DE2450854A1

DE2450854A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2450854A1
Application number: DE19742450854
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Anthony; Harvey Ellis Cline
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-25
Publication date: 1975-05-07
Also published as: US3910801A; JPS50100970A; SE7413674L; GB1493826A; SE397434B; FR2249436A1

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1
Niddastr. 52

25. Oktober 1974 Dr.Sb./kr.

292O-RD-6i<66

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterelementen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten und sie betrifft insbesondere ein neues Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen einer Reihe von ähnlichen Halbleiterelementen.

Das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten oder das Thermobewegungsverfahren für die Herstellung von tiefen Dioden ist wanrend der vergangenen zwei Jahrzehnte als wesentliche Vorteile gegenüber den eingeführten Diffusions- und EpitaxieIverfahren zur Halbleiterelement-Herstellung aufweisend anerkannt worden. Das Problem war es, einen Weg zu finden, um die gewünschten Produkte durchweg mittels Thermobewegung bzw. -wanderung herzustellen, und dies erwies sich bisher auch unter den vorteilhaftesten Versuchsbedingungen als unmöglich.

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Kurz gesagt umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren dip Stufen dpr Schaffung einps Matrixkörpprs aus halblpitendpm Matprial mit Endoberflächpn und einpr Seitenoberfläche, dpr rplativ lang odpr dick ist, vprglichpn mit dpn zu bpschrpibpnden gewünschten Platten, dps Formpns pinpr Vprtipfung in ein<=r Endobprflache dps Körpers, des Niederschiagens pihes schmelzbaren zweiten Materials in fester Form, d.h. eines Metalls, das bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixkörpprs eine flüssig" Lösung mit dptn Matrix-'mäterial bildet in der Vertiefung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt auch die Stufen des Erhitzens des metallischen Materials und das Herstellen einer festen Lösung des Matrixmaterials und danach das Bewegen des resultierenden Tröpfchens in Richtung auf die andere Endoberfläche des Matrixkörpers und, nachdem diese Bpwegungsstufe beendet ist, das quer Durchschneiden des Matrixkörpers an einer Reihe von Stellen entlang seiner Länge, um eine Vielzahl separater Halbleiterelpmentp zu schaffen, die geeignpterweise die gleiche Dicke haben, jedoch möglicherweise auch verschiedene ausgewählte Dicken aufweisen können, wenn dies zweckmäßig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 einen Seitenaufriß eines langgestreckten Siliziumkristalles und der damit verbundenen Apparatur zum Halten des Kristalles in einer Lage relativ zu Kühl- und Heizstationen für die Steuerung des Verfahrens zur Thermowander'ung des Tröpfchens,

Figur 2 eine ähnliche Ansicht wie die von Figur 1, in der die Vorwärtsbewegung des Siliziumkristalls in zeitlicher Beziehung zum Fortschritt der Thermobewpgung bzw. -wanderung dargestellt ist,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Siliziumkristalls der Figuren 1 und 2 nach Beendigung des Thermobewegungsver-

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fahrens und zu Beginn des Schneidens, das die Endstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet, und

Figur 4 eine perspektivische Ansicht, die eine andere Schneidoperation wiedergibt, dip in der Endstufe des Verfahrens vorgenommen wird.

Wie in der Zeichnung dargestellt, wird das erfindungsgemäßp Verfahren auf einen langen einkristallinen Siliziumstab angewendet Und es schließt das Montieren des Stabes auf einen axial bewegbaren Träger 12 ein, der an dem kalten unteren Endstück des Stabes zum Hindurchführen aufeinanderfolgender Längsteilp des Stabes durch eine Kühlstation 15 und einp Heizstation 17, die darüber angeordnet sind, befestigt ist. Die Trägerstruktur kann irgendeine gewünschte Form haben und sie schlipßt irgendeinp der geeigneten konventionellen Mechanismpn für das automatische oder manuelle Vorwärtsbewegen des Stabes IO durch die Stationen 15 und 17 in dem Maße ein, wie das Thermowanderungsverfahrpn fortschreitet.

Auch die Kühlmittel- und die Heizquelle können von der Bedienungsperson ausgewählt werden, solange dabei sichergestellt ist, daß eine gerichtete Wärmeströmung durch den Abschnitt des Stabes verläuft» in dem die Wanderung stattfindet, die wesentlich für die Erzeugung von geradlinigen Tropfenbewegungsbahnen und die Beibehaltung der korrekten relativen Positionen von Gittermustern ist. Als Heizeinrichtung wird vorzugsweise eine Hochfrequpnz-Induktionsspule verwendet (wobei das Werkstück als sein eigener Suszeptor dient), und als Kühleinrichtung verwendet man vorzugswpise eine Kupferschlange, durch welche kontinuierlich Leitungswasser geführt wird. Beide Spulen sind gleichmäßig 2 cm vom Stab lO entfernt angeordnet.

Eine rohrförmig^ Wärmeabschirmung 20 in Form einer Zirkonfolie nimmt den Teil des Stabes IO zwischen den Spulen der Stationen 15 und 17 auf und verhindert eine merkliche spitliche Abströmung von Wärme vom Stab 10 in dem Teil, in dem die Tröpfchenwanderung

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_ 4 —

fortschreitpt. Dip Abschirmung 20 ist in pinpm gleichmäßigen Abstand von ptwa 5 mm um dpn Stab 10 herum angpordnpt.

Als vorbereitpnde Stufe des Vprfahrens wird die Oberflächp des unteren Endes des Stabes 10 zubereitet, indem man Niederschläge von Aluminium in fester Form in Vertiefungen erzeugt, die zuvor in der unterpn Fndoberf lache des Stabes 10 geformt worden sind, wie in den Figuren 3 und 4 angedeutet. Nachdem dies geschehen ist, wird der Stab in der Trägerausrüstung montiert, wie in Figur 1 gezeigt, und die Induktionsspule erregt, um den Stab 10 zu erhitzen und das Thermowanderungsverfahren durch Schmelzen dpr Aluminiumnipderschlägp am unteren Endstück des Stabes zu beginnen. In dem Maße, wie das Thermowanderungsverfahren zu der in Figur gezeigten Stufe fortschreitet, wird die Kühlspule kontinuierlich mit strömendem Wasser versehen, um den Teil des Stabes zu kühlen, der von der Kühlschlange (bei 15) umgeben ist, um den gewünschten thermischen Gradienten in dem Teil des Stabes aufrechtzuprhalten, durch den die Thermowanderung gerade fortschreitet. Vorzugsweise findet die Bewegung des Stabes relativ zu den Kühl- und Heizstationen kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit statt, die der Thermowanderungsgeschwindigkeit angepaßt ist, mit dem Ergebnis, daß die Tröpfchen ihrp Aufwärtswanderung gegen das obere Endstück des Stabes fortsetzen, indem man ihre Lage relativ zur Induktionsspule (bei 17), die in der Figur 1 gezeigt ist, in der spätpren Stufe, die in Figur 2 gezeigt ist, aufrechterhält. Wenn es zweckmäßig ist, kann der Fortschritt des Stabes durch die Stationen intermittierend sein, solange dafür Sorge getragen ist, daß die aktiven Thermowanderungssteilen (d.h. die Tröpfchen) oberhalb der Kühlstation und unterhalb der höchsten Temperatur der Heizstation liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Tröpfchenwanderung beschleunigt. Die Maxima!temperatur im Stab 10 in der dargestellten Ausführungsform wird während der Tröpfchenbpwegungsperiode bei 1200 ⁰C gehalten. Der thermische Gradient wird bei etwa 50 °C/ei%ehalten und die Tröpfchenbewegung

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findet mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von etwa 0,8 mm/h statt. Diese Geschwindigkeit ist unabhängig von der Tröpfchenform, d.h. ob es "draht-" oder kugelförmige Tröpfchen sind.

Wenn das Thermobewegungsverfahren durch Ankunft der Tröpfchen an der oberen Endoberfläche des Stabes 10 oder zu einer früheren Zeit nach Wahl der Betriebsperson beendet ist, wie in Figur 2 oder sogar in Figur 1 dargestpllt, wird der Stab aus der Thermobewegungs-Apparatur entfernt und zu kurzen Segmenten oder Platten zerkleinert. Im Falle von Siliziumkristallstab-Werkstücken schließt dies das Einritzen und Trennen entlang den Spaltebenen ein, um Platten ausgewählter gleichmäßiger Dicke oder, je nach Wahl, variierender Dicke herzustellen. Diese Stufe des Verfahrens ist in Figur 3 illustriert, aus der ersichtlich ist, daß durch Aufrechterhalten der Integrität, d.h. des Abstandes und Mustergeometrie der ursprünj-ichen Tröpfchenanordnung, eine Zahl von ähnlichen halbleitenden Elementen 22, wie Dioden oder Durchführungen, wie sie noch im einzelnen beschrieben werden, für eine Vielzahl von Anwendungen geschaffen werden können. Eine.weitere Vervielfältigung der Produkte dieses Verfahrens kann durch ein weiteres Abtrennen einzelner Halbleiterkomponenten vom ursprünglichen Muster realisiert werden, wie in Figur 4 illustriert.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung grundsätzlich ein Zweistufenverfahren für eine Großproduktion von Halbleiterelementen hoher Qualität praktisch jeder gewünschten Geometrie schafft. In einem Sinne ist das Verfahren grundsätzlich ein diskontinuierliches Verfahren, doch kann es aus praktischer Sicht als kontinuierlich angesehen werden, da seine Kapazität für die Herstellung ähnlicher HaIbIeiterelemente so groß ist, daß der Gesamtbedarf an solchen Elementen in einem normalen Zeitabschnitt in einem einzigen Produktionsablauf durch die Thermowanderung und Trennung erzeugt werden kann. Zum Beispiel wäre das obige Verfahren brauchbar zur Herstellung lichtemittierender Dioden durch Bewegen einer Reihe von Galliumtröpfchen durch Galliumphosphid. Nach dem Hindurchbewegen würde der Barren in Platten zerteilt und dann

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unter Erzeugung einer großen Zahl lichtemittierender Dioden in Würfel geschnitten.

In den Elementen nach der vorliegpnden Erfindung sind die von den wandernden Tröpfchen zurückgelassenen Spuren tatsächlich Regionen rekristallisierten Materials. Die spezifische Leitfähigkeit und der spezifische Widerstand des Kristalles und der rekristallisierten Region sind in jedem Falle verschieden, so daß diese Spuren oder rekristallisierten Regionen mit dem Matrixkörperk'ristall PN-Übergänge bilden, geeigneterweise stufpnartige, wenn erwünscht. Diese Spuren können stattdessen auch als Durchleitungen dienen, wenn PN-Übergänge in der Struktur nicht existieren. Die rekristallisierten Regionen können geeigneterweise mit dem Material des wandernden Tröpfchens dotiert werden, d.h. im Gemisch mit dem Tröpfchenmetall vorliegen, so daß eine Verunreinigungskonzentration erzeugt wird, die ausreicht, um die gewünschte Leitfähigkeit zu erhalten. Das in der rekristallisierten Region zurückgehaltene Metall ist in jedem Falle im wesentlichen das Maximum, das durch die feste Löslichkeit in dem halbleitenden Material gestattet ist. Es ist ein Halbleitermaterial mit der maximal im festen Zustand löslichen Verunreinigungsmenge darin. Es ist nicht ein Halbleitermaterial, das die im flüssigen Zustand lösliche Menge enthält, noch ist es ein Halbleitermaterial, das ein eutektisches Material ist oder enthält. Weiter hat eine solche rekristallisierte Region eine konstante gleichmäßige Verunreinigungskonzentration durch . die gesamte Länge der Region oder Spur, und die Dicke der rekri-* stallisierten Region ist im wesentlichen durch seine Dicke oder Länge konstant.

Obwohl es bequem ist, Aluminium einzusetzen, um das sich bewegende

—5 Tröpfchenmaterial in einem Vakuum von 1 χ 10 Torr aufzubringen, können auch andere Bedingungen angewandt werden, insbesondere ein

—5 höheres Vakuum oder ein geringeres Vakuum bis zu 3 χ 10 Torr, die mit zufriedenstellenden Ergebnissen angewendet werden können. Es wurde Jedoch festgestellt, daß insbesondere im Falle von Aluminium wegen der Einwirkung des Sauerstoffes auf das Benetzen des Siliziums durch das. Aluminium, wenn bei diesem Bedampfen Drucke

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höher als 3 χ 10 Torr angewendet werden, Schwierigkeiten b'eim Einleiten der Tröpfchenbewegung vorkommen können. Ähnlich ist durch Zerstäuben aufgebrachtes Aluminium wegen der Sättigung schwierig in diesem Verfahren zu verwenden, soweit die Einleitung der Tröpfchendurchdringung betroffen ist. Es ist daher bevorzugt, für das Aufbringen von Aluminium ein Verfahren anzuwenden, das Finfangen von größeren als den unvermeidbaren Sauerstoffmengen in die Aluminiumniederschläge vermeidet.

Als allgemeiner Vorschlag zur Ausführung des erf indungsgernäßen Verfahrens und insbesondere der Stufe der Formung von Vertiefungen in der Oberfläche des Matrixkörperkristalls zur Aufnahme der Niederschläge des Materials für die festen Tröpfchen, sollte die Tiefe der Vertiefungen nicht größer als etwa 25 bis 30 Mikron betragen, um ein Unterscheiden der Maskierungsschicht zu vermeiden, was nachteilig wäre, da dann die Breite des zu bewegenden Tröpfchens zu groß oder im Extremfalle, daß der Kontakt zwischen dem Tröpfchen und der Matrixkörρeroberfläche bis zu einem Ausmaß begrenzt werden würde, daß die Einleitung der Wanderung schwierig und ungewiß wäre. Bei normaler Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ätzen, mit dem diese Vertiefungen hergestellt werden, für etwa 5 Minuten bei einer Temperatur von 25 °C ausgeführt, um eine Tiefe von etwa 25 Mikron für die Ausnehmung herzustellen, wobei die Größe des Fensters gemäß der Größe der Öffnung, die durch die Maske bestimmt ist, im Bereich von 10 - 500 Mikron liegt.

Die Scheibe oder das Halbleitermaterialkörper-Werksttick, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, kann aus einem anderen Material als Silizium bestehpn, nämlich aus Siliciumcarbid, Germanium, Galliumarsenid, einer Verbindung eines Elementes der Gruppe II mit einem Element der Gruppe VI oder eine Verbindung des Elementes der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V des Periodischen Systems der Elemente, Auch das Material der wandernden Tröpfchen kann ein anderes als reines oder in geeigneter Weise dotiertes Aluminium sein, sofern dieses Material schmelzbar und

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in der Lage ist, eine flüssige Lösung mit dem Material des Matrixkörpers oder der Scheibe zu bilden, um eine rekristallisierte Region ausgewählter Leitfähigkeit und spezifischen Widerstandes zu schaffen, die verschieden sind von dem der Platte. Ist die Leitfähigkeit der des Matrixmaterials entgegengesetzt, würde an der Grenzfläche der beiden verschiedenen Materialien ein PN-Übergangsbereich erzeugt werden. Das Platten- oder Matrixkörpermaterial und das wandernde Material könnten so ausgewählt werden, daß sichergestellt ist, daß der Schmelzpunkt des erstgenannten Materials oberhalb und vorzugsweise wesentlich oberhalb des Schmelzpunktes der flüssigen Lösung aus zu bewegendem und Platten- oder Matrixkörpermaterial liegt.

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Claims

- 9 P at entansprüche

Thermowanderungsverfahren zum gleichzeitigen Herstellen einer Vielzahl von Halbleiterelementen, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

Schaffen eines Matrixkörpers aus Halbleitermaterial mit ausgewählter Leitfähigkeit und spezifischem Widerstand, der Endoberflächen und eine Seitenoberfläche aufweist,

Formen einer Vertiefung in einer Endoberfläche des Matrixkörpers,

Niederschlagen eines schmelzbaren zweiten Materials unterschiedlicher ausgewählter Leitfähigkeit und spezifischem Widerstand in der Vertiefung in fester Form, mit dem das Matrixmaterial eine flüssige Lösung mit einem Schmelzpunkt unterhalb dem des Materials des Matrixkörpers bilden kann.

Erhitzen des zweiten Materials und Bilden einer flüssigen Lösung mit dem Matrixmaterial,

Bewegen des resultierenden Tröpfchens in der Vertiefung in Richtung auf die andere Endoberfläche des Matrixkörpers und

quer Zerteilen des Matrixkörpers an einer Reihe von Stellen entlang seiner Länge, um eine Vielzahl separater Halbleiterelemente zu schaffen.

.^Anspruch Ij,
Verfahren nach^ ^d a durch gekennzeich net, daß der Matrixkörper ein langgestreckter, im allgemeinen zylindrischer Kristall aus Silizium ist, in dem der Wanderpfad des Tröpfchens durch eine rekristallisierte Region markiert ist, die sich in einer geraden Linie im wesentlichen parallel zur Hauptachsedes Matrixkörpers erstreckt.

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^Anspruch 2^

3. Verfahren nach ' ά~Λ~ά \x rch gekennzeichnet,

daß sich die rekristallisierte Region über die ganze Länge des Matrixkörpers erstreckt.

jiach,

4. Verfahren l einem der Ansprüche 1-3, dadurch

gekennzeichnet , daß der Körper ein Siliziumkristall ist und das zweite Material Aluminium ist.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Vertiefungen in einer vorbestimmten Reihe gebildet wird und daß diese Reihe beibehalten wird, während die Tröpfchen axial durch den Matrixkörper bewegt werden, und bei dem die Halbleiterelemente, die von dem Matrixkörper hergestellt werden, alle das gleiche Muster der rekristallisierten Regionen aufweisen.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-5, dadurc h gekennzeichnet, daß das Erhitzen des zweiten Materials durch Erhitzen des Matrixkörpers an irgendeiner mittleren Stelle entlang seiner Länge stattfindet und daß die Heizstelle fortschreitend entlang des Matrixkörpers in einer Richtung weg von seinem mit Vertiefungen versehenen Endstück bewegt wird.

7« Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 - 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixkörper ein Kristall ist, ausgewählt aus Galliumarsenid und Galliumphosphid.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß das Erhitzen ausgeführt wird durch Einstellen und Aufrechterhalten der Maximaltemperatür in dem Matrixkörper innerhalb von etwa 250 ⁰C von der Schmelztemperatur des Matrixkörper-Halbleitermaterials während des Zeitraumes der Tröpfchenwanderung.

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9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchenwanderung mit einer Geschwindigkeit des Tröpfchens durch den Matrixkörper von mindestens 2 χ 1O~ cm/sec ausgeführt wird.

10. Verfahren nach irgendeinem der Patentansprüche 1-9, dadurch geke nnzpichnet, daß das Zerteilen durch Anreißen des Matrixkörpers und Zerbrechen des Körpers entlang einer Spaltungsebene erfolgt.

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