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Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Haibleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration durch einkristalline Abscheidung'von Halbleitermaterial aus gasförmigen Halogeniden dieses Halbleitermaterials auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruk- tur.
Es ist bereits ein Verfahren zur Erzeugung einer Germaniumschicht auf einem Germaniumkörper bekanntgeworden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass über den in einer Kammer angebrachten Körper ein Germaniumhalogenid in Gasform geleitet wird, wobei die Kammer nebst Inhalt derart erhitzt wird, dass eine thermische Zersetzung des Halogenids stattfindet (s. deutsche Patentschrift Nr. 865 160).
Nach diesem bekannten Verfahren wird ein Germaniumjodid in der Weise gewonnen, dass Wasserstoff über erhitztes Jod und anschliessend der so entstehende Jod-Wasserstoff über eine Germaniummenge geführt wird, wobei die Kammertemperatur in der Nähe der Germaniummenge auf 410 - 4600C gehalten wird.
Das Germaniumjodid wird anschliessend auf erhitzten Germaniumkörpern thermisch zersetzt, wodurch eine Germaniumschicht entsteht. Durch Zusatz von Verunreinigungen können auf diese Weise pn-Übergänge hergestellt werden. Die Verunreinigung kann sowohl dem zugeführten Wasserstoffgas zugesetzt werden wie auch in der Germaniummenge enthalten sein, welche zur Herstellung des Germaniumjodids dient.
Es ist weiter ein Verfahren zur Herstellung von reinem Silicium bekanntgeworden (s. deutsche Patentschrift Nr. 974 625), wobei Silicium in Gegenwart von Silicium-Halogeniden verflüchtigt wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein gegebenenfalls vorgereinigtes Silicium unter Einwirkung von Silicium-Halogeniden bei einer Temperatur von etwa 1000 - 13000C verflüchtigt und bei erniedrigter Temperatur als reines Silicium abgeschieden wird. Das Silicium-Halogenid kann in dem Reaktionsraum unmittelbar aus Silicium und Halogen erzeugt werden. Der Siliciumhalogeniddampf wird gegebenenfalls unter Verwendung eines Trägergases im Kreislauf geführt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus gasförmigen Haloge- niden dieses Halbleitermaterials auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur unter Erwärmung des Trägerkörpers.
Es ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass in einem verschliessbaren Gefäss Halbleiterscheiben unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration abwechselnd aufeinander gestapelt werden, und dass bei Anwesenheit eines mit dem Halbleitermaterial gasförmige Verbindungen bildenden Reaktionsmittels ein Wärmegefälle vom einen zum andern Ende des Stapels erzeugt wird.
Es zeigt sich, dass durch Transportreaktion Halbleitermaterial von den wärmeren zu den kälteren Halbleiterscheiben bzw. in umgekehrter Richtung transportiert wird, wobei die Verunreinigungen jeweils
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mitwandern und hiedurch zur Abscheidung von Schichten andern Leitfähigkeitstyps bzw. anderer Dotierungskonzentration führen. Das Wärmegefälle kann beispielsweise erzeugt werden, indem der gesamte Stapel von Halbleiterscheiben in einem Ofen gleichmässig erwärmt wird, worauf das Gefäss mit dem Stapel langsam aus diesem Ofen herausgezogen und hiedurch auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
An Hand von Ausführungsbeispielen, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens hervorgehen, soll die Erfindung näher erörtert werden. In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. In einem länglichen Gefäss 2, beispielsweise einem Quarzrohr, sind verschiedene Halbleiterscheiben aufeinander gestapelt. Der Stapel 3 kann beispielsweise aus Scheiben von p-leitendem und n-leitendem Silicium in abwechselnder Reihenfolge bestehen. Die Scheiben können et- ) wa 18 mm Durchmesser und eine Dicke von 2001J haben. Die p-leitenden Scheiben können einen spezifischen Widerstand von 500 Ohm cm besitzen und mit Bor dotiert sein, während die n-leitenden Scheiben einen Widerstand von 100 Ohm cm besitzen und mit Arsen dotiert sind.
In dem Quarzrohr, welches beispielsweise 20 mm Durchmesser besitzt und 30 cm lang ist, können etwa 500 Scheiben übereinander gestapelt sein.
Die Siliciumscheiben werden vorher geläppt, geätzt und poliergeätzt. Zur Polierätzung wird zweckmässigerweise eine Mischung von 40% niger Flusssäure und rauchender Salpetersäure im Verhältnis 1 : 1 verwendet, in welche die in üblicher Weise in einer CP-Ätzlösung geätzten Scheiben für wenige Sekunden getaucht werden.
Das Quarzrohr ist unten verschlossen und oben mit einem Schliff versehen, in welchen ein Anschlussrohr 4 gesteckt wird, über welches das Quarzrohr 2 evakuiert bzw. mit Gas gefüllt werden kann. Ein Hahn 5 dient zum Verschliessen dieses Anschlusses 4.
Das Quarzrohr 2wird mit dem grösseren Teil seiner Länge in einem Ofen 6 angeordnet, welcher beispielsweise ein elektrischer Widerstandsofen sein kann. In dem Ofen 6 kann auch eine Induktionsheizspule angeordnet sein, mit deren Hilfe der Inhalt des Quarzrohres 2 beheizt wird. In diesem Falle wird zweck - mässigerweise innerhalb des Ofens eine zweite Heizquelle angebracht, welche zur Vorheizung des sehr hochohmigen Materials dient, damit eine Stromaufnahme des Halbleitermaterials durch Induktion ermög- licht wird. Am Boden des Quarzrohres 2 wird vorteilhaft ein grösseres Siliciumstück 7 angeordnet, welches als Auflage für den Stapel 3 und ebenfalls zur Vorheizung dienen kann.
Das Verfahren wird. nun in folgender Weise durchgeführt : Das Quarzrohr 2wird über den Anschluss 4 an eine Vakuumpumpe angeschlossen und evakuiert. Danach wird z. B. ein Siliciumhalogenid in das Quarzrohr eingelassen, beispielsweise Silikochloroform oder Siliciumtetrachlorid, Zweckmässigerweise wird als Trägergas zusätzlich Wasserstoff eingelassen, beispielsweise Silikochloroform und Wasserstoff in einem Verhältnis von 1 : 12.
Das Halogenid wird in solcher Menge in das Quarzrohr eingelassen, dass sich in diesem nach dem Verschliessen bei 1100 C etwa Atmosphärendruck einstellt. Selbstverständlich können auch andere Halogenide, beispielsweise Bromide oder Jodide verwendet werden, und im Falle von Germanium die entsprechenden Germaniumverbindungen.
Nach dem Einfüllen des Halogenids wird das Quarzrohr mit Hilfe des Hahnes 5 verschlossen oder abgeschmolzen und der Inhalt des Quarzrohres auf etwa 1200 C erhitzt. Danach wird das Quarzrohr nach oben aus dem Ofen 6 herausgezogen, wobei die Geschwindigkeit, mit der das Quarzrohr 2 aus dem Ofen entfernt wird, kleiner als 5 mm pro Minute sein sollte. Vorzugsweise wird eine Geschwindigkeit von etwa 0,5 mm pro Minute Anwendung finden.
Beim Herausziehen des Quarzrohres bei eingeschaltetem Ofen 6 wird das obere Ende des Stapels 3 zuerst abgekühlt, und es entsteht das gewünschte Wärmegefälle von unten nach oben, durch welches die Transportreaktion eintritt. Es wird jeweils Halbleitermaterial auf der Oberseite der Scheiben abgetragen und vorwiegend an der Unterseite der aufliegenden Scheiben wieder abgeschieden. Die Dicke der abgeschiedenen Schichten hängt vom Temperaturgefälle und der Reaktionsdauer ab, also im wesentlichen von der Geschwindigkeit, mit der das Quarzrohr 2 aus dem Ofen entfernt wird, und lässt sich hiedurch regeln.
Gegebenenfalls kann der Vorgang mehrfach wiederholt und die Dicke der abgeschiedenen Schichten im gewünschten Masse hiedurch vergrössert werden.
Der beschriebene Vorgang verläuft-gegebenenfalls über Zwischenstufen - nach folgenden Formeln :
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Für die entsprechenden Jodide und Bromide ergeben sich entsprechende Formeln. Es genügt beispielsweise, in das Quarzrohr 2 eine geringe Menge Jod einzubringen, welche bereits bei niedrigeren Temperaturen mit dem Silicium bzw. Germanium gasförmige Jodide bildet, über welche die Transportreaktion gemäss den obenstehenden Formeln ablaufen kann.
Weiter ist noch eine andere Ausführungsform möglich, bei der der Transport von der kälteren zur wärmeren Halbleiterscheibe erfolgt, beispielsweise entsprechend folgenden Formeln :
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Bei diesem Verfahren muss das Temperaturgefälle innerhalb des Ofens 6 erzeugt werden, z. B. durch eine entsprechende Wicklung der Widerstandsheizung bzw. der Induktionsspule. Nach der Abscheidung kann dann durch plötzliches Abschalten ein "Einfrieren" des erreichten Zustandes bewirkt werden.
Die Vorteile des Verfahrens sind klar erkennbar. Zunächst einmal können in einem Arbeitsgang ver- hältnismässig viele Halbleiteranordnungen bearbeitet werden. Weiter ist das Verfahren noch dadurch be- sonders wirtschaftlich, dass praktisch das gesamte eingebrachte Halbleitermaterial wieder abgeschieden wird. Schliesslich ist auch noch der apparative Aufwand als relativ gering zu bezeichnen.
Zwischen die einzelnen Scheiben des Stapels 3 können kleinere Abstandshalter, beispielsweise Quarzkristalle, eingebracht werden, wodurch ein Abstand zwischen den einzelnen Scheiben entsteht. An jenen
Stellen, an denen die Quarzkörner die Oberfläche des Halbleitermaterials berühren, wird eine Störung der abgeschiedenen Schicht vorhanden sein, so dass es zweckmässig ist, die auf diese Weise gewonnenen Halbleiteranordnungen zu zerteilen, beispielsweise anzuritzen und zu zerbrechen, und danach die fehlerhaften
Stellen auszusortieren.
Gegebenenfalls können auch besondere Halterungen in das Quarzrohr eingesetzt werden, welche z. B. ebenfalls aus Quarz bestehen, und in die die Halbleiterscheiben mit Abstand voneinander eingelegt werden.
Für besondere Zwecke, z. B. für Halbleiteranordnungen mit besonderen Elektrodenformen, ist es zweckmässig, Masken zwischen die einzelnen Halbleiterscheiben zu legen, wodurch eine Abdeckung der Bereiche erzielt wird, auf welchen keine Abscheidung stattfinden soll. Derartige Masken können beispielsweise aus Glimmer, Graphit, Molybdän, Tantal od. dgl. bestehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus gasförmigen Halogeniden dieses Halbleitermaterials auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur unter Erwärmung des Trägerkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass in einem verschliessbaren Gefäss (2) Halbleiterscheiben (3) unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration abwechselnd aufeinander gestapelt werden, und dass bei Anwesenheit eines mit dem Halbleitermaterial gasförmige Verbindungen bildenden Reaktionsmittels ein Wärmegefälle vom einen zum andern Ende des Stapels erzeugt wird.
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Process for the production of semiconductor arrangements with a single-crystal semiconductor body
The invention relates to a method for producing semiconductor arrangements with a monocrystalline semiconductor body and several layers of different conductivity types or different doping concentrations by monocrystalline deposition of semiconductor material from gaseous halides of this semiconductor material on a carrier body made from semiconductor material of the same lattice structure.
A method for producing a germanium layer on a germanium body has already become known, which is characterized in that a germanium halide in gaseous form is passed over the body mounted in a chamber, the chamber and its contents being heated in such a way that thermal decomposition of the halide takes place (see German patent specification No. 865 160).
According to this known process, a germanium iodide is obtained in such a way that hydrogen is passed over heated iodine and then the resulting iodine-hydrogen is passed over a quantity of germanium, the chamber temperature being kept close to the quantity of germanium at 410 - 4600C.
The germanium iodide is then thermally decomposed on heated germanium bodies, creating a germanium layer. In this way, pn junctions can be produced by adding impurities. The impurity can both be added to the hydrogen gas supplied and also be contained in the amount of germanium which is used to produce the germanium iodide.
A process for the production of pure silicon has also become known (see German patent specification No. 974 625), wherein silicon is volatilized in the presence of silicon halides, and which is characterized in that an optionally pre-purified silicon under the action of silicon halides volatilized at a temperature of about 1000-13000C and deposited as pure silicon at a lower temperature. The silicon halide can be generated directly from silicon and halogen in the reaction space. The silicon halide vapor is circulated, optionally using a carrier gas.
The invention relates to a method for producing semiconductor arrangements with a monocrystalline semiconductor body and several layers of different conductivity types or different doping concentrations by monocrystalline deposition of semiconductor material from gaseous halides of this semiconductor material on a carrier body made of semiconductor material of the same lattice structure with heating of the carrier body.
According to the invention, it is characterized in that semiconductor wafers of different conductivity types or different doping concentrations are alternately stacked on top of one another in a sealable vessel, and that in the presence of a reactant which forms gaseous compounds with the semiconductor material, a heat gradient is generated from one end of the stack to the other.
It turns out that the transport reaction transports semiconductor material from the warmer to the colder semiconductor wafers or in the opposite direction, the impurities in each case
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migrate with them and thereby lead to the deposition of layers of different conductivity types or different doping concentrations. The heat gradient can be generated, for example, by uniformly heating the entire stack of semiconductor wafers in an oven, whereupon the vessel with the stack is slowly pulled out of this oven and thereby cooled to room temperature.
The invention will be discussed in more detail on the basis of exemplary embodiments from which further details and advantages of the method emerge. The drawing shows a device for carrying out the method. Various semiconductor wafers are stacked on top of one another in an elongated vessel 2, for example a quartz tube. The stack 3 can consist, for example, of disks of p-conducting and n-conducting silicon in alternating order. The discs can have a diameter of around 18 mm and a thickness of 2001J. The p-conducting disks can have a specific resistance of 500 ohm cm and be doped with boron, while the n-conducting disks have a resistance of 100 ohm cm and are doped with arsenic.
In the quartz tube, which is 20 mm in diameter and 30 cm long, for example, about 500 disks can be stacked on top of one another.
The silicon wafers are lapped, etched and polished-etched beforehand. A mixture of 40% hydrofluoric acid and fuming nitric acid in a ratio of 1: 1 is expediently used for polishing etching, in which the wafers, etched in a CP etching solution in the usual way, are immersed for a few seconds.
The quartz tube is closed at the bottom and provided with a ground joint at the top, into which a connecting tube 4 is inserted, via which the quartz tube 2 can be evacuated or filled with gas. A cock 5 is used to close this connection 4.
The quartz tube 2 is arranged with the greater part of its length in a furnace 6, which can be an electrical resistance furnace, for example. An induction heating coil can also be arranged in the furnace 6, with the aid of which the contents of the quartz tube 2 are heated. In this case, a second heating source is expediently attached inside the furnace, which is used to preheat the very high-resistance material so that the semiconductor material can draw current by induction. At the bottom of the quartz tube 2, a larger piece of silicon 7 is advantageously arranged, which can serve as a support for the stack 3 and also for preheating.
The procedure will. now carried out in the following way: the quartz tube 2 is connected to a vacuum pump via the connection 4 and evacuated. Then z. B. a silicon halide let into the quartz tube, for example silicochloroform or silicon tetrachloride, expediently, hydrogen is also admitted as a carrier gas, for example silicochloroform and hydrogen in a ratio of 1:12.
The halide is let into the quartz tube in such an amount that, after it has been closed, it is about atmospheric pressure at 1100 C. Of course, other halides, for example bromides or iodides, can also be used, and in the case of germanium, the corresponding germanium compounds.
After the halide has been filled in, the quartz tube is closed or melted with the aid of the tap 5 and the contents of the quartz tube are heated to about 1200.degree. The quartz tube is then pulled up out of the furnace 6, the speed with which the quartz tube 2 is removed from the furnace should be less than 5 mm per minute. Preferably a speed of about 0.5 mm per minute will be used.
When pulling out the quartz tube with the furnace 6 switched on, the upper end of the stack 3 is first cooled, and the desired heat gradient is created from bottom to top, through which the transport reaction occurs. In each case, semiconductor material is removed from the top of the wafers and deposited again predominantly on the underside of the wafers on top. The thickness of the deposited layers depends on the temperature gradient and the duration of the reaction, that is to say essentially on the speed at which the quartz tube 2 is removed from the furnace, and can thereby be regulated.
If necessary, the process can be repeated several times and the thickness of the deposited layers can thereby be increased to the desired extent.
The process described runs - possibly via intermediate stages - according to the following formulas:
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Corresponding formulas result for the corresponding iodides and bromides. It is sufficient, for example, to introduce a small amount of iodine into the quartz tube 2, which already at lower temperatures forms gaseous iodides with the silicon or germanium, via which the transport reaction can take place according to the above formulas.
Another embodiment is also possible, in which the transport from the colder to the warmer semiconductor wafer takes place, for example according to the following formulas:
EMI3.1
In this method, the temperature gradient must be generated within the furnace 6, e.g. B. by a corresponding winding of the resistance heater or the induction coil. After the deposition, a "freezing" of the reached state can then be effected by suddenly switching off.
The advantages of the process are clear. First of all, a relatively large number of semiconductor arrangements can be processed in one operation. Furthermore, the method is particularly economical in that practically all of the semiconductor material introduced is deposited again. Finally, the outlay on equipment can also be described as relatively low.
Smaller spacers, for example quartz crystals, can be introduced between the individual panes of the stack 3, thereby creating a spacing between the individual panes. To those
At points where the quartz grains touch the surface of the semiconductor material, there will be a disruption of the deposited layer, so that it is advisable to divide the semiconductor arrangements obtained in this way, for example to scratch and break them, and then the defective ones
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If necessary, special brackets can be used in the quartz tube, which z. B. also consist of quartz, and in which the semiconductor wafers are inserted at a distance from one another.
For special purposes, e.g. B. for semiconductor arrangements with special electrode shapes, it is useful to place masks between the individual semiconductor wafers, whereby a coverage of the areas is achieved on which no deposition should take place. Such masks can for example consist of mica, graphite, molybdenum, tantalum or the like.
PATENT CLAIMS:
1. A method for the production of semiconductor arrangements with a single-crystal semiconductor body and several layers of different conductivity types or different doping concentrations by single-crystal deposition of semiconductor material from gaseous halides of this semiconductor material on a carrier body made of semiconductor material of the same lattice structure with heating of the carrier body, characterized in that in a closable vessel ( 2) Semiconductor wafers (3) of different conductivity types or different doping concentrations are alternately stacked on top of one another, and that in the presence of a reactant which forms gaseous compounds with the semiconductor material, a heat gradient is generated from one end to the other of the stack.