte mecha- 30 Temperaturen z.B. HOO⁰C, und in dementsprechend nische Schwächung des Halbleiterelementes zur Folge, längeren Zeiten durchgeführt werden, da der Graben fast bis zur Hälfte der Scheibendicke Fig. 5 zeigt eine Vierschichtanordnung, wie sie in die Seheibe hineinreichen muß. z. B. aus dem Element gemäß Fig. 4 hergestellt wer-

Fig. 2 zeigt eine Halbleiterscheibe, beispielsweise den kann. Die Zone 15 ist großflächig durch eine aus hochohmigem mit einem spezifischen Widerstand 35 metallische Elektrode 16 kontaktiert, die z. B. durch von 100 Ohm ■ cm und η-leitendem Silicium, in deren Ablegieren einer Gold-Bor-Folie, z. B. mit 0,03 %> B, Oberfläche ein den entgegengesetzten Leitfähigkeits- erzeugt werden kann. Die Zone 14 ist durch eine typ bewirkender Stoff, beispielsweise Aluminium, ein- kreisringförmige Elektrode 17 kontaktiert, die in der diffundiert wurde. Dies kann beispielsweise so durch- gleichen Weise hergestellt werden kann. Durch Eingeführt werden, daß die Halbleiterscheibe, zweck- 40 legieren einer kleineren Kreisscheibe aus einer Goldmäßigerweise mit einer Reihe weiterer Halbleiter- Antimon-Folie, z.B. mit 0,5%Sb, wird ein Teil der scheiben zusammen, und eine Aluminiumprobe in ein p-leitenden Zone 14 zur η-Leitung umdotiert und evakuiertes Quarzgefäß eingeschmolzen werden und bildet die Zone 18, die durch die Elektrode 19 konin diesem Gefäß aufgeheizt und kurzzeitig, beispiels- taktiert ist.

weise 30 Minuten lang, auf einer Temperatur von 45 Zweckmäßigerweise werden alle Legierungen in 1220 bis 1240° C gehalten werden. Eine dünne Ober- einem einzigen Erwärmungsvorgang durchgeführt, flächenschicht 12 der Halbleiterscheibe ist nach dieser Die Folien können z. B. eine Stärke von 30 μ aufBehandlung stark mit Aluminium dotiert, während weisen, und die Legierung kann bei etwa 700⁰C der Kern 11 unverändert η-leitend gebneben ist. durchgeführt werden, jedenfalls oberhalb der eutek-Anschließend wird die Halbleiterscheibe beispiels- 50 tischen Temperatur von Gold und Silizium, die etwa weise mit Pizein überzogen und an der Stelle, an der 370° C beträgt.

sich später der Ätzgraben befinden soll, die Pizein- Selbstverständlich kann die Erfindung auch in anschicht entfernt. Auf diese Weise läßt sich leicht jede derer Weise als in dem dargestellten und beschriebeliebige Linienführung des Grabens erzielen, die ge- benen Beispiel ausgeführt werden. So kann z. B. von wünscht wird. Im vorliegenden Falle sei angenommen, 55 p-leitendem Halbleitermaterial ausgegangen und eine daß eine Kreislinie freigelegt wurde. Wird nun die η-Dotierung vorgenommen werden, beispielsweise mit Halbleiterscheibe in eine Ätzlösung gelegt, so wird Hilfe von Phosphor. An Stelle von Silizium kann auch nur der vom Pizein nicht bedeckte Teil des Halb- Germanium verwendet werden. Das Verfahren gemäß leiters angegriffen und in dieser Weise als der er- der Erfindung kann auch für die Herstellung anderer wünschte Graben geätzt. Für Silizium hat sich eine 60 Halbleiteranordnungen als Vierschichtanordnungen Ätzlösung bewährt, die aus 1 Teil rauchender SaI- verwendet werden, z. B. für Transistoren, Fotopetersäure, 2 Teilen destillierter Flußsäure und 1 Teil elemente u. dgl.

Eisessig besteht. Das mit Ausnahme des zu ätzenden Eine wesentliche Abänderung des beispielsweise Bereichs mit Pizein überzogene Element wird in die beschriebenen Verfahrens kann darin bestehen, daß Ätzlösung getaucht und etwa 0,5 Minuten darin be- 65 die erste, verhältnismäßig starke Dotierung nach lassen. Anschließend wird das Element mit Wasser einem Legierungsverfahren durchgeführt wird. Es abgespült und von dem Pizeinüberzug befreit, z. B. kann also z. B. auf eine Flachseite einer Halbleiterin Toluol. scheibe eine Bor enthaltende Goldfolie aufgelegt und

durch einen Erwärmungsvorgang einlegiert werden. Anschließend wird mit Hufe von Köngswasser das an der Oberfläche entstandene Gold-Halbleiter-Eutektikum abgelöst, worauf die Rekristallisationsschicht freiliegt, die in das rekristallisierte Halbleitermaterial 5 eingebettete Bor-Atome enthält. Diese Rekristallisationsschicht kann dann durch eine Grabenätzung geteilt werden, gegebenenfalls auch in mehr als zwei Teile, worauf durch eine erneute Erwärmung für eine Diffusion des Bors in das Innere des Halbleitermaterials gesorgt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und mehreren Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps eine Oberflächenschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in bekannter Weise erzeugt wird, daß die Oberflächenschicht durch Ätzung von Gräben in mehrere getrennte Bereiche aufgeteilt wird, daß anschließend durch einen Erwärmungsvorgang eine Diffusion des in den Bereichen der Oberflächenschicht enthaltenen Dotierungsmaterials in das Innere des Halbleiterkörpers vom einen Leitfähigkeitstyp und damit eine Verdickung, aber keine Verbindung der Bereiche der Oberflächenschicht bewirkt wird und daß Kontaktelektroden nur auf den getrennten Bereichen der Oberflächenschicht, aber nicht auf dem freigeätzten Bereich des Halbleiterkörpers angebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung der Oberflächenschicht auf dem Halbleiterkörper dieser in Gegenwart von Dotierungsmaterial kurzzeitig stark erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus hochohmigem η-leitendem Silizium in Gegenwart von Aluminium etwa 30 Minuten lang auf einer Temperatur von 1240° C gehalten wird, und daß bei dem Erwärmungsvorgang nach dem Ätzen von Gräben der Halbleiterkörper etwa 24 Stunden lang auf einer Temperatur von 1220° C gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus hochohmigem p-leitendem Silizium in Gegenwart von Phosphor mit 10~²Torr Dampfdruck etwa 150 Minuten lang auf einer Temperatur von 1240° C gehalten wird, und daß bei dem Erwärmungsvorgang nach dem Ätzen von Gräben der Halbleiterkörper etwa 5 Tage lang auf einer Temperatur von 1220° C gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Oberflächenschicht auf dem Halbleiterkörper auf seine Oberfläche ein Körper aus einem Dotierungsmaterial enthaltenden Stoff gelegt, durch einen Erwärmungsvorgang einlegiert und danach bis auf die Rekristallisationsschicht wieder abgelöst wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1024 640,
1046785;

französische Patentschriften Nr. 1206 897,
751;

USA.-Patentschrift Nr. 2 814 853;

Proc. IRE, Juni 1958, S. 1068 bis 1076.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen