<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die aus einem einkristallinen Grundkörper mit mehreren voneinander durch pn-Übergänge getrennten Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps und aufgebrachten Kontaktelektroden besteht, durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur. Das Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial auf einem versetzungsfreien Trägerkristall abgeschieden wird.
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. Die Erfindung sucht derartige Halbleiteranordnungen zu verbessern, indem als Trägerkristall ein versetzungsfreier Einkristall verwendet wird.
EMI1.1
wie bisher Einkristalle mit einem geringen Anteil an Versetzungen als Grundkörper zu verwenden. Es ist zur Zeit noch schwierig, vollkommen versetzungsfreies Material herzustellen. Ein Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen ist z. B. in der österr. Patentschrift Nr. 223659 angegeben. Die Herstellung versetzungsfreier Germaniumkristalledurch Ziehen aus dem Tiegel ist in einem Aufsatz von B.
Okkerse in der Philips'technische Rundschau, 1959/60, Nr. 11, S. 335 - 340 beschrieben.
Derartiges versetzungsfreies Material ist verhältnismässig leicht zu erkennen. Bei der Anätzung von Querschnitten von einkristallinen Halbleiterstäben erscheinen sogenannte Ätzgrübchen (etchpits), welche einAnzeichen für Versetzungen sind. Bei gleicher Behandlung (Ätzung, Beleuchtung, Vergrösserungsmassstab) zeigen diese Querschliffe bei gleicher Versetzungsdichte ein gleiches Aussehen, das sich in Anzahl und Anordnung der Ätzgrübchen ausdrückt. Vollkommen versetzungsfreies Material zeigt nun überhaupt keine Ätzgrübchen und ist deshalb leicht als solches zu erkennen. In dem genannten Aufsatz von Okkerse ist darüber näheres ausgeführt.
Es zeigt sich nun, dass dieses versetzungsfreie Material bei der Weiterverarbeitung gewisse Schwierigkeiten bereiten kann. So werden beispielsweise die Legierungsvorgänge, die in bekannter Weise zur Herstellung solcher Halbleiterbauelemente angewendet werden, durch die Verwendung von versetzungsfreiem Grundmaterial beträchtlich erschwert.
Auch die Herstellung von Halbleiterbauelementen nach den bekannten Diffusionsverfahren hat verschiedene Nachteile, die sich im wesentlichen aus den hohen dabei anzuwendenden Temperaturen ergeben. Hier ist insbesondere die Verschlechterung der Lebensdauer der Minoritätsträger durch die Wärmebehandlung zu nennen.
Das erfindungsgemässe Verfahren umgeht diese Schwierigkeiten, indem Halbleiteranordnungen durch einkristallines Aufwachsen von Halbleiterschichten auf versetzungsfreien Trägerkristallen hergestellt werden. Auch die abgeschiedenen Schichten, die nach Wunsch durch entsprechende Dotierung den gleichen oder einen andern Leitfähigkeitstyp wie ihre jeweilige Unterlage oder gleiche bzw. verschiedene Leitfähigkeitswerte erhalten können, wachsen bei sorgfältiger Handhabung des Verfahrens versetzungsfrei auf.
<Desc/Clms Page number 2>
Verfahren zur Abscheidung von Halbleitermaterial sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift Nr. 865160 und aus der österr. Patentschrift Nr. 207363 bekannt. Vorzugsweise werden Halbleiterschichten aus demselben Halbleitermaterial wie der Tr gerkristall auf diesem abgeschieden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, für den Trägerkristall anderes Halbleitermaterial zu verwenden als das, welches durch Abscheidung aus der Gasphase niedergeschlagen wird. Scheidet man beispielsweise auf einem Siliciumträger Germanium ab, so ist auf den Germaniumschichten eine Kontaktierung schon bei tieferen Temperaturen und gegebenenfalls auch mit andern Stoffen möglich. Die Bedingung für eine derartige Abscheidung von unterschiedlichem Halbleitermaterial ist. dass die Reaktionstemperaturen für die Abscheidung und Niederschlagung des Überzugsmaterials niedriger sind als die Schmelztemperatur des Trägermaterials. Hinzu kommt noch, dass die Gitterkonstanten des Trägerkristalls und des abzuscheidenden Halbleitermaterials nur um etwa 5% differieren dürfen.
