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Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Anordnung mit einem Halblei- terkörper aus einer Mehrzahl von Schichten aus monokristallinem Halbleitermaterial, die abwechselnd unterschiedliche Leitfähigkeiten haben und durch einen Übergangsbereich voneinander getrennt sind.
Halbleiter-Anordnungen, die aus mindestens zwei durch eine Übergangszone voneinander getrennte Schichten aus Halbleitermaterial mit verschiedenen Leitfähigkeiten bestehen, sind an sich bekannt. Bisher hat man zwei Verfahren entwickelt, um eine Übergangszone oder Verbindungszone in einem Halb- leiterkörper herzustellen. In allen Fällen dient dabei als Ausgangsstoff für die Bildung eines eine Verbindungszone enthaltenden Körpers ein Stoff aus monokristallinem Halbleitermaterial, wie Silizium, Germanium oder eine Verbindung eines Metalls der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V des periodischen Systems der Elemente, z. B. Galliumarsenid, Indiumphosphid.
Der ursprüngliche Halbleiterkörper kann intrinsisch sein, d. h. keine nennenswerten Mengen von Atomen aktiver Verunreinigungen enthalten, die dem Körper den spezifischen Typ eines stromleitenden Stoffes verleihen ; der ursprüngliche Körper kann aber auch aktive Verunreinigungsatome enthalten, die ihm eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit des p-Typs oder des n-Typs verleihen.
Ein übliches Verfahren zur Bildung einer p-n-Verbindungszone in einem Halbleiterkörper ist die sogenannte Legierungs- oder Schmelzmethode. Bei diesem Verfahren wird ein Halbleiterkörper mit einem Ausgangsstoff für Atome einer aktiven Verunreinigung, also beispielsweise im Falle des Siliziums Aluminium, oder im Falle des Germaniums Indium, in Berührung gebracht. Dabei wird eine Scheibe oder Tablette aus Aluminium auf eine Platte aus einem Silizium-Halbleiterkristall des n-Typs gelegt. Das Ganze wird dann auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Aluminium und Silizium, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums, erhitzt.
Hierauf wird der Körper abgekühlt, und es bildet sich durch neues Wachstum ein Bereich von Silizium mit p-Leitfähigkeit, welches den der Löslichkeit beim thermodynamischen Gleichgewicht entsprechenden Gehalt an Aluminium besitzt. Bei diesem Verfahren ist der durch Neuwachstum entstandene Bereich mit p-Leitfähigkeit von dem anfänglichen Körper mit n-Leitfähigkeit durch eine p-n-Übergangszone getrennt. Dieses Legierungsverfahren hat den Nachteil, dass es nicht möglich ist, den Grad der Leitfähigkeit des durch das Neuwachstum gebildeten Bereiches zu steuern, weil die Leitfähigkeit durch die Löslichkeit der aktiven Verunreinigungsatome in dem durch Neuwachstum gebildeten Silizium-Bereich in festem Zustand festgelegt ist und diese Löslichkeit ihrerseits durch die Ausscheidungskonstante von Silizium und Aluminium bestimmt ist.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung von Verbindungszonen ist das Diffusionsverfahren.
Bei diesem wird ein fester oder dampfförmiger Ausgangsstoff für Atorpe einer aktiven Verunreinigung mit dem Halbleiterkörper in Berührung gebracht. Hierauf wird das Ganze bei einer hohen Temperatur, die jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters (d. h. im Falle des Siliziums von 1250 C) liegt, so lange erhitzt, bis die Atome der aktiven Verunreinigung durch physikalische Wanderung und Diffusion durch das Kristallgitter hindurch in den Halbleiterkörper hinein diffundieren. Bezüglich der Anzahl der aktiven Verunreinigungsatome, die in einem vorgegebenen Abstand von dem Anfangspunkt im Innern des Halbleiterkörpers vorhanden sind, und bezüglich des gesamten Diffusionsweges von aktiven Verunreinigungsatomen erfolgt die Diffusion nach einem feststehenden Verteilungsschema.
Dieses Verteilungschema ist für bekannte Halbleiterstoffe und bekannte aktive Verunreinigungen ebenfalls vorbekannt. Die funktionelle Beziehung entspricht dem Fickschen Gesetz und ergänzenden Fehlerfunktionskurven für die
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polygonal angeordneten Schicht aus Halbleitermaterial auf dem Kristall bewirkt.
Vorzugsweise wird das Verfahren nach der Erfindung so geleitet, dass die Oberfläche jeder der Schich- ten sechseckig oder auch quadratisch ist. Gemäss einem besonderen Erfindungsgedanken wird durch die äusserste Aussenschicht eine Mehrzahl von Schnitten ausgewählter Tiefe geführt, um eine Mehrzahl von
Aussenschichtteilen entstehen zu lassen, die voneinander isoliert sind.
Weitere Zwecke und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden aus der nun folgenden Beschreibung hervorgehen.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Fig. 2 - 4 zeigen einen nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugten, langgestreckten, polyedrischen Halbleiterkör- per in verschiedenen Stadien seiner Herstellung. Fig. 5 und 6 erläutern die Herstellung von Halbleiter- elementen aus dem erfindungsgemäss erzeugten Halbleiterkörper. Fig. 7 - 9 zeigen erfindungsgemäss her- stellbare Halbleitervorrichtungen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung. Das glockenartige Gefäss 11 ist abdichtend mit der Grundplatte 12 verbunden und bildet eine geschlossene Reaktionskammer. Innerhalb der Glocke ist eine geeignete Anzahl von Keim- kristallen oder Kernen 14 aus Silizium befestigt. Die Keimkristalle 14 sitzen an ihrem unteren Ende in den elektrisch leitenden Befestigungsklemmen 15 und sind durch die leitende Brücke 16 aus Silizium oder
Graphit miteinander verbunden. Elektrische Leitungen 17 sind an die elektrisch leitenden Klemmen 15 angeschlossen und mit Polklemmen 18 ausgestattet, mit denen eine (nicht dargestellte) elektrische Energiequelle verbunden werden kann, die den Keimkristallen 14 elektrischen Strom zuführt, um sie zu erhitzen.
Die Düse 19 ist eine Eintrittsöffnung für die Reaktionsgase und ragt durch die Grundplatte 12 hindurch ins Innere der Reaktionskammer 11. Die Austrittsöffnung 21 erstreckt sich durch die Grundplatte 12 hindurch und gestattet den Abzug der verbrauchten Reaktionsgase aus der Kammer. Die Düse 19 ist mit der Leitung 22 verbunden, die die Reaktionskammer mit den Ausgangsstoffen für die in die Kammer einzuführenden Dämpfe verbindet. Leitung 23 verbindet die Leitung 22 mit einer Quelle für ein Trägergas 24. Leitung 25 verbindet die Leitung 22 mit einer Quelle für den Dampf eines Halbleiterstoffes 26. Leitung 27 verbindet die Leitung 22 mit einer Quelle für einen Dampf von aktiven Verunreinigungsatomen 28, und Leitung 29 verbindet die Leitung 22 mit einer Quelle für ein Spülgas 30.
Die Ventile 31, 32,33 und 35 dienen zum Öffnen oder Schliessen der betreffenden Leitungen.
Die in Fig. 1 gegebene Darstellung ist natürlich nur schematisch ; in Wirklichkeit können die Leitungen und Ventile zur Zufuhr der Reaktionsgase zur Reaktionskammer viele verschiedene, dem Fachmann bekannte Ausbildungsformen haben.
Unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verläuft das erfindungsgemässe Verfahren folgendermassen : Sobald die Keimkristallkerne 14 in den Klemmen 15 innerhalb der Reaktionskammer 11 befestigt und durch die elektrisch leitende Brücke 16 miteinander verbunden sind, werden die Keimkristalle durch Anschluss der Polklemmen 18 an die (nicht dargestellte) elektrische Energiequelle durch den durch die Kristalle 14 fliessenden Strom erhitzt. Wenn der Strom durch die Kristalle 14 fliesst, steigt ihre Temperatur. Da ein Halbleiterstoff aus Silizium einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten hat, d. h. dem Durchgang des elektrischen Stromes in der Kälte einen hohen Widerstand entgegensetzt, werden die Keimkristalle aus Silizium vorzugsweise anfänglich erhitzt, z.
B. durch eine Quelle strahlender Energie, die durch die Wandungen der Reaktionskammer hindurch einwirkt. Aus Gründen der Einfachheit ist diese Heizvorrichtung in Fig. 1 nicht dargestellt.
Die Keimkristalle 14 sind Einkristalle aus einem Halbleiterstoff, vorzugsweise Silizium. Sie haben normalerweise die Form von Stäben und können durch Ziehen von Kristallen aus einer geschmolzenen Masse von Silizium nach bekannten Methoden gewonnen werden. Natürlich kann man auch Platten oder Tafeln aus einem Einkristall-Halbleitermaterial verwenden, die aus einem durch Zonenraffination gewonnenen Kristall ausgeschnitten und dann durch Oberflächenbehandlung, wie Polieren, Ätzen usw., für das nachfolgende Wachstum eines Einkristalls mit einer glatten Oberfläche versehen worden sind. Eine besondere Orientierung der Kristallflächen in den schliesslich erhaltenen Endprodukten kann erzielt werden, indem man Keimkristalle der entsprechenden kristallographischen Struktur verwendet.
Häufig haben die erfindungsgemäss erzeugten polyedrischen Siliziumkristalle in der Längsrichtung verlaufende Kristallflächen, die in der (111)-Ebene orientiert sind. Dies erzielt man, indem man den anfänglichen Keimkristall so herstellt, dass die Summe der Miller-Indizes der zur Längsachse des Ausgangselementes quer verlaufenden Ebene gleich Null ist, z. B. die (211)-Ebene, was wieder in an sich bekannter Art durch entsprechende Orientierung des kleinen Kristalls erzielt werden kann, der zum Ziehen des Keimkristalls verwendet wird. Bei spezifischen Orientierungen der Keimkristalle, wie oben beschrieben, bildet sich bei
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Das Gasgemisch aus Silicochloroform, Bortrichlorid und Wasserstoff wird dann aus der Reaktionskam- mer entfernt. Zum Ausspülen des Systems und zur Entfernung der unerwünschten Boratome, die noch im
InnerenderReaktionskammervorhandensind, wird einDampf ausSiliziumtetrachlorid und Wasserstoff ver- wendet. Man lässt den Wasserstoff mit einer Geschwindigkeit von etwa 5,5 l/min durch die Kammer strö- men, und der Wasserstoff enthält etwa 6 g Siliziumtetrachlorid je Minute, während die Temperatur der Kristalle auf etwa 12500C gehalten wird.
Nach dem Ausspülen wird die Temperatur des Kristalls auf etwa 11700C herabgesetzt und in die Reaktionskammer unter den oben angegebenen Bedingungen ein Reaktionsgasgemisch eingeführt, welches
240 g/h Silicochloroform, 330 l/h Wasserstoff und genügend Phosphortrichlorid enthält, um 1014 Träger je cm3 Silizium zu liefern. Hiedurch entsteht eine Abscheidung von 10 bis 11 g/h. Diese Bedingungen werden etwa 30 min innegehalten, wobei man eine 0, 152 mm starke Halbleiter-Einkristallschicht von n-Leitfähigkeit mit einem spezifischen Widerstand von etwa 45 Ohm. cm erhält. Diese Einkristallschicht mit n-Leitfähigkeit ist von der zuvor abgeschiedenen Schicht mit p-Leitfähigkeit durch einesehr scharfe, gut definierte pn-Übergangszone getrennt.
Sobald die 0, 152 mm starke Halbleiterschicht von verhältnismässig hohem Widerstand und n-Leitfähigkeit abgeschieden ist, wird die Konzentration an Phosphortrichlorid erhöht, um etwa 1018 Träger je cm Silizium zuliefern und auf diese Weise eine Halbleiterschicht mitn -Leitfähigkeit und einem Widerstand von etwa 0,01 Ohm. cm zu erzeugen. Die Dicke dieser n+ -Schicht ist nicht kritisch, da diese Schicht hauptsächlich den Zweck hat, einen ohmschen Widerstandskontakt mit der zuvor abgeschiedenen n-Schicht von hohem Widerstand herzustellen. Zwischen den Siliziumschichten mit n-Leitfähigkeit und mit n+-Leitfähigkeit bildet sich aber eine deutliche Übergangszone aus.
Nun wird das Reaktionsgas aus der Reaktionskammer entfernt, und man lässt die Kristalle mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000C/min erkalten, worauf sie ebenfalls aus der Reaktionskammer entfernt werden.
Ersichtlich gelingt es im Rahmen der Erfindung, jede beliebige Anzahl von Schichten mit verschiedenen Leitfähigkeiten unter Einschaltung von Übergangsbereichen zwischen den Schichten herzustellen, und wenn sich erst einmal der polygonale Kristallquerschnitt zu Anfang gebildet hat, sind in jedem Falle alle Schichten und die dazwischen befindlichen Übergangszonen polygonal um den Kern, um etwaige unter den Schichten befindliche Unterschichten bzw. um die Übergangszone herum ausgebildet. Das einfachste erfindungsgemäss hergestellte Gebilde ist in Fig. 4 dargestellt, wo die zuerst abgeschiedene Schicht mit 41, die zweite abgeschiedene Schicht mit 43 und die Übergangszone zwischen den Schichten 41 und 43 mit 42 bezeichnet ist. Ein etwas komplizierter zusammengesetztes Gebilde im Rahmen der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt.
Beim Arbeiten im Sinne der Erfindung ist es möglich, Halbleiterkörper mit einer Mehrzahl von Schichten von unterschiedlichen Leitfähigkeiten herzustellen, bei denen die Breite einer jeden Schicht genau gesteuert werden kann. Wenn es sich um Schichten mit Leitfähigkeiten verschiedener Typen handelt, kann man auf diese Weise den Übergangsbereich oder die Verbindungszone in eine genau festgelegte Stellung in dem Halbleiterkörper bringen. Ebenso ist es möglich, jede beliebige Schicht in jeder beliebigen, zur Übergangszone parallelen Fläche mit jeder beliebigen Leitfähigkeit auszustatten, indem man die Konzentration des dampffähigen Ausgangsstoffes für die Atome der aktiven Verunreinigung in dem in die Reaktionskammer einströmenden Gasgemisch bei der Bildung der Schicht variiert.
Die Vorteile der hiedurch bedingten vielseitigen Steuerungsmöglichkeiten im Vergleich mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Übergangszonen liegen auf der Hand.
Bei einem Körper, bei dem der Übergangsbereich durch Diffusion hergestellt ist, richtet sich das Leitfähigkeitsgefälle nach dem Fikschen Gesetz. Bei den erfindungsgemäss hergestellten Halbleiterkörpern'kann das Leitfähigkeitsgefälle in der Schicht nach Wunsch durch die Konzentration des Dampfes der aktiven Verunreinigung in dem Gasstrom variiert werden. Bei einem Körper, dessen Übergangszone nach dem Legierungsverfahren hergestellt ist, ist die Tiefe des durch Neuwachstum gebildeten Bereiches (der eine Schicht des Halbleiterkörpers darstellt) durch die Menge an Halbleiter begrenzt, die ursprünglich bei der Bildung des eutektisclien Gemisches mit der aktiven Verunreinigung gelöst wurde. Wenn die Lebensdauer nicht ernsthaft beeinträchtigt werden soll, darf die Dicke der Zone des Neuwachstums nur sehr klein sein.
Bei den gewöhnlichen Verfahren zur Herstellung der Übergangszone durch Kristallwachs- tum durch Ziehen eines Kristalls aus einer durch ein Zusatzmittel modifizierten Schmelze und weiteres Ziehen aus einer durch ein Zusatzmittel von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp modifizierten Schmelze sind, mit Ausnahme der ersten durch Wachstum erzeugten Schicht, nichtkompensierte Leitfähigkeitsschichten von niedriger Leitfähigkeit nicht möglich. Anderseits ermöglicht es die Erfindung, eine intrinsische Schicht von bestimmter Breite an fest jedem gewünschten Punkt in das Gebilde einzuführen,
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