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Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer einander gleichender monokristalliner Halbleiterkörper
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer einander gleichender monokristalliner Halbleiterkörper, in denen mehrere monokristalline Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeit durch einen Übergangsbereich voneinander getrennt sind.
Vorrichtungen zur Herstellung derartiger Körper, bei denen mindestens zwei Schichten aus Halbleitermaterial unterschiedlicher. Leitfähigkeit durch eine Übergangszone voneinander getrennt sind und bei denen eine Reaktionskammer benutzt wird, in der sich ein zersetzbarer dampfförmiger Ausgangsstoff für Halbleiteratome und Atome einer aktiven Verunreinigung befinden, sind an sich bekannt.
Bisher sind drei verschiedene Verfahren zur Herstellung einer. Übergangszone in einem Halbleiterkörper entwickelt worden, die von dem Gesichtspunkt der technischen Reproduzierbarkeit aus gesehen als erfolgreich zu betrachten sind. In allen Fällen dient zur Herstellung der Halbleiterkörper als Ausgangsstoff für einen Körper, der eine Übergangszone enthält, ein Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial, wie Silizium, Germanium oder eine Verbindung eines Elements der Gruppe III mit einem Element der Gruppe V des periodischen Systems der Elemente, wie Galliumarsenid, Indiumphosphid usw. Ber als Aus- gangsgutdienende Halbleiterkörper kann artrein sein, d. h. keine nennenswerten Mengen von Atomen einer aktiven Verunreinigung enthalten, die dem Körper eine elektrische Leitfähigkeit eines bestimmten Typs verleihen ;
der als Ausgangsgut dienende Körper kann aber auch Atome einer aktiven Verunreinigung enthalten, die ihm eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit vom Typ P oder N verleihen.
Eine bekannte Methode zur Herstellung einer P-N-Übergangszone in einem solchen Halbleiterkörper
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Schmelzverfahren.(im Falle des Germaniums), in Berührung gebracht. Dabei wird eine Scheibe oder ein Stück aus Aluminium auf eine Platte aus einem Silizium-Halbleiterkristall mit der Leitfähigkeit N aufgelöst. Das Ganze wird dann auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur für Aluminium und Silizium, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums, erhitzt. Hierauf wird der Körper gekühlt, wobei sich ein Rekristallisationsbereich aus Silizium mit P-Leitfähigkeit bildet, der einen Aluminiumgehalt entsprechend der Löslichkeit beim thermodynamischen Gleichgewicht aufweist. Bei diesem Verfahren entsteht ein rekristallisierter.
Bereich mit P-Leitfähigkeit, der von dem N-Leitfähigkeit aufweisenden Ausgangskörper durch eine P-N-Übergangszone getrennt ist. Bei diesem Legierungsverfahren ist es nicht möglich, den Grad der Leitfähigkeit des Rekristallisationsbereichs zu steuern, da die Leitfähigkeit durch eine Löslichkeit der Atome der aktiven Verunreinigung in dem rekristallisierten Siliziumbereich in festem Zustand festgelegt ist, die ihrerseits durch die Abscheidungskonstante von Silizium und Aluminium bestimmt ist.
Das zweite bekannte Verfahren zur Bildung von Übergangszonen ist das Diffusionsverfahren. Bei diesem wird ein fester oder dampfförmiger Ausgangsstoff für Atome einer aktiven Verunreinigung mit dem Halbleiterkörper in Berührung gebracht. Das Ganze wird dann auf eine hohe Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegt, für eine lange Zeitdauer erhitzt, so dass die Atome der aktiven Verunreinigung durch physikalische Wanderung und Diffusion durch das Kristallgitter in den Halbleiterkörper hineindiffundieren können.
Durch Diffusion erzeugte Übergangszonen haben mit den nach dem Legierungsverfahren erzeugten Übergangszonen den Nachteil gemeinsam, dass die Anzahl und die räumliche Lage der Atome. der aktiven Verunreinigung in dem Halbleiterkörper nicht nach Belieben geändert werden
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können, da die Atome der aktiven Verunreinigung in einer durch Diffusion erzeugten Übergangszone not- wendigerweise einer physikalischen Verteilung folgen müssen, die durch den das Verfahren Durchführenden nicht beeinflussbar ist. Diese Verteilungskurve macht es auch schwierig, eine scharfe Übergangszone in dem Halbleiterkörper in eine genau bestimmte Lage zu bringen.
Eine dritte Methode zur Bildung einer Übergangszone in einem Halbleiterkörper ist das bekannte Kristallzüchtungsverfahren. Im Gegensatz zu dem Legierungs- und dem Diffusionsverfahren wird beim Kristallzüchtungsverfahren zur Herstellung von Übergangszonen der Kristall aus dem halbleitenden Stoff zusammen mit eingeschlossenen Atomen der aktiven Verunreinigung durch Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze auf bekannte Art gebildet. Bei diesem Verfahren bildet sich die Übergangszone an irgendeiner Stelle in dem gezüchteten Kristall quer zur Kristallbildungsachse, und es. ist eine besondere Ausrüstung erforderlich, um die Übergangszone an einen gewünschten Punkt zu lokalisieren.
Da für die Herstellung von Halbleiterkörpern normalerweise verhältnismässig dünne Schichten von Halbleitermaterial mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten mit einer dazwischenliegenden Übergangszone benötigt werden, entsteht bei diesem Verfahren auf beiden Seiten der Übergangszone ein beträchtlicher Überschuss an Halbleitermaterial, was natürlich eine Verschwendung bedeutet. Diese Methode der Bildung von Übergangszonen hat daher technisch keine besondere Bedeutung erlangt.
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Oberfläche praktisch völlig eben ist.
Es ist zwar bereits eine Vorrichtung zum Eindiffundieren von Fremdstoffen in einen Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder ähnlichen Halbleitermaterialien bekannt, in welcher der Halbleiterkörper üblicher Abmessungen und die Fremdstoffe in einem durch direkten Stromdurchgang oder induktiv erhitzten abgeschlossenen Rohrofen aus leitendem Material zusammen auf die Diffusionstemperatur erhitzt werden, und bei welcher der Rohrofen ganz in einem zweiten Rohr angeordnet ist, welches während des Diffusions- vorgaI1gsgekUhltwird. Dort besteht der Rohrofen aus einem Graphitrohr, das wendelförmig eingesetzt ist.
Mit dieser Vorrichtung lassen sich aber nur kleine Halbleiterplättchen herstellen.
Die Anordnung von monokristallinem Halbleitermaterial in Form von mehreren kleinen Scheiben hat man in derartigen Vorrichtungen auch schon vorgeschlagen, gelangte aber auch hier nur zu kleinen scheibenförmigen Körpern.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss bei Anwendung einer Vorrichtung vermieden, deren wesentlichstes Merkmal darin besteht, dass der Träger mehrere Fassungen zur Aufnahme von Platten aus mono-' kristallinem Halbleitermaterial aufweist, welches einen bestimmten Leitfähigkeitstyp und einen bestimm - ten Leitfähigkeitsgrad aufweist, und dass in der Reaktionskammer sich eine Anordnung befindet, welche dazu dient, den Dampf -eine turbulente Strömung um die erhitzten Platten herum ausführen zu lassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung besteht der Träger aus Silizium, und in die Vorrichtung ist eine besondere Anordnung eingebaut, die dazu dient, den Träger vor dem Hindurchleiten des elektrischen Stromes durch strahlende Wärme zu erhitzen.
Der wesentlichste Vorteil der neuen Vorrichtung besteht darin, dass man einen äusserst widerstandsfä- higen Träger benutzen kann, der in der Lage ist, mehrere Platten aus monokristallinem Halbleitermaterial durch Wärmestrahlung äusserst wirksam zu erhitzen, wobei die gleichzeitige Herstellung mehrerer einander gleichender Halbleiterkörper leicht und einfach möglich ist. Die in der Vorrichtung hergestellten Halbleiterkörperhaben sehr glatte und praktisch ebene Oberflächen, obwohl sie relativ sehr grosse Abmessungen haben.
ZurnäherenErläuterungder Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung ist :
Fig. 1 die Ansicht eines Längsschnitts durch die Vorrichtung nach der Erfindung. Fig. 2 die Ansicht eines Querschnitts durch die Erfindung nach einer Schnittebene, die senkrecht auf der Schnittebene steht, die dem Längsschnitt nach Fig. 1 zugrundeliegt, Fig. 3 und 4 je ein Halbleiterkörper, wie er in der Vorrichtung nach der Erfindung gewonnen wird, und Fig. 5 und 6 eine schaubildliche Darstellung bzw. eine Seitenansicht eines zusammengesetzten Halbleiterkörpers, wie er-mit Hilfe der Vorrichtung nach der Erfindung herstellbar ist.
Wie die Fig. 1, 2 der Zeichnung erkennen lassen, besteht die Reaktionskammer aus einem Röhrenkolben 10, der abdichtend auf eine Grundplatte 11 aufgesetzt ist und mit dieser zusammen die geschlossene Reaktionskammer bildet. Im Innern der Kammer sind die elektrisch leitenden Träger 12 mit verhältnismässig hohem spezifischem Widerstand untergebracht, welche Fassungen 13 für die Platten 14 aufweisen. Die Träger 12 sind an ihrem unteren Ende in die elektrischen Anschlussstücke 15 eingesetztund an ihrem oberen Ende durch eine elektrisch leitende Brücke 16 miteinander
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verbunden. Elektrische Leitungen 17 führen von den Anschlussstücken 15 über die Klemme 18 zu einer (nicht dargestellten) elektrischen Stromquelle.
Der aus der Stromquelle kommende und die Träger 12 durchfliessende elektrische Strom erhitzt die Träger. Im Innern der Reaktionskammer ist ausserdem noch eine Düse 19 angeordnet, deren oberes Ende etwa dem unteren Ende der Träger 12 gegenüberliegt. Eine Austrittsleitung 21 geht durch die Grundplatte 11 hindurch und dient zum Abziehen der verbrauchten Reaktionsgase aus der Kammer. Die Düse 19 steht mit der Leitung 22 in Verbindung, die an die Vorratsbehälter für die in die Reaktionskammer einzuleitenden Dämpfe angeschlossen ist. Die Leitung 23 verbindet die Leitung 22 mit einem Vorratsbehälter 24 für ein Trägergas. Eine Leitung 25 stelltdieVerbindungvonderLeitung 22 zu einem Vorratsbehälter 26 her, in welchem sich
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dampfförmiges Ausgangsgut aus Halbleitermaterial befindet.
Die LeitungstellteineLeitung 29 dieVerbindungderLeitung 22 miteinerQuelle 30 fürSpülgasher. Die Ventile 31, 32, 33 und 34 dienen dazu, die Leitungen einzeln zu öffnen und zu schliessen. Die Träger 12 bestehen, wie oben bereits erwähnt, aus einem elektrisch leitenden Werkstoff von hohem spezifischem Widerstand, der durch den Stromdurchgang erhitzt wird. Hiefür eignen sich Stoffe. wie Silizium, leitende keramische Stoffe wie Siliziumkarbid, Graphit oder hitzebeständige Metalle wie Tantal, Molybdän oder Titan. Natürlich müssen die Träger aus einem Werkstoff bestehen, der keine Verunreinigungsatome enthält oder wenigstens keine Verunreinigungsatome in die Kammer gelangen lässt.
Die Abmessungen der Träger müssen so gross sein, dass an ihrer Oberfläche die Fassungen oder Aufnahmebehälter 13 für die zu behandelnden Platten 14 angebracht werden können. Normalerweise werden mehrere Aufnahmebehälter verwendet, die z. B. einen Durchmesser von jeweils 25, 4 mm und eine Tiefe von 1, 27 mm haben können. Die Platten 14 können auf beliebige Weise durch Abschneiden von im Handel erhältlichen, durch Zonenraffination gebildeten Halbleiter-Einkristallen hergestellt sein. Die Platten werden so geschnitten, dass dieOberfläche, die behandelt werden soll, nach einer bestimmten kristallographischen Ebene orientiert ist.
Bei den bevor- zugten Ausführungsformen liegtdie kristallographische Ebene an der Oberfläche der zu behandelnden Plat- te (111-Ebene). Man kann aber auch andere Orientierungen wählen, also beispielsweise (100), (110) oder (211). Die Oberfläche der Platte, auf der das Kristallwachstum stattfinden soll, wird durch Schleifen, Polieren und Ätzen sorgfältig vorbereitet.
Vorzugsweise bestehen die Träger aus Silizium. Eine besondere Anordnung dient dazu, den Träger vor dem Hindurchleiten des elektrischen Stromes durch strahlende Wärme zu erhitzen. Diese Erwärmung kann auch durch die Wandungen der Reaktionskammer hindurch erfolgen. Zur Entlastung der Zeichnung ist diese Wärmequelle in Fig. l fortgelassen.
Wird das Ventil 31 geöffnet, um das Trägergas durch die Leitungen 23 und 22 sowie durch die Düse 19 indasInnerederReaktionskammereinströmenzulassen, dann tritt das Trägergas in Form eines freien Gasstrahls in die Reaktionskammer ein. Dieses Prinzip der Gasströmung in Form eines freien Düsenstrahls dient zur Erzeugung einer starken Turbulenz des Gases in der Reaktions- oder Dampfmischkammer und um die erhitzten Platten herum. Diese Tatsache ist von umso grösserer Bedeutung, je mehr Platten in der Reaktionskammer behandelt werden sollen. Die turbulente Gasströmung kann auch durch ein mechanisches Gasrührwerk oder dadurch hervorgerufen werden, dass die Wandung der Reaktionskammer auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur gehalten wird als die Träger.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, bei welcher die Bildung einer Siliziumschicht auf den Platten erfolgt, wird als Trägergas, vorzugsweise Wasserstoff benutzt.
Die Gasströmung durch die Reaktionskammer wird So lange fortgesetzt, bis eine Schicht aus Atomen des
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Die gemeinsame Abscheidung der Atome als Zersetzungsprodukte der betreffenden dampfförmigen Ausgangsstoffe wird fortgesetzt, bis die aus der Dampfphase niedergeschlagene Schicht 40 die gewünschte Dicke erreicht hat und das Produkt die in Fig. 3 dargestellte Form angenommen hat. Die monokristalline SiliziumschichtmitderLeitfähigkeitNbesitzt einen spezifischen Widerstand von etwa 1 bis 10 Ohm. cm und ist von der durch die ursprüngliche Platte gebildeten Schicht mit der Leitfähigkeit N + durch einen Übergangsbereich getrennt.
Auf diese Weise entsteht die in Fig. 3 dargestellte N +-Platte. Aus dieser Platte kann beispielsweise der in der Fig. 4 dargestellte NPIN-Transistor hergestellt werden. Der Kristallkörper für eine solche AnordnungkanndurchHineindiffundierenlasseneiner Schicht mit P-Leitfähigkeit in die aus der Dampfphase abgeschiedene Schicht mit N-Leitfähigkeit nach dem üblichen Diffusionsverfahren hergestellt werden. Zum Beispielkanndie Platte füreine Zeitspanne von etwa einer Stunde bei einer Temperatur von 1100 C einem
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Dampf aus Wasserstoff und BCI, ausgesetzt werden. Dabei bildet sich eine 2 - 3 Jl dicke Schicht mit P-Leitfähigkeit, die einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm. cm besitzt.
Die Platten, die aus der ursprünglichen Schicht mit der Leitfähigkeit N +, der Ausgangsplatte, der aus derDampfphase abgeschiedenen Schicht mit hohem spezifischem Widerstand und N-Leitfähigkeitund der
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stellt) oder der durch Abscheidung aus der Dampfphase erzeugten Schicht mit p-Leitfähigkeit (wie in Fig. 5 dargestellt) bestehen, können nun weiter zu den in Fig. 4 und 6 dargestellten Halbleiteranordnungen verarbeitet werden.
Zu diesem Zweck wird die Schicht mit P-Leitfähigkeit in geeigneter Weise abgedeckt und die betreffende Platte eine Stunde langeinefTemperaturvo 11000C der Einwirkung eines Arsendampfes ausgesetzt. Durch diese Behandlung bilden sich in den Schichten mit P-Leitfähigkeit Bereiche mit N-Leitfähigkeit, die in Fig. 4 mit 44 - und in Fig. 6 mit 54 bezeichnet sind. An den so gebildeten Schichten 44 und 54 mit N-Leitfähigkeit, der Schicht mit P-Leitfähigkeit und der von der ursprünglichne Plat-
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Die in Fig. 4 dargestellten Gebilde bestehen z. B. aus einer Ausgangsplatte mit N+-Leitfähigkeit, die einen spezifischen Widerstand von 0, 002 Ohm. cm und eine Dicke von 0, 127 mm aufweist, einer aus der Dampfphase abgeschiedenen Schicht mit N-Leitfähigkeit, die einen spezifischen Widerstand von 1 bis 10 Ohm. cm und eine Dicke von 5 bis 8 li aufweist, einer durch Hineindiffundierenlassen in die aus der Dampfphase abgeschiedene Schicht mit N-Leitfähigkeit erzeugten Schicht mit P-Leitfähigkeit, die einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm. cm und eine Dicke von 2 bis 3/l aufweist, und einer in einen Teil der Schicht mit P-Leitfähigkeit hineindiffundierten Schicht mit N-Leitfähigkeit, die einen spezifischen Widerstand von 0, 005 Ohm.
cm und eine Dicke von 1 bis 2/l aufweist.
Mit der Vorrichtung nach. der Erfindung können also Halbleiteranordnungen oder Halbleitervorrich- tungen der verschiedensten Art hergestellt werden. In jedem Falle enthält die Halbleiteranordnung mindestens zwei Schichten aus Halbleitermaterial mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten, die durch einen Übergangsbereich voneinander getrennt sind. In einigen Fällen ist der Übergangsbereich eine P-N-Übergangszone, in andern Fällen eine P-I- oder eine N-I-Übergangszone, während in bestimmten Fällen ein scharfer Übergangsbereich zwischen Schichten von hohem und Schichten von niedrigem spezifischem Widerstand vorhanden sein kann, die ihrerseits aus einem Material des gleichen Leitfähigkeitstyps bestehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer einander gleichender monokristalliner Halbleiterkörper, in denen mehrere monokristalline Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeiten durch einen Übergangsbereich voneinander getrennt sind, mit einer Reaktionskammer, in der sich ein zersetz- barerdampfförmigerAusgangsstofffür Halbleiteratome und Atome einer aktiven Verunreinigung befinden, sowie mit einem in dieser Kammer angeordneten Träger und einer Einrichtung zur Erhitzung dieses Trä- gersunddamitzur Erhitzung von darauf befindlichen Platten, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) mehrere Fassungen (13) zur Aufnahme von Platten (14) aus monokristallinem Halbleitermaterial aufweist,
welches einen bestimmten Leitfähigkeitstyp und einen bestimmten Leitfähigkeitsgrad auf- weist, und dass in der Reaktionskammer sich eine Anordnung (19) befindet, welche dazu dient, den Dampf eine turbulente Strömung um die erhitzten Platten (14) herum ausführen zu lassen.
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