Es können demzufolge beispielsweise Germanium auf Silicium abgeschieden werden sowie Gallium-Arsenid auf Germanium, Aluminium-Arsenid sowohl auf Germanium als auch auf Silicium, Gallium-Arsenid auf Aluminium-Arsenid und umgekehrt, Aluminium-Phosphid auf Silicium, Gallium-Phosphid auf Silicium und Indium-Phosphid auf Germanium.
Der Übergang von einem Material auf das andere kann auch über Mischkristalle erfolgen. Man kann also beispielsweise, wenn man Germanium auf einem Silicium-Einkristall niederschlagen will, zunächst mit einer Abscheidung von Silicium, z. B. aus entsprechenden Silicium-Verbindungen, wie Silicium-
EMI2.1
eineentsprechende Verminderung der Siliciumverbindungen, kann man schliesslich zum reinen Germanium übergehen. Hiebei besteht durchaus die Möglichkeit, Stoffe mit einem gewissen Unterschied in den Git- terkonstanten versetzungsfrei einkristallin miteinander zu verbinden.
DieAbscheidung von Halbleitermaterial kann zweckmässigerweise wie oben beschrieben aus den entsprechenden Verbindungen dieser Stoffe, z. B. ihren Halogeniden durch chemische Reaktion beispielsweise mit Wasserstoff erfolgen. Die Abscheidung von reinem Silicium aus der gasförmigen Phase ist ebenfalls möglich.
Als Beispiel für die Herstellung von Halbleiteranordnungen sei zunächst die Herstellung eines Gleichrichters genannt. Hiezu wird zunächst ein band-oder brettförmiger Einkristall vom einen Leitfähigkeitstyp in einer abgeschlossenenReaktionskammer beispielsweise durch Stromdurchgang oder Strahlungswärme erhitzt. Durch Einführung eines Gasgemisches, das beispielsweise aus Wasserstoff und einer der genannten Silicium- bzw. Germanium-Verbindungen bestehen kann, wird die Abscheidung eingeleitet. Diesem Gasgemisch ist zweckmässigerweise eine entsprechende gasförmige Verbindung eines Dotierungsstoffes beigemischt, welcher den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp bewirkt. Beispielsweise kann auf einem p-leitenden Trägerkristall n-leitendes Material abgeschieden werden, indem dem Gasgemisch Phosphorchlorid (PCI3) beigegeben wird.
Die Abscheidung kann bis zur geforderten Dicke der niedergeschlagenen Schicht fortgesetzt und danach abgebrochen werden. Überflüssiges Halbleitermaterial, beispielsweise niedergeschlagenes Halbleitermaterial an den Seitenkanten des Kristallbrettes, kann durch Ätzung abgetragen werden, wobei die Stellen, an denen keine Ätzwirkung auftreten soll, zweckentsprechend abgedeckt werden, beispielsweise mit Hilfe von Pizein.
Die Erhitzung des Trägerkristalls kann auch indirekt, z. B. durch eine Unterlage, auf welcher der Trägerkristall aufliegt, erfolgen. Diese Unterlage kann beispielsweise aus Graphit, Silicium, Tantal bestehen und durch direkten Stromdurchgang erwärmt werden. Auf einer derartigen, z. B. bandförmigen Unterlage, können eine Reihe von Halbleiterscheiben, die bereits die Flächengrösse der herzustellenden Halbleiteranordnung aufweisen, nebeneinander angeordnet und durch Abscheidung verdickt werden.
Zur Herstellung von pnp-Transistoren geht man beispielsweise von einem bandförmigen GermaniumEinkristall vom Leitfähigkeitstyp n mit einem spezifischen Widerstand von 20 Ohmcm und einer Dicke von 150 il aus. Auf beiden Flachseiten wird dann eine p-leitende Schicht von 20/. Dicke und einem spezifischen Widerstand von 0, 2 Ohmcm aus der Gasphase abgeschieden.
Die Herstellung eines npn-Transistors kann in folgender Weise durchgeführt werden : Man geht von einem p-leitenden Einkristall von 80 bis 240 Ohmcm spezifischen Widerstand aus, z. B. von einem Sili- cium-Einkristall, welcher einen spezifischen Widerstand von 200 bis 240 Ohmcm und eine Dicke von 100 p aufweist. Auf beiden Seiten des scheiben- oder brettförmigen Trägerkristalls wird eine Schicht von n-leitendem Silicium mit einer Dicke von 20/. und einem spezifischen Widerstand von 0, 01 Ohmcm abgeschieden.
Dies kann beispielsweise folgendermassen durchgeführt werden : Zwei Siliciumbänder von je 20 cm
<Desc/Clms Page number 3>
Länge und 18 mm Breite werden in einem Reaktionsraum, der beispielsweise aus Quarzglas bestehen kann, aufgespannt und auf etwa 1100 - 12500C aufgeheizt. Die Heizung kann induktiv erfolgen, die Bänder können aber auch durch Strahlungsheizung bzw. durch direkten Stromdurchgang beheizt werden. Durch denReaktionsraum wird nun ein Gasgemisch aus Wasserstoff als Trägergas und den genannten Siliciumverbindungen (SiCL, SiHCl) geleitet.
DieMenge deshindurchgeleiteten Gasgemisches beträgt etwa 0, 5-30 l pro min ; das Mol-Verhältnis der Siliciumverbindung zum Wasserstoff sollte bei Verwendung von Siliko- Chloroform kleiner als 0, 14 und bei Verwendung von Siliciumtetrachlorid kleiner als 0, 8 betragen.
Zur Herstellung der geforderten n-leitenden Schichten von 20 ja Dicke wird beispielsweise das entsprechende Siliko-Chloroform-Gemisch zirka 5 min lang in einer Menge von 8 l pro min durch den Reaktionsraum geleitet. Sowohl das Trägergas als auch die Siliciumverbindung sind vor Beginn des Verfahrens hochgereinigt. Zur Herstellung der n-Leitung von dem geforderten spezifischen Widerstand wird dem Gasstrom Phosphor-Chlorid (PC1) in einer Menge von 2x10-4 g auf ein g Siliko-Chloroform beigemischt.
Die zweckmässige Abscheidungstemperatur von Germanium aus den entsprechenden Germaniumverbindungen beträgt etwa 700 - 850oC, d. h. der Trägerkristall muss diese Temperatur aufweisen. Die Wände des Reaktionsgefässes sollen zweckmässigerweise eine hievon stark unterschiedliche Temperatur aufweisen, damit die Abscheidung nicht hier stattfindet.
EMI3.1
mit einer Dicke von 15 fi und einem spezifischen Widerstand von 2 Ohmcm niedergeschlagen und dann auf diesen beiden p-leitenden Schichten je eine n-leitende Schicht mit einer Dicke von 15 tf und einem spezifischen Widerstand von 0, 05 Ohmcm. Die Abscheidung kann wieder, wie in dem vorhergehenden Beispiel, aus den entsprechenden Siliciumverbindungen erfolgen.
Zum Erzielen der geforderten p-Leitung
EMI3.2
beispielsweise durch Niederschlagung von Nickel aus einem Bad mit einem entsprechenden Nickelsalz erfolgen. Sie kann aber auch durch Aufdampfen von Metallen erfolgen bzw. durch Auflegen und Einlegieren von Metallfolien, z. B. Goldfolien.
Bei der beschriebenen Herstellung einer Vierschichtanordnnng vom pnpn-Typ ist durch Abscheidung zunächst ein aus fünf Schichten von verschiedenem Leitfähigkeitstyp bestehender Einkristall entstanden.
Die eine der beiden äusseren n-Schichten kann entweder abgetragen oder zweckmässigerweise durch Überdotierung beseitigt werden. Man kann beispielsweise auf diese Schicht eine Bor enthaltende Goldfolie (zirka 0, 05% Bor) von etwa 30 li Dicke auflegen und durch eine Erwärmung auf etwa 7000C einlegieren.
Hiedurch wird diese n-leitende Zone überdotiert und besitzt nun den Leitfähigkeitstyp p und einen spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ohmcm. Das durch den Legierungsvorgang entstandene Gold-SiliciumEutektikum, das auf der neu entstandenen p-Zone aufliegt, kann als Kontaktelektrode für diese Zone dienen.
Zweckmässigerweise wird als Trägerkristall ein Einkristall verwendet, welcher eine entsprechende Form, beispielsweise eine Scheibenform, besitzt und welcher in solcher Weise gezüchtet bzw. aus einem gezüchtete Kristall herausgeschnitten ist, dass seine Flachseiten (100)-Orientierung aufweisen. Es zeigte sich, dass die (100)-Flächen besonders gut geeignet für das einkristalline Aufwachsen von Halbleiterma- terial sind.
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 vom Trägerkristall abgetragen wird, und so eine ungestörte Oberflächenbeschaffenheit sicherzustellen, welche anschliessend ein einkristallines Aufwachsen der folgenden Überzugsschicht ermöglicht. Näheres darüber ist in der österr. Patentschrift Nr. 212879 ausgeführt. Die Vorschläge dieser Patentschrift und der weiteren österr. Patentschrift Nr.
205548 können mit der Erfindung besonders vorteilhaft kombiniert werden. Gegebenenfalls kann während des Abscheidungsvorganges die Konzentration der zugesetzten gasförmigen Verbindung eines Dotierungsstoffes verändert und somit eine kontinuierliche Änderung der Dotierungskonzentration des abgeschiedenen Halbleitermaterials bewirkt werden.
Die nachdem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Halbleiteranordnungen haben folgende Vorteiles
<Desc/Clms Page number 4>
Die pn-Übergänge in der Halbleiteranordnung liegen vollkommen parallel zueinander und gestatten somit dieherstellung gleichmässig dicker Zonen des Halbleiterkörpers. Das abgeschiedene Halbleitermaterial ist ebenso wie der als Trägerkristall dienende Grundkörper vollkommen versetzungsfrei und demzufolge mechanisch sehr stabil.
Mit derartigen Halbleiteranordnungen kann man bei den folgenden Verfahrensgängen, bei denen beispielsweise Kontaktelektroden aufgebracht bzw. die Halbleiteranordnungen auf einem Kühlkörper befestigt oder in einer Kapsel untergebracht werden, wesentlich weniger vorsichtig umgehen als mit Halbleiteranordnungen aus einem Material, welches Versetzungen aufweist Durch das Fehlen von Versetzungen wird ein Gleiten in den Gitterebenen bis zu höheren Temperaturen verhindert und es sind demzufolge bei diesen nachfolgenden Herstellungsvorgängen, die meistens mit Erwärmungen verbunden sind, wesentlich höhere räumliche Temperaturgradienten ohne Neubildung von Versetzungen zulässig. Man kann etwa um den Faktor 1000 grössere Schubspannungen als bei einem Material mit Versetzungen zulassen.
Bei ausschliesslich nach dem Legierungsverfahren hergestellten Halbleiteranordnungen treten auch, wenn von einem versetzungsfreien Grundkörper ausgegangen wird, in den durch Legierung entstehenden Rekristallisationszonen Versetzungen auf.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die aus einem einkristallinen Grundkörper mit mehreren voneinander durch pn-Übergänge getrennten Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps und aufgebrachten Kontaktelektroden besteht, durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial auf einem versetzungsfreien Trägerkristall abgeschieden wird.
