DE1911335A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen

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DE1911335A1 DE19691911335 DE1911335A DE1911335A1 DE 1911335 A1 DE1911335 A1 DE 1911335A1 DE 19691911335 DE19691911335 DE 19691911335 DE 1911335 A DE1911335 A DE 1911335A DE 1911335 A1 DE1911335 A1 DE 1911335A1
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Description

WBSTEEl BlEOTRIO COMPAMY, INÖOBPORATED · KNIGHT, S. 2 - Ί
NEW YORK, N, Ye USA B/3
Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bei dem eine epitaktische Schicht einer ersten Leitfähigkeit auf einer ersten Fläche einer Halbleitermaterialunterlage aufwachsen gelassen wird»
Aufbau und Wirkungsweise der sogenannten Masseneffekt-Bauelemente, die auch als Zwei-Täler-Bauelemente und als Gunn-Effekt-Bauelemente bekannt sind, sind im einzelnen in einer Artikelreihe in IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-I3, Heft 1 vom Januar 1966 beschrieben. Wie in diesen artikeln eüäutert ist, können Hochfrequenzschwingungen durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes an ein massives Halbleiterstück praktisch gleichförmiger Beschaffenheit erzeugt werden, das zwei, durch nur eine kleine iJnergiedifferenz voneinander getrennte Energieband-flTäler" innerhalb des Leitungsbandes besitzt ο
Das beste Material, das bislang für Masseneffekt-Halbleiterdioden gefunden wurde, ist η-leitendes Galliumarsenid, Zwar sind solche Vorrichtungen unter Verwendung von Plättchen, die aus größeren Galliumarsenidkristallen
geschnitten worden sind, hergestellt worden, aber diese 909840/1081
Plättchen haben häufig nicht die für optimalen Betrieb erforderliche homogene Beschaffenheit und Kristallbau-< fehler—Freiheit. Zuverlässigere gleichförmige n-leitende Gralliumarsenidschichten, die als die aktiven Bereiche der Vorrichtung vorgesehen sind, können durch epitaktisches Wachstum auf einer G-alliumarsenk!unterlage unterschiedlicher Leitfähigkeit hergestellt werden. Epitaktisches Kristallwachstum bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden eines Materials auf einer kristallinen Unterlage derart, daß das niedergeschlagene Material einen Kristall bildet, der im Effekt die Portsetzung der
Kristallgitterstruktur der Unterlage bildet.
Die früher vorgeschlagenen Anwendungen des Epitaxieverfahrens für die Herstellung mehrschichtiger Dioden oder Dioden mit "Sandwichstruktur11 sind zwar für viele Zwecke befriedigend, sie sind aber zum Herstellen von
ψ Dioden nicht praktikabel, bei denen lange aktive
Bereiche, d. h. ein großer Abstand zwischen gegenüberliegenden ohmschen Kontakten, vorgesehen sind. Andererseits erfordern viele bereits vorgeschlagene Masseneffekt-Vorrichtungen lange aktive η-leitende Bereiche,
Es sind auch zahlreiche andere Masseneffekt-Vorrichtungen zur Verwendung beispielsweise bei Wellenformüng,
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Imp ul sr eg en er i er ung und verschiedenen Logikfunktionen vorgeschlagen worden, die in ähnlicher Weise relativ lange aktive Bereiche erfordern.
Die vorstehenden Schwierigkeiten sind für das Verfahren der einleitend beschriebenen Art erfindungsgemäß nun vermieden durch Binätzen von Mulden durch praktisch die ganze epitaktische Schicht hindurch und durch Aufwachsen lassen von Schichten hoher Leitfähigkeit in den Mulden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich,· Masseneffekt-Dioden herzustellen, die je an gegenüberliegenden Enden einer langen epitaktischen Shicht ohmsche Kontakte besitzen, welche zum Erzeugen eines gleichförmigen elektrischen Feldes durch den ganzen aktiven Bereich hindurch geeignet sind. Eine solche Diode kann mit hoher Leistung "betrieben werden, und zwar wegen einer wirksamen Wärmeabfuhr aus dem aktiven Bereicii. Schließlich sind alle die bei der Herstellung der Vorrichtung erforderlichen Verfahrensschritte einfach, vergleichsweise billig, nichtsdestoweniger aber genau und reproduzierbar durchzuführen.
Im Folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigern
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Pig. 1 eine schematische Ansicht einer teilweise hergestellten Halbleiteranordnung,
Figo 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Weiterverarbeitung der Halbleiteranordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansi-eht der Vorrichtung nach Fig. 2 während eines nachfolgenden Schrittes bei ^ der Herstellung und
Fig. 4, 5 und 6 schematische Ansichten von
Halbleiteranordnungen in verschiedenen ' Herstellungsstadienα
Es wurde gefunden, daß zuverlässige Masseneffekt-Vorrichtungen mit guten Betriebseigenschaften nach der folgenden beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können« Eine n-leitende fc Galliumarsenidschicht wird -auf einer Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid epitaktisch aufwachsen gelassen. Halbisolierendes Galliumarsenid bezeichnet hier Galliumarsenid mit einer derart niedrigen Ladungsträgerkonzentration, daß das Material praktisch als Isolator wirkt. Die epitaktische Schicht wird mit einem Maskierungsmaterial beschichtet, und es werden in der Maskierung Fenster vorgesehen, die einen der gewünschten länge des aktiven Bereichs der Vorrichtung
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entsprechenden Abstand voneinander haben. Die maskierte epitaktische Schicht wird dann mit einer schmelzflussigen Zinncharge bedeckt, die vorher mit Galliumarsenid gesättigt "worden ist. Sodann wird die Temperatur der Unterlage auf eine höhere !Temperatur angehoben, bei der die schmelzflüssige Zinncharge eine vorbestimmte zusätzliche Galliumarsenidmenge auflösen kann. Demgemäß beginnen sich . bei dieser zweiten Temperatur die nicht maskierten Teile der epitaktischen Schicht, die also dem schmelzflUssigen Zinn ausgesetzt sind, hierin . aufzulösen, bis das Zinn schließlich wieder bei dieser Temperatur mit Galliumarsenid gesättigt ist ο Die Temperatur der Unterlage wird dann auf etwa die erste Temperatur abgesenkt, bei der die Zinncharge ursprünglich gesättigt war. Hierdurch wird das im schmelzflüssigen Zinn gelöste Galliumarsenid veranlaßt, sich wieder an der epitaktischen Schicht epitaktisch.abzuscheiden, wobei nunmehr aber in die neu gebildete epitaktische Kristallstruktur Zinnatome eingebaut sind, welche die. zur Definition ohmscher Kontakte erforderliche n+ -Leitfähigkeit liefern. . . : ■
Nach der Entfernung der schmelzflügsigen Zinncharge vom Halbleiterplättohen werden ]je.iter an den frei-
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liegenden η -ScMeilten befestigt, die dann gegebenenfalls die äußeren Anschlußleitungen einer fertiggestellten Masseneffekt-Diode bilden. Sodann wird ein vergleichsweise massiver Berylliumoxyd-Block: an den gegenüberliegenden Iieiter und dem zwischenliegenden aktiven Bereich befestigt. Als nächstes wird die Unterlage in der Dicke reduziert und, wenn viele Dioden gleichzeitig auf einem einzigen Plättchen erzeugt worden sind, wird letzteres zerschnitten, um einzelne Diodenelemente zu erhalten»
Unter Verwendung des Berylliumoxyd-Blockes als Träger des Diodenelementes wird die restliche halbisolierende Unterlage entfernt, und es wird ein zweiter Berylliumoxyd-Block an der Diode, dem ersten Block gegenüberstehend, befestigt. Die Berylliumoxyd-Blöcke sind elektrisch isolierend und beeinträchtigen daher nicht den Stromfluß zwischen den gegenüberliegenden ohmschen Kontakten; sie sind aber hoch wärmeleitend und wirken als gute Wärmesenken für den aktiven Bereich während des Betriebs der Vorrichtung.
In Pig. 1 ist ein £eil eines Galliumarsenidplättchens 12 dargestellt, das als Unterlage bei der Herstellung
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von Masseneffekt-Dioden entsprechend einer Ausfuhr ungsform des Erfinders gemäß Verfahrens verwendet wird. Die Unterlage 12 ist vorzugsweise harbisolierendes Galliumarsenid, d. ho das Material hat eine Ladungsträgerkonzentration von regelmäßig weniger als 10 ladungsträger / cm <, Der erste Schritt "bei der Herstellung von Masseneffekt-Dioden ist eine η-leitende Galliumarsenidschicht 15 auf einer Oberfläche des Plättchens in "bekannter Weise epitaktisch aufwachsen zu lassen. Die n-Schicht 13 hat im Regelfall eine LadungsträgerkojQzentration von 10 "bis 10 pro cm und eine Dicke von 3 bis 75 Mikrometer. Eine dünne Maskiermaterialschicht 14» beispielsweise aus Siliciumdioxyd, wird auf der Oberseite der epitaktischen Schicht niedergeschlagen, und es werden dann stufenförmige Fenster 15 in die Maskenschicht eingeätzt. Die Maskenschicht 14 wird nach irgendeiner allgemein bekannten Methode niedergeschlagen, wobei die Fenster 15 auf fotolithographischem Wege in bekannter Weise markiert werden, so daß eine selektive Ätzung zum Freilegen nur der gewünschten Teile der epitaktischen Schicht ermöglicht wird. Es sei für die nachfolgende Beschreibung angenommen, daß die epitaktisohe Schicht zwischen benachbarten Fenstern 15 den aktiven Bereich einer Masseneffekt-
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Diode bildet und daß der Zweck der Fenster der ist, diejenigen Bereiche zu definieren, in welchen ohmsehe Kontakte auf gegenüberliegenden Seiten des aktiven Bereichs hergestellt werden sollen. Die ohmschen Kontakte sollen dabei in den in der Zeichnung gestrichelt angedeuteten Bereichen 16 zu dem den aktiven Bereich einer Diode bildenden zwischenliegenden Bereich 17 der epitaktischen Schicht hergestellt werden. Nur ein kleiner Teil des ganzen, zu bearbeitenden Plättchens ist dargestellt, da zumeist zahlreiche Dioden, gleichzeitig auf der Oberfläche eines einzigen Kristallplättchens erzeugt werden»
Die ohmschen Kontakte, welche aus relativ stark dotierten, also η -leitenden Galliumarsenidbereichen bestehen, werden im Bereich 16 mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 2 und 3 auf folgende Weise hergestellt. Fig. 2 zeigt ein Graphitschiffchen 20 innerhalb eines Quarzrohres 21 der in bei der Halbleiterbauelementherstellung üblicher Weise verwendeten Art. Das Schiffchen ist schräggestellt und enthält am einen Ende eine Zinncharge 19» der gepulvertes Galliumarsenid zugegeben worden ist. Die Galliumarsenid-Menge ist so bemessen, daß sie sich in de» Zinn auflöst und dieses bei einer ersten Temperatur vollständig sättigt, auf welche
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das Graphitschiffchen erhitzt wird. Das Quarzrohr nebst Schiffchen sind innerhalb eines Ofens untergebracht, der die Anordnung auf die erste Temperatur, typischerweise 600° C, erhitzt. Bei dieser Temperatur schmilzt die Zinncharge I9, das gepulverte Galliumarsenid geht in Lösung und sättigt das Zinn. Alternativ können elementares Gallium und Arsen in dem Zinn aufgelöst werden.
Die Anordnung wird dann (siehe ffig« 3) nach der anderen Seite schräggestellt, so daß das flüssige Zinn 19 das gleichfalls im Graphitschiffchen andern Endes untergebrachte Plättchen 12 (fig. 1) bediög-t-o Als nächstes wird die Anordnung, typischerweise mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 12° G pro Minute, auf eine zweite, höhere Temperatur erhitzt, bei der die Zinncharge nicht mehr gesättigt ist. Als Folge hiervon wird sich derjenige Bereich der epitaktischen Schicht der Pig. 1, welcher dem flüssigen Zinn 19 ausgesetzt ist, hierin auflösen und das Zinn bei der zweiten Temperatur sättigen. Beispielsweise soll sich bei auf 650° C aufgeheizter Anordnung der Bereich 16 der Fig. 1 in der Charge 19 auflösen und das Zinn bei dieser Temperatur sättigen,, ...
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Danach wird die Anordnung auf die erste Temperatur wieder abgekühlt, wobei ein typischer Wert der Abkühlungsgeschwindigkeit 15°· 0 pro Minute ist. Hierdurch wird das in der Charge aufgelöste Galliumarsenid veranlaßt, wieder aus der Lösung au gehen und in dem Bereich 16 (Fig. 1) epitaktisch aufzuwachsen. Wenn das Galliumarsenid erneut am Plättchen aufwächst, werden zugleich automatisch Zinnatome in der ganzen neu gewachsenen Kristallstruktur eingebaut, um eine hohe Ladungsträgerkonzentration, typischerweise in der Größen-
j Q -X
Ordnung von 10 * ladungsträger / cm, zu liefern.
Auf diese Weise werden die gewünschten η -Bereiche, wie für gute ohms ehe Kontakte zu dem aktiven Bereich VJ gefordert, erzeugt. Nach dem Wiederaufwachsen des Galliumarsenids wird die schmelzflüssige Charge 19 vom Plättchen entfernt und letzteres von jeglichen Resten gereinigt.
Sodann werden (Fig. 4) leitende Dünnfilmkontakte 23 auf den η -Bereichen 16' aufgebracht» Das Plättchen 12 wird dann vorzugsweise in der Dicke durch läppen oder polieren der Unterseite reduziert, und zwar auf die durch die gestrichelte Linie 12» dargestellte Dicke. Das Plättchen sollte .nicht so weit in der
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Dicke reduziert werden, daß es nicht mehr selbsttragend istj üblicherweise kann es auf eine Dicke von etwa 0,1 mm reduziert werden«
Fig. 5 zeigt das in der Dicke reduzierte Plättchen 12 in einem hinreichend großen Magstab, um zwei der aktiven Bereiche 17 zu haben. Nachdem die Unterlage geläppt worden ist, werden Berylliumoxyd-Blöcke 24 benachbart den η -Bereichen 16' und dem zwischen— liegenden aktiven Bereich 17 befestigt. Die Unterlage 12 wird dann zum Erhalt einzelner Diodenelemente zertrennt oder zerschnitten. Unter Verwendung des Berylliumoxyd-Blocks jedes Diodenelementes als Träger wird die Unterlage Ί2 erneut in der Dicke reduziert und kann vollständig abgetragen werden, so daß nur die epitaktischen Schichten 17 und 16* übrig bleiben. Dies kann nach zahlreichen Methoden erfolgen, beispielsweise durch Ätzen und durch Verwendung von Infrarotlicht zur Überwachung der Dicke der restlichen Schicht.
Schließlich wird ein zweiter Berylliumoxyd—Bock 25 an jedem Diodenelement gegenüber dem Block
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m 12 -
befestigt (Fig. 6), um die Diode zu komplettieren. Man sieht, daß die Diode einen relativ langen epitaktisehen aktiven Bereich 17 zwischen gegenüber*· liegenden ohmschen Eontakten 16' aufweist, die in der Lage sind, ein gleichförmiges elektrisches PeId im ganzen aktiven Bereich zu erzeugen. Die Berylliumoxyd-Blöcke 24 und 25 haben gutes Wärmeleitvermögen und bilden daher gute T?ärmesenfcen zum Ableiten von Wärme aus dem aktiven Bereich 17 während des Betriebs? andererseits sind sie elektrisch isolierend, sie beeinträchtigen daher nicht die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung.
Man sieht, daß das Ziel, Masseneffekt-Dioden mit den gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu konstruieren, durch ein Verfahren erreicht werden kann, das einfach, leicht und reproduzierbar ist* Das Ausätzen der Bereiche 16 in Mg. 1 und das Wiederaufwachsenlassen der n+-Bereiche 16* (Pig. 40 hierin erfolgt im Effekt in einem einzigen Verfahrensschritt, der einen hohen Genauigkeitsgrad zuläßt« Da die Masse der flüssigen Zinncharge 19 und die Temperatur, auf die die Anordnung nach Pig. 3 erhitzt wird, genau steuerbar sind, ist die Galliumarsenidmenge, die aus dem Bereich 16 der Pig. 1 herausgeätzt wird, ohne weiteres vorhersagbar und regelbar. In ähnlicher
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Weise ist beim Abkühlen der Unterlage das Ausmaß, zu welohem der n+-Gralliumarsenidbereioh 16* der Pig. 4 wieder aufwächst, vorhersagbar und regelbar. Das Aufbringen der leitenden Kontakte, das Reduzieren der Unterlagedieke und das Befestigen der Berylliumoxyd-Blöcke sind einfache Angelegenheiten, die ohne weiteres im Rahmen normalen fachmännischen Könnens liegen.
Die beschriebenen Methoden und Anordnungen sind für das Erfindungsprinzip lediglich illustrativ. Es ist zwar am bequemsten, in einem Schritt die Mulden in das Plättchen einzuätzen und hierin wieder die η -Kontaktbereiohe aufwachsen zu lassen. Dieses kann aber, wenn gewünscht, auch in zwei Schritten ausgeführt werden. Zwar ist Berylliumoxyd das bevorzugte Material der Blöcke 24 und 25, es könnten aber auch andere Materialien benutzt werden. Beispielsweise kann ein Metallblock an der dünnen Schicht der halbisolierenden Unterlage duroh Warmpreßverschweißung befestigt werden, wobei dann die in der Dicke reduzierte Unterlage die erforderliche elektrische Isolation" liefert. Auch kann das Verfahren bei anderen HaIbleitern als Galliumarsenid, ebenso auch bei ^-Halbleitern angewandt werden«
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    JVerfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bei dem eine epitaktische Schicht einer ersten Leitfähigkeit auf einer ersten Fläche einer Halbleitermaterialunterlage aufwachsen gelassen wird, gekennzeichnet durch Ein-ätzen von Mulden (15) durch praktisch die ganze epitaktische Schicht (13) hindurch und durch Aufwachsen-lassen von Schichten (16) hoher Leitfähigkeit in den Mulden„
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Binätzen der Mulden (15) erfolgt durch Auflösen bis zur Sättigung einer Halbleitermaterialmenge in einer erschmolzenen Dotierstoff-Material— menge (19)» durch Bedecken ausgewählter Bereiche der epitaktischen Schicht (l3) mit dem gesättigten Dotierstoff-Material (19) und durch Erhitzen der epitaktischen Schicht (13) auf eine erste Temperatur, die ausreicht, um eine Auflösung eines Teils der epitaktischen Schicht (13) in dem erschmolzenen Dotierstoff-Material (19) zu verursachen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwachsenlassen der Schichten (16) hoher
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    Leitfähigkeit erfolgt durch Abkühlen der epitaktischen Schicht (13) auf eine zweite Temperatur, die ausreicht, um Schichten (16) hoher Leitfähigkeit aus der erschmolzenen Mischung (13 und 19) aufwachsen zu lassen.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch Befestigen von Leitern (23) an jeder Schicht (16) hoher Leitfähigkeit.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Befestigen eines als Wärmesenke dienenden Blockes (24) an benachbarten Schichten (16) und an . der zwischenliegenden Schicht (17) der ersten Leitfähigkeit.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch.gekennzeichnet, daß Galliumarsenid als das Halbleitermaterial und Zinn als das Dotierstoff-Material verwendet werden und daß die erste Temperatur auf etwa 600° C eingestellt wird.
  7. 7. Verfahren ach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage (12) eine solