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ÖSTERREICHISCHES PATENTAMT Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, wie z. B.
Transistoren und Kristalldioden, wobei ein Stab halbleitenden Materials quer zu seiner Längsrichtung in Platten geteilt wird. die durch Schnitte, deren Schnittebenen etwa senkrecht auf den Schnittebenen des ersten Trennvorganges stehen, weiter in Scheiben geteilt werden. Diese Scheiben können dann durch An- bringung von Elektroden zu Halbleitervorrichtungen verarbeitet werden.
Die so hergestellten Platten sind rechteckig oder quadratisch. Es ist auch bekannt, kreisförmige Schnitte in den Platten zu machen, so dass runde Scheiben gebildet werden. In keinem dieser beiden Fälle ist es möglich, die Platten, die gewöhnlich eine runde oder ellipsenförmige Gestalt haben, vollkommen auszunutzen. Beim Ausschneiden rechteckiger oder quadratischer Scheiben treten insbesondere an den Aussenseiten der Platten Verluste auf ; beim Ausschneiden runder Scheiben treten diese Verluste ausserdem zwischen den Scheiben selbst auf. Diese Verluste sind umso grösser. je kleiner die Anzahl der aus einer Platte zu schneidenden Scheiben ist.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Stäbe aus Halbleitermaterial so dünn zu machen, dass die daraus erhaltenen Platten zur Herstellung einer einzigen Halbleitervorrichtung angemessen sind. Bei diesem Verfahren treten nur Verluste beim Sägen des Stabes zu Platten auf. Zu beachten ist jedoch, dass der Preis von Halbleiterstäben im wesentlichen durch die Zeit bedingt wird, während der die Herstellungsapparatur beansprucht wird. Bei den üblichen Herstellungsverfahren wie z.
B. bei dem tiegellosen oder nicht tiegellosen Zonenreinigen und beim Kristallziehen ist diese Zeit nur wenig von der Stärke der Stäbe abhängig, so dass ein dünner Stab pro Gewichtseinheit bedeutend teurer ist als ein dicker Stab,
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die rechteckige oder runde Gestalt der Scheiben für verschiedene Halbleitervorrichtungen nicht notwendig ist und sogar ungünstig sein kann.
Gemäss der Erfindung werden die Platten durch Anbringung radialer Sägeschnitte in Sektoren geteilt, die zu Halbleitervorrichtungen verarbeitet wer den. Es sei bemerkt, dass die Ausdrücke "radial" und "Sektor" hier nicht im rein mathematischen Sinne verwendet werden, aber bei annähernd runden oder ellipsenförmigen Platten auf gleiche Weise wie bei kreisförmigen Platten aufgefasst werden sollen.
Durch die Verteilung in Sektoren wird Materialverlusten weitgehend vorgebeugt.
Die Platten lassen sich in Sektoren teilen, bevor weitere Vorgänge zur Erzeugung von Halbleitervorrichtungen, wie z. B. Diffusionsbehandlungen, Anbringung von Elektroden und Ätz- oder Schleifvorgänge, durchgeführt werden. Gemäss der Erfindung werden die Platten jedoch vorzugsweise in Sektoren geteilt, nachdem sie bereits mit Einzelteilen der Halbleitervorrichtungen versehen sind. Diese Einzelteile sind z. B. Halbleiterzonen mit einem andern Leitfahigkeitstyp oder einer andern Leitfähigkeit als der des Materials der Platten, Elektroden und Ausnehmungen oder andere besonders gestaltete Teile, die z. B. durch Ätzen oder Schleifen erhalten werden. Diese Einzelteile werden vorzugsweise symmetrisch auf den Platten angebracht.
Es sei hier bemerkt, dass es bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen bekannt ist, eine Platte oder einen Streifen aus Halbleitermaterial mit solchen Einzelteilen zu versehen und darauf in Scheiben zu teilen. Gewöhnlich werden diese Einzelteile in Reihen angebracht und die Platten oder Streifen werden senkrecht zu den Reihen durchgeschnitten, Werden die Platten jedoch in Sektoren geschnitten, nachdem
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sie mit Einzelteilen versehen worden sind, so kann durch zweckdienliche Koordination der Einzelteile und der Schnitte in verschiedener Hinsicht eine Verbesserung des Herstellungsverfahrens erzielt werden. Die wird weiter unten an Hand von Beispielen erläutert.
Bei einer bevorzugtenAusführungsformderErfindungkönnen Elektroden derart angeordnet werden, dass sich auf einem Sektor mindestens zwei Elektroden in verschiedenen Abständen vom Mittelpunkt der Sekto- ren befinden und die grösste der Elektroden in einem grösseren Abstand von diesem Mittelpunkt liegt als eine kleinere Elektrode.
Die Erfindung eignet sich somit vorzüglich zur Durchführung bei Halbleitervorrichtungen, die eine solche Konfiguration aufweisen, was bei steuerbaren Gleichrichtern der Fall ist.
Die Erfindung lässt sich jedoch auch bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen anwenden, bei denen die Gestalt der Elektroden von untergeordneter Bedeutung ist, wie z. B. bei Diffusionsdioden.
Die Erfindung und weitere bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht werden.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in einer perspektivischen Ansicht zwei Stäbe aus Halbleitermaterial, welche das Ausgangsprodukt bilden. Die Fig. 3-8 veranschaulichen, auf welche Weise Sektoren aus einer Platte geschnitten werden können. Die Fig. 9 - 14 und Fig. 16 zeigen verschiedene Herstellungsstufen für einen steuerbaren Gleichrichter im Schnitt. Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 16 und
Fig, 17 zeigt eine Unteransicht dieser Vorrichtung. Fig. 18 zeigt einen steuerbaren Gleichrichter in einer schaubildlichen Ansicht. Die Fig. 19 - 25 zeigen die verschiedenen Herstellungsstufen für einen Diffusions- gleichrichter.
Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Halbleitervorrichtung werden im allgemeinen Halbleiter- stäbe 1 mit einem annähernd runden Querschnitt nach Fig. 1 verwendet, die durch Aufziehen aus einer
Schmelze oder durch tiegelloses Zonenschmelzen erhalten werden können. Solche Stäbe bestehen z. B. aus Germanium oder Silicium ; sie können sogenannte aktive Verunreinigungen enthalten, die ihre Leit- fähigkeit und/oder ihren Leitfähigkeitstyp bedingen. Ein Stab 2 mit einem mehr oder weniger ellipsen- förmigen Querschnitt, der durch Zonenreinigung in einem Schiffchen erhalten werden kann, ist ir Fig. 2 dargestellt.
Aus solchen Stäben werden Platten 3 bzw. 4 durch Sägen in einer zur Längsrichtung der Stäbe senk- rechten Richtung hergestellt. Diese Platten 3 werden zu kleineren Scheiben verarbeitet, indem radiale
Schnitte 5, Fig. 3-5, angebracht werden, so dass sektorförmige Scheiben 6 entstehen, die in der Reihen- folge der Fig. 3, 4 und 5 die Mittelpunktswinkel von 120 , 90 bzw. 600 haben.
Zum Vergleich sind in den Fig. 3,4 und 5 durch Schraffierung die Materialverluste angedeutet, die beim Ausschneiden der gestrichelt gezeichneten runden oder quadratischen Scheiben vergleichbarer Grösse auftreten würden.
Die radialen Schnitte können z. B. durch Sägen oder Schleifen oder auch durch Kerben und Brechen angebracht werden.
Ellipsenförmige Platten, die aus dem in Fig. 2 dargestellten Stab geschnitten werden können, lassen sich auf die in den Fig. 6-8 veranschaulichte Weise in Sektoren teilen. Auch in diesen Figuren sind ver- gleichsweise die Materialverluste angedeutet, die auftreten würden, wenn aus diesen Platten runde oder quadratische Scheiben geschnitten werden.
Obgleich auf diese Weise eine Materialersparnis erzielt werden kann, lassen sich in besonderen Fällen weitere Vorteile erzielen.
Ein weiterer Vorteil der sektorförmigen Scheibenteile ist der, dass die grösste Abmessung dieser Teile
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Teile sind wegen ihrer kleinen Abmessungen während des Herstellungsverfahrens schwierig zu behandeln, so dass eine Vergrösserung einer Abmessung der Teile, ohne Materialverluste, sehr erwünscht ist.
Weiter ist bei der Herstellung rechteckiger oder runder Scheibenteile die Gesamtlänge der benötigten Schnitte grösser als bei der Herstellung sektorförmiger Scheibenteile (s. die Fig. 6-8), so dass in dieser Hinsicht die Herstellung sektorförmiger Scheibenteile einfacher ist.
Bemerkt wird noch, dass es sich aus der Praxis ergeben hat, dass die Radialschnitte maschinell einfach herzustellen sind und dass die inneren Teile an den Spitzen der Radialschnitte kaum zum Abbrechen neigen, wenn die sektorförmigen Teile mit Vorsicht behandelt werden. In der Halbleitertechnik ist es schon üblich, die Scheibenteile sehr sorgfältig zu behandeln, so dass beim Verfahren gemäss der Erfindung kaum eine grössere Vorsicht als beim bekannten Verfahren notwendig ist.
Als erstes Beispiel sei nach dem erfindungsgemässen Verfahren die Herstellung eines steuerbaren Gleichrichters beschrieben.
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Als Ausgangsmaterial dient ein Siliciumstab 1 (Fig. l) des n-Typs mit einem Durchmesser von 18 mm und einem spezifischen Widerstand von 20 Ohm. cm. Aus diesem Stab werden Platten 11 (Fig. 9) mit einer
Stärke von 30011 gesät, die in einem Ofen 5 Stunden lang bei 12000C in pulverigem Aluminiumoxyd (AI 0) erhitzt werden, wodurch eine Oberflächenschicht 12 des p-Typs mit einer Stärke von 40 li ent- steht, was in Fig. 9 schematisch angedeutet ist. Diese Behandlung wird in einer sauerstofffreien Umge- bung, z. B. in Wasserstoff durchgeführt. Anschliessend wird eine kurzzeitige Erhitzung in Anwesenheit einer kleinen Menge Sauerstoff durchgeführt, wodurch auf der Schicht 12 eine dünne Siliciumoxydschicht
13 erzeugt wird (Fig. 10).
Zwei Teile der Plattenoberfläche werden dann mit einer Schicht Apiezonwachs überzogen, d. h. ein runder, zentraler Teil 14 auf der oberen Fläche und teilweise längs des Randes und auf der unteren Fläche, so dass nur ein ringförmiger Randstreifen 16 auf der oberen Fläche unbedeckt bleibt (Fig. 11),
Die Platte 11 wird darauf in konzentrierter Fluorwasserstoffsäure geätzt, wodurch die Oxydschicht bei
16 weggenommen wird. Darauf wird das Apiezonwachs entfernt (s.
Fig. 12),
Die Platte 11 wird während einer Stunde in einer phosphorhaltigen Atmosphäre erhitzt, wodurch sich nur an der Stelle des ringförmigen Randstreifens 16 eine Halbleiterschicht 17 bildet, die n-Leitfähigkeit aufweist, da diejenigen Teile der Platte, die mit Siliciumoxyd überzogen sind, gegen die Einwirkung des Phosphors maskiert sind (Fig. 13),
DiePlatte 11 wird wieder in einem Bad konzentrierter Fluorwasserstoffsäure geätzt, wodurch die verbleibenden Teile dei Oxydschicht 5 weggenommen werden (Fig. 14).
Die Platte wird darauf in eine nicht dargestellte Lehre oder Formlehre eingeführt und mit drei Kränzen von je sechs Elektroden versehen. Auf dem Teil 17, der n-Leitfähigkeit aufweist, werden sechs Elektroden 18 festgeschmolzen. Ein zweiter Kranz von sechs Elektroden 19 wird zu den Elektroden 18 (s. die Fig. 15, 16) konzentrisch auf demjenigen zentralen Teil der oberen Fläche der Platte 11 festgeschmolzen, der n-Leitfähigkeit aufweist. Schliesslich werden auf der unteren Seite dieser Scheibe wieder sechs Elektroden 20 festgeschmolzen (Fig. 17). Diese Elektroden 18, 19 und 20 bestehen alle aus einer Bleilegierung mit 10/0 Nickel, welche Legierung in diesem Falle einen neutralen Kontakt liefert, d. h. ein Kontakt, der weder in Verbindung mit dem p-Typ Material noch in Verbindung mit dem n-Typ Material gleichrichtende Wirkung hat.
Das Aufschmelzen der Elektroden erfolgt z. B. in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1000 C, während fünf Minuten. Dabei werden vorzugsweise der Halbleiterkörper und die Mengen Legierungsmaterial zunächst gesondert erhitzt und darauf miteinander in Berührung gebracht.
Gleichzeitig werden die Elektroden 20 mit sektorförmigen Platten 21 aus zunächst verkupfertem und darauf mit Gold überzogenem Molybdän abgedeckt, welches Material annähernd den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat wie Silicium und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. An den Elektroden 19 und 20 werden Zuführungsleiter 22 und 23 befestigt.
Die sechs auf der Scheibe 11 gebildeten, steuerbaren Gleichrichter können darauf getrennt werden.
Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass mittels eines Diamanten längs dreier Mittellinien zwischen den Elektroden Einkerbungen angebracht werden, worauf die Platte 11 zerbrochen wird. Die Platte kann auch durchgesägt oder mit einem Ultraschallverfahren durchgeschnitten werden.
Ein auf diese Weise erhaltener, steuerbarer Gleichrichter ist in Fig. 18 perspektivisch veranschaulicht und es ist ohne weiteres deutlich, dass in diesem Fall eine rechteckige Scheibe mit den Elektroden 18 und 19 grösser sein muss als die benützte sektorförmige Scheibe. Dieser Gleichrichter kann auf die übliche Weise in einer Hülle untergebracht werden.
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mit wenig Verlusten ausgenützt wird, sondern dass auch die Anbringung der Halbleiterschichten 12 und 17 und das Aufschmelzen der Elektroden für die sechs gebildeten, steuerbaren Gleichrichter nur wenig längere Zeit beansprucht, als für die Herstellung eines einzigen Gleichrichters dieser Art erforderlich ist.
Ein weiteres Beispiel einer Halbleitervorrichtung, die sich vorteilhaft durch das Verfahren nachder Erfindung herstellen lässt, ist eine Diffusionsdiode, wie an Hand des folgenden Beispieles erläutert wird.
Aus einem Siliciumstab des p-Typs mit einem spezifischen Widerstand von 200 Ohm. cm und einem Durchmesser von 22 mm werden Platten 30 mit einer Stärke von 500 11. gesägt (Fig. 19).
Sie werden in Anwesenheit von Phosphor und Sauerstoff 16 Stunden lang bei einer Temperatur von 12800C behandelt, wodurch sich auf der Oberfläche eine Siliciumschicht 31 des n-Typs mit einer Stärke von etwa 5011. bildet. Gleichzeitig bildet sich auf der Oberfläche eine Haut 32 aus Siliciumdioxyd und Phosphorpentoxyd.
Die Platte wird darauf auf der oberen Seite so weit abgeschliffen, bis die Haut 32 und die Silicium-
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schicht 31 örtlich verschwunden sind (s. Fig. 20).
Die Platte 30 wird darauf in Anwesenheit von Bortrichlorid BC"und Stickstoff wieder 16 Stunden lang auf 12800C erhitzt, wodurch sich auf der oberen Seite eine niederohmige Schicht 33 aus Silicium des p-Typs bildet, die eine Stärke von 30 M hat, während die Siliciumschicht 31 des n-Typs weiter bis zu einer Tiefe von etwa 75 g eindiffundiert. Das Bor dringt praktisch nicht durch die Oxydschicht 32 hindurch.
Dann werden beide Seiten der Platte 30, insbesondere auf der unteren Seite zum Entfernen der Haut 32 abgescheuert, wodurch endgültig eine Platte mit einer Stärke von etwa 400 u mit einer p+pn-Struktur gebildet wird (s. Fig. 21).
Darauf wird die Platte in ein sogenanntes"Electroless"Vemickelbad nach A. Brenner und G. E. Riddell (Proceedings of the Electroplaters'Society) Juni 1946, Seiten 23-33, und Juni 1947, Seiten 156-170, eingeführt, welches Bad Nickelchlorid NiCl 6 aq = 30 g Natriumhypophosphit NaH PO = 10 g Ammoniumchlorid NH4Cl = 50 g Natriumzitrat NaC H 0 5, 5 aq = 100 g Wasser bis 1000 g enthält. Der PH-Wert der Lösung beträgt 8 - 9.
Die Platte 30 bleibt etwa 15 min lang in. diesem Bad, das auf 900C erwärmt wird ; danach ist die Platte von einer Nickelschicht umgeben, deren Haftung am Silicium durch eine Erhitzung während einer Stunde auf 7000C verbessert wird (Fig. 22).
DiePlatte wird darauf zwischen zwei Gummistempel 35 (s. Fig. 23) gebracht. die auf der oberen und der unteren Seite anliegen, aber den Rand frei lassen, worauf die Platte in einem Ätzbad aus konzentrierter Flusssäure HF und Salpetersäure HNO behandelt wird. In diesem Bad wird die Platte 30 von dem Randteil der Schicht 31 aus n-Typ Silicium und von den Rändern der Nickelschicht 34 und von Oxydresten der Schicht 32 befreit (s. Fig. 24).
Die Platte wird darauf z. B. in vier Sektoren 36 zersägt (s. Fig. 25), die weiter auf übliche, für die Erfindung unwesentliche Weise mit Stromzuführungsgliedern versehen werden können. Materialverlusten wird hiebei weitgehend vorgebeugt.
Auch in diesem Falle zeigt es sich, dass durch die Verwendung der Sektorform sehr wenig Material verloren geht.
PATENT ANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, wie z. B. Transistoren und Kristalldioden, wobei ein Stab halbleitenden Materials quer zu seiner Längsrichtung in Platten geteilt wird, worauf diese Platten durch Schnitte, deren Schnittebenen auf den Schnittebenen des ersten Trennvorganges etwa senkrecht stehen, weiter in Scheiben geteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnitte des zweiten Trennvorganges radial geführt werden, wodurch die Platten in sektorförmige Scheiben geteilt werden, die zu Halbleitervorrichtungen verarbeitet werden.