DE1138481B

DE1138481B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase

Info

Publication number: DE1138481B
Application number: DES74267A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Konrad Reuschel; Dr Hans Merkel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-06-09
Filing date: 1961-06-09
Publication date: 1962-10-25
Also published as: BE618732A; DE1138481C2; US3152933A; GB987895A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S74267Vmc/21g

ANMELDETAG: 9. JUNI 1961

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 25. OKTOBER 1962

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die aus einem einkristallinen Grundkörper mit mehreren Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration bestehen, durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur. Es ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper durch parallele, nicht ganz durch den Halbleiterkörper hindurchgeführte Schnitte in Scheiben zerschnitten wird, so daß die Scheiben an einer Stelle miteinander in Zusammenhang bleiben und anschließend dieser Halbleiterkörper in einem strömenden Gemisch einer gasförmigen Verbindung des Halb-Ieitermaterials und eines gasförmigen Reaktionsmittels erhitzt wird, und daß dann die Scheiben vollständig voneinander getrennt werden. Beispielsweise kann ein stabförmiger Halbleiterkörper durch Schnitte senkrecht zur Stabachse in Scheiben aufgeteilt werden und nach der Abscheidung durch Schnitte parallel zur Stabachse die vollständige Abtrennung dieser Scheiben vorgenommen werden.

Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial auf erhitzten Trägerkristallen bekanntgeworden. Derartige Halbleiteranordnungen werden beispielsweise in der Mikrostromkreistechnik (microcircuitry) verwendet. Derartige Verfahren zur Abscheidung von Halbleitermaterial sind beispielsweise aus den deutschen Patentschriften 865 160 und 1061593 bekannt. Durch das Verfahren nach der Erfindung werden diese Verfahren weiter verbessert.

Vorzugsweise werden Halbleiterschichten aus demselben Halbleitermaterial wie der Trägerkristall auf diesem abgeschieden, z. B. Germanium auf Germanium. Es kann aber auch für den Trägerkristall anderes Halbleitermaterial verwendet werden 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.

Bei einer derartigen Abscheidung von unterschiedlichem Halbleitermaterial müssen selbstverständlich die Reaktionstemperaturen für das Abscheiden und Niederschlagen des Überzugsmaterials niedriger sein als die Schmelztemperatur des Trägermaterials. Außerdem dürfen die Gitterkonstanten des Trägerkristalls und des abzuscheidenden Halbleitermaterials Verfahren zur Herstellung

von Halbleiteranordnungen

durch einkristalline Abscheidung

von Halbleitermaterial aus der Gasphase

Anmelder: Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

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

Dr. phil. nat. Konrad Reuschel, Pretzfeld, und Dr. Hans Merkel, Erlangen, sind als Erfinder genannt worden

sich nur um etwa 5 % unterscheiden. Es können demzufolge beispielsweise Germanium auf Silizium abgeschieden werden, sowie Gallium-Arsenid auf Germanium, Aluminium-Arsenid sowohl auf Germanium als auch auf Silizium, Gallium-Arsenid auf Aluminium-Arsenid und umgekehrt, Aluminium-Phosphid auf Silizium, Gallium-Phosphid auf Silizium und Indiumphosphid auf Germanium.

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 zweckmäßigerweise aus den gasförmigen Verbindungen, z. B. ihren Halogeniden, durch chemische Reaktion, beispielsweise durch Reduktion mit Wasserstoff, erfolgen. Im allgemeinen wird mit einem hohen Wasserstoffüberschuß gearbeitet; der Wasserstoff dient also in diesem Falle auch als Trägergas.

In den Zeichnungen ist das Verfahren nach der Erfindung an Beispielen erläutert. In

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3 4

Fig. 1 ist ein Reaktionsgefäß zur Herstellung von Dicke des stehenbleibenden Materials kann beispiels-Halbleiteranordnungen dargestellt; weise 0,25 mm betragen. Gegebenenfalls können auch Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Aus- Schlitzbreiten bis zu mehreren Millimetern Breite vorschnitt aus Fig. 1 und gesehen werden und Materialdicken bis zu etwa einem Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III durch 5 Millimeter. Durch chemisches Ätzen, beispielsweise Fig. 2; ' durch Tauchätzung, kann die Oberfläche des durch Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform und Sägen mit Schlitzen versehenen Halbleiterstabes bis Fig. 5 einen Querschnitt durch den mittleren Teil zu ungestörten Kristallschichten abgetragen werden,

von Fig. 4. - .;ΐ■■. λ welche für die einkristalline Abscheidung geeignet

Der Reaktionsraum-in Fig. 1 besteht im wesent- io sind. Durch dieses Ätzen kann auch in gewissem liehen aus einem Bodenteil 2 und einem glocken- Maße das stehenbleibende Halbleitermaterial auf förmigen Teil 3, welcher auf den Bodenteil aufgesetzt seine endgültige Dicke gebracht werden. Nach dem ist. Die Glocke 3 kann beispielsweise aus Quarz be- Abscheiden des Halbleitermaterials innerhalb der stehen. Der Bodenteil 2 ist zweckmäßigerweise durch Reaktionskammer wird der Halbleiterstab durch ein strömendes Kühlmittel gekühlt, was durch Pfeile 15 Brechen oder durch Schnitte parallel zur Stabachse an den Anschlußstutzen 4 und 5 angedeutet wird. Ein endgültig zertrennt, beispielsweise durch Schnitte Rohr 6 dient zur Zuführung des Reaktionsgemisches; längs der gestrichelten Linie in Fig. 3. Es entstehen die in den Reaktionsraum ragende Öffnung ist düsen- rechteckige Halbleiterscheiben, welche in der Mitte f örmig gestaltet. Ein zweites Rohr 7 mit größerem aus dem ursprünglichen Material des Halbleiterstabes, Durchmesser dient zur Abführung der Abgase. Das 20 z. B. p-leitendem Silizium, bestehen, und welche auf Zuführungsrohr 6 ist auf einer kurzen Strecke inner- der Ober- und Unterseite Schichten von abgeschiehalb des Rohres 7 geführt, damit die Reaktionsgase denem Halbleitermaterial, beispielsweise von n-leitenvorgewärmt werden. Durch den Bodenteil 2 ragen dem Silizium, besitzen. Diese Anordnung stellt also zwei Stromzuführungen 8 und 9, von denen die eine einen npn-Transistor dar. In entsprechender Weise geerdet und mit dem Boden galvanisch verbunden können pnp-Transistoren hergestellt werden. Für die sein kann, während die andere isoliert durch den Verwendung als Gleichrichter muß die eine n-leitende Bodenteil hindurchführt. Innerhalb des Reaktions- ■ Schicht wieder entfernt werden, z. B. durch Sandraumes sind zwei Halbleiterstäbe 10 und 11 in der strahlen, Abläppen bzw. Abätzen. Die Teile der Halb-Weise angeordnet, daß sie mit den Stromzuführun- leiteranordnung, welche nicht abgeätzt werden sollen, gen 8 und 9 galvanisch verbunden sind. Eine Strom- 30 können beispielsweise mit Pizein abgedeckt werden, brücke 12 dient zur Verbindung der beiden Halbleiter- In Fig. 4 ist eine andere Form eines bei dem erfinstäbe 10 und 11. Eine Stromquelle 13 ist außerhalb dungsgemäßen Verfahren verwendeten Halbleiterdes Reaktionsraumes mit den beiden Stromzuführun- Stabes dargestellt. Ein Halbleiterstab 20 ist von einer gen 8 und 9 verbunden. Diese Stromquelle ist zweck- Seite her mit Sehlitzen versehen. Dieser Halbleitermäßigerweise regelbar. 35 stab ist innerhalb eines beispielsweise aus Quarz bein Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus Fig. 1 vergrößert stehenden verhältnismäßig engen Rohres 22 unterdargestellt, und zwar die Stoßstelle zwischen dem gebracht, durch welches das Gasgemisch hindurch-Halbleiterstab 10 und der Strombrücke 12. Der Halb- geführt wird. Die Erwärmung des Stabes wird nicht leiterstab 10 kann beispielsweise aus einem durch durch direkten Stromdurchgang, sondern induktiv betiegelfreies Zonenschmelzen hergestellten zylindrischen 40 wirkt; eine Induktionsheizspule 23, die an einen Einkristallstab hergestellt sein. Er ist mit parallelen Hochfrequenzgenerator mit z. B. 3 bis 5 MHz ange-Schlitzen versehen, welche abwechselnd von gegen- schlossen ist, umgibt das Quarzrohr 22. Der Halbüberliegenden Seiten in den Stab hineingeführt sind. leiterstab 20 und die Induktionsheizspule 23 können Hierdurch ergibt sich der mäanderförmige Aufbau ge- in Längsrichtung gegeneinander verschoben werden, maß Fig. 2. 45 Bei der Durchführung des Verfahrens wird eine Der Querschnitt des Halbleiterstabes kann bei- Glühzone ähnlich wie die Schmelzzone beim tiegelspielsweise rund sein, also dem natürlichen Quer- freien Zonenschmelzen durch den Halbleiterstab 20 schnitt eines zonengeschmolzenen Halbleiterstabes hindurchgeführt. Die Abscheidung von Halbleiterentsprechen; er kann aber auch eine andere Form be- material findet hauptsächlich an der Stelle statt, an sitzen, beispielsweise die Form emes Rechteckes oder 50 der sich diese Glühzone befindet. Ob man diese Glüh-Quadrates. In Fig. 3 ist ein zweckmäßiger Querschnitt zone mit derart langsamer Geschwindigkeit durch dargestellt, der z. B. in der Weise erzielt werden kann, den Halbleiterstab 20 hindurchführt, daß eine genüdaß von einem runden Halbleiterstab an gegenüber- gend dicke Schicht von abgeschiedenem Halbleiterliegenden Seiten durch Schnitte parallel zur Stabachse material gleichzeitig beim ersten Durchgang der Glüh-Teile entfernt werden. Der Durchmesser eines der- 55 zone niedergeschlagen wird, wie sie für die Herstelartigen Halbleiterstabes kann z. B. 12 bis 20 mm be- lung der gewünschten Halbleiteranordnung nötig ist, tragen. oder ob man die Glühzone mehrfach durch den HaIb-Bei Stromdurchgang durch diesen derart geschütz- leiterstab hindurchführt und hierdurch eine mehrfache ten Halbleiterstab wird der mittlere rechteckige Teil Abscheidung von Halbleiterschichten bewirkt, hängt am stärksten erwärmt, weil dieser den geringsten 60 von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von Querschnitt hat. Da der Querschnitt und damit die dem Aufbau der gewünschten Halbleiteranordnung Stromdichte an dieser Stelle vollkommen gleichmäßig und von den verwendeten Materialien. . ist, wird der Halbleiterstab an dieser Stelle gleich- Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Halbleiterstab mäßig erwärmt. Daher ist auch die Abscheidung von 20 gemäß Fig. 4. Die endgültige Abtrennung der Halbleitermaterial in diesem Bereich gleichmäßig. 65 scheibenförmigen Halbleiteranordnungen kann bei-Das Schlitzen des Halbleiterstabes kann beispiels- spielsweise durch einen Schnitt parallel zur Stabachse mit Hilfe von Diamantsägen durchgeführt werden. längs der gestrichelten Linie in Fig. 5 durchgeführt Dabei entstehen Schlitze von z. B. 0,3 mm Breite. Die werden.

Damit eine Stromaufnahme des hochreinen HaIbieitermaterials möglich ist, muß eine Vorheizung der verwendeten Halbleiterstäbe vorgenommen werden. Man kann beispielsweise mit Hilfe von Strahlungsquellen, z. B. Bogenlampen, eine derartige Vorheizung vornehmen. Bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 4 ist es zweckmäßig, an einer Stelle des Halbleiterstabes 20, ζ. B. am oberen bzw. unteren Ende der Schlitzreihe, in einen der Schlitze eine Scheibe aus einem Material einzulegen, welches sofort leitend ist. Man kann beispielsweise an dieser Stelle einen verbreiterten Schlitz vorsehen und in diesen eine Molybdän- oder Wolframscheibe einlegen, wie sie beispielsweise als Trägerplatte für Halbleiteranordnungen verwendet wird, oder eine Graphitscheibe. Von dieser Stelle ausgehend kann dann die Glühzone leicht durch den gesamten Halbleiterstab geführt werden.

Der Halbleiterstab 20 kann auch mit schrägen Schlitzen versehen werden, wodurch größere Halbleiterscheiben entstehen.

Selbstverständlich können nicht nur Gleichrichter, sondern auch beliebige andere Halbleiteranordnungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise npn- bzw. pnp-Transistoren oder Vierschichtanordnungen. Die Abscheidung von Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps kann nacheinander durch Beimischen entsprechender Dotierungsstoffe zu dem Reaktionsgasgemisch erfolgen. So kann man beispielsweise Borchlorid (B Cl₃) und Phosphortrichlorid (PCl₃) zur Herstellung von p- bzw. n-Schichten dem Reaktionsgasgemisch zugeben.

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

Claims

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 gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper durch parallele, nicht ganz durch den Halbleiterkörper hindurchgeführte Schnitte in Scheiben zerschnitten wird, so daß die Scheiben an einer Stelle miteinander in Zusammenhang bleiben und anschließend dieser Halbleiterkörper in einem strömenden Gemisch einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und eines gasförmigen Reaktionsmittels erhitzt wird, und daß dann die Scheiben vollständig voneinander getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stabförmiger Halbleiterkörper durch Schnitte senkrecht zur Stabachse in Scheiben aufgeteilt wird, und daß nach der Abscheidung durch Schnitte parallel zur Stabachse die vollständige Trennung vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Körper durch Schnitte kammförmig aufgeteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Halbleiterkörper durch Schnitte mäanderförmig aufgeteilt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Halbleiterkörper induktiv erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Halbleiterkörper durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 943 422;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 046 196;
britische Patentschrift Nr. 682 105;
Zeitschrift »electronics« vom 8. 7. 1960, S. 66, 68.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen