DE1211723C2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag:

Ausgabetag:

S 82594 VIII c/21g

27. November 1962

3. März 1966

8. September 1966

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei dem eine gasförmige Verbindung eines Halbleitermaterials thermisch zersetzt und wenigstens eine radiale Schicht des Halbleitermaterials unter Bildung wenigstens eines Übergangs zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps auf einen aus Halbleitermaterial bestehenden, einkristallinen, stabförmigen Halbleiterkörper epitaktisch abgeschieden wird.

Die abzuscheidenden Halbleiterschichten können hierbei durch gleichzeitige Abscheidung eines entsprechenden Dotierungsstoffes eine andere Leitfähigkeit und/oder einen anderen Leitungstyp als der Trägerkristall aufweisen. Ebenso kann durch Steuerung des Anteils des Dotierungsstoffes auch eine Leitfähigkeitsabstufung in Richtung auf den Schichtenübergang oder von diesem weg gebildet werden. Auch Rekombinationszentren oder Haftstellen lassen sich auf diese Weise im Halbleiterkristall erzeugen.

Es können auch Schichten aus einem vom Trägerkristall unterschiedlichen Halbleitermaterial auf dem Träger zur Abscheidung gebracht werden, sofern Gitterstruktur und Gitterkonstante der beiden Halbleitermaterialien gleich sind oder sich nur wenig unterscheiden und die Zersetzungstemperatur der gasförmigen Verbindung des abzuscheidenden Halbleitermaterials unter der Schmelztemperatur des Trägerhalbleitermaterials liegt.

Bei diesen bekannten Abscheideverfahren zum Herstellen epitaktischer Schichten wird im allgemeinen so vorgegangen, daß die gasförmige Verbindung des abzuscheidenden Halbleitermaterials, die meist im Gemisch mit Wasserstoff und gegebenenfalls mit einer gasförmigen Verbindung eines entsprechenden Dotierungsstoffes zur Anwendung gelangt, thermisch zersetzt und das anfallende Halbleitermaterial auf erhitzten Halbleiterkristallen abgeschieden wird, so daß Epitaxie zwischen der Schicht und der Unterlage besteht.

Erfindungsgemäß besteht nun dieses Verfahren darin, daß nach der Abscheidung wenigstens einer radialen Schicht der verdickte stabförmige Halbleitereinkristall wenigstens längs des Schichtenübergangs bzw. der Schichtenübergänge mit einer einkristallinen Siliziumkarbidschicht überzogen wird. Durch dieses Verfahren lassen sich beispielsweise Gleichrichter, Transistoren, Fotoelemente, Fieldistoren usw. in besonders einfacher Weise herstellen.

Man geht von einem verhältnismäßig dünnen Halbleiterstab aus, der sich z. B. aus einem Halbleiterdickstab durch Anwendung des tiegelfreien Verfahren zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen

Patentiert für:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Theodor Rummel, München

Zonenschmelzens, bei dem eine z. B. mittels induk-

ao tiver Erhitzung erzeugte Schmelzzone zwischen den beiden gehalterten Enden des Stabes in Richtung der Stabachse entlanggeführt und der Schmelzzonenquerschnitt durch Vergrößerung des Abstandes der beiden Stabenden voneinander verringert wird, herstellen läßt. Beispielsweise wird ein Siliziumdünnstab verwendet, der durch einen geringen Phosphorgehalt η-leitend ist. Auf diesem wird durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Siliziumverbindung, z. B. von Silicochloroform, mit einem geringen Gehalt einer gasförmigen Borverbindung, ζ. B. von Bortrichlorid, eine p-leitende Siliziumschicht abgeschieden. Hierdurch entsteht ein verdickter Siliziumstab, der senkrecht zur Stabachse einen pn-übergang enthält. Die einzelnen Schichten werden wie üblich kontaktiert, wodurch ein Halbleiterbauelement entsteht. Um den Übergang vor Feuchtigkeit zu schützen und das Bauelement korrosionsfest zu machen, wird die Oberfläche des Bauelements längs des Schichtenübergangs, z. B. durch thermische Zersetzung einer organischen Siliziumverbindung, die Silizium und Kohlenstoff im Verhältnis 1:1 enthält, etwa Methyldichlorsilan (CH₃SiHCl₂), oder eines Gemisches einer Siliziumchlorwasserstoff-Verbindung und eines Kohlenwasserstoffes mit einem Verhältnis Si: C wie 1:1, etwa ein Gemisch von Silicochloroform (SiHCl₃) und Methylenchlorid (CH₂Cl₂) im Molverhältnis 1:1, mit einer einskristallinen Siliziumkarbidschicht bedeckt. Vorzugsweise jedoch wird die ganze Oberfläche des Halbleiterbauelements mit Siliziumkarbid bedeckt.

Auf diese Weise erhält man eine Anordnung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, wobei 1 den p-leitenden Siliziumdünnstab bedeutet und 2 die auf den

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Stab aufgebrachte η-leitende Schicht. Die beiden Zonen bilden den pn-übergang 4. 3 zeigt die Siliziumkarbidschicht, die den ganzen Kristall umschließt. Die elektrischen Anschlüsse werden vor der Abscheidung der Siliziumkarbidschicht wie üblich angebracht.

Die Halbleiterstäbe können nach dem Verdicken durch epitaktisch aufgewachsene Schichten senkrecht zur Stabachse zerteilt, etwa mit Hilfe einer Diamantsäge zersägt werden; die hierbei entstehenden, beliebig dicken Scheiben werden nach dem Kontaktieren mit Siliziumkarbid überzogen. Hierdurch entstehen Halbleiterbauelemente, deren Zonen konzentrisch angeordnet sind.

Besonders vorteilhaft jedoch ist es, die verdickten Halbleiterstäbe nicht senkrecht zur Stabachse zu zerteilen,. sondern die Schnittebene in Richtung der Stabachse verlaufend zu legen, und zwar so, daß die Schnittebene die Stabachse enthält, wie es in der Fig. 2 angedeutet ist. Dabei stellt 6 den Halbleiterkörper dar, während 5 die Schnittebene andeutet.

Auf diese Weise lassen sich Halbleiterbauelemente herstellen, wie sie beispielsweise in derFig. 3 gezeigt sind. Die Zone 7, beispielsweise Silizium mit n-Leitfähigkeit, ist mit einer Siliziumschicht 8 vom p-Leitungstyp umgeben. Die Grundfläche der Anordnung ist praktisch die halbe Grundfläche des verdickten stabförmigen Einkristalls, aus dem die Anordnung herausgeschnitten ist. 9 stellt die Siliziumkarbidschicht dar, die die ganze Oberfläche der Anordnung bedeckt. Durch entsprechende Kontaktierung läßt sich aus dieser Anordnung ein Gleichrichter herstellen, der gegen Feuchtigkeit und chemische Einflüsse äußerst resistent ist.

Es ist auch möglich, vor dem Überziehen- dieses Halbleiterkörpers mit Siliziumkarbid eine Schnittebene durch den Kristall zu legen, die den Kristall in Richtung der Längsausdehnung wieder in zwei Hälften teilt, die sich dann nach Belieben nochmals weiter unterteilen lassen. So können mehrere Bauelemente hergestellt werden, die der Forderung nach kleinen Ausmaßen entsprechen und außerdem gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die aktiven pn-Übergänge durch die Schneidevorgänge nicht beschädigt werden können, da sie nicht parallel zu den bearbeiteten Flächen liegen, sondern senkrecht dazu. Die jeweils erhaltenen kleinen Einheiten werden gemäß der Erfindung mit Siliziumkarbid überzogen, wenigstens längs des Schichtenübergangs. .

Ein so hergestelltes Halbleiterbauelement mit zylindrischer Form ist in der Fig. 4 schematisch dargestellt. Die Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Grundfläche des Zylinders und zeigt die einzelnen Schichten. Durch entsprechende Kontaktierung entsteht aus die er Anordnung ein Transistor mit besonders günstigen elektrischen Eigenschaften. 10 ist der verwendete stabförmige Einkristall, der im Beispiel aus p-Silizium besteht. Diese sehr niederohmige Zone wird zweckmäßig als Emitterzone eines Transistors geschaltet. Auf dem Stab ist durch thermische Zersetzung von z. B. Siliziumtetrachlorid oder Silicochloroform, das im Gemisch mit der gasförmigen Verbindung eines Dotierungsstoffs zur Anwendung gelangt, der dem Silizium entgegengesetzten Leitungstyp verleiht, etwa mit Phosphortrichlorid, die etwas höherohmige Schicht 11 aufgebracht, deren elektrischer Widerstand etwa 0,5 Ohm · cm beträgt. Diese Zone stellt die Basiszone des Transistors dar. Auf dieser Schicht befindet sich eine hochohmige oder eine schwach p- oder η-dotierte bzw. eigenleitende, d. h. höherohmige Schicht 12, deren spezifischer Widerstand etwa 50 Ohm · cm beträgt. Die auf dieser Schicht aufgewachsene, niederohmige p-leitende Schicht 13 mit einem spezifischen Widerstand von etwa 5 Ohm »cm stellt die Kollektorschicht des Transistors dar, auf welcher eine niederohmige p-leitende

ίο Schicht 14 aufgebracht ist, die nur als Stromzuführung zum Kollektor dient. Auf diese Weise kann die Kollektorschicht sehr dünn hergestellt werden, so daß ihr Bahnwiderstand nicht ins Gewicht fällt. Die Elektrodenanschlüsse werden nach der üblichen Methode angebracht. Sie können auch während des Aufwachsens der jeweiligen Zone in der Zone eingebaut werden. Das fertige Bauelement ist mit einer dünnen einkristallinen Siliziumkarbidschicht überzogen.

Die F i g. 6 zeigt einen Halbleiterkörper, der nach entsprechender Kontaktierung einen Siliziumtransistor ergibt, der die Form eines Zylindersegments besitzt. Er ist aus einem epitaktisch verdickten Siliziumstab durch zwei senkrecht aufeinanderstellende, in Richtung der Längsachse und durch den Mittelpunkt der Stabgrundfläche verlaufende Schnittebenen herausgeschnitten und mit einer einkristallinen Siliziumkarbidschicht überzogen. Der verdickte Siliziumstab weist eine Zonenfolge npn auf. Durch die zwei senkrecht aufeinanderstellenden Schnittebenen entstehen also aus nur einem epitaktisch verdickten Stab vier Anordnungen, die jeweils die Zonenfolge npn aufweisen, wie sie in der F i g. 6 dargestellt ist. Auf der η-leitenden Siliziumzone 16, die zweckmäßig als Emitterzone eines Transistors geschaltet wird, ist eine p-leitende Siliziumschicht abgeschieden; hierbei entsteht der pn-übergang 20. Die Schicht 17, die als

. Basiszone des Transistors verwendet wird, ist vorteilhaft sehr dünn ausgebildet. Auf die zuletzt abgeschiedene Schicht vom p-Leitungstyp ist eine n-leitende Schicht 18 aufgebracht, dabei bildet sich der pn-übergang 21. Die Zone 18 wird als Kollektorzone geschaltet. Die Anordnung ist nach entsprechender Kontaktierung, die in der Figur nicht dargestellt ist, mit Siliziumkarbid überzogen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei dem eine gasförmige Verbindung eines Halbleitermaterials thermisch zersetzt und wenigstens eine radiale Schicht des Halbleitermaterials unter Bildung wenigstens eines Übergangs zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder unterschiedlichen Leitungstyps auf einen aus Halbleitermaterial bestehenden, einkristallinen, stabförmigen Halbleiterkörper epitaktisch abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abscheidung wenigstens einer radialen Schicht der verdickte stabförmige Halbleitereinkristall wenigstens längs des Schichtenübergangs bzw. der Schichtenübergänge mit einer einkristallinen Siliziumkarbidschicht überzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geg₅ kennzeichnet, daß der Halbleitereinkristall nach

dem Abscheiden wenigstens einer radialen Schicht und vor dem Aufbringen der Siliziumkarbidschicht zerteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der epitaktisch verdickte stabförmige Einkristall durch wenigstens eine die Stabachse enthaltende Schnittebene zerteilt wird.

4. Halbleiterbauelement, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zylindrische Form.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, hergestellt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dünnen, stabförmigen, als Emitterzone eines Transistors dienenden Einkristall, auf dem eine dünne radiale Schicht als Basiszone und auf diese eine sehr schwach dotierte oder eigenleitende weitere Schicht aufgebracht ist und der eine weitere Schicht besitzt, die die Kollektorzone eines Transistors darstellt und die von einer einkristallinen Siliziumkarbidschicht umgeben ist.

ίο

6. Halbleiterbauelement, hergestellt nach einem ' Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zylindersegmentähnliche Form.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch zwei senkrecht aufeinanderstellende, in Richtung der Längsachse eines epitaktisch verdickten, stabförmigen Einkristalls verlaufende, die Stabachse enthaltende Schnittebenen aus einem epitaktisch verdickten Stab herausgeschnitten und mit einer einkristallinen Siliziumkarbidschicht überzogen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 853 926, 943 422;

französische Patentschriften Nr. 1201 878,
767,1289 687.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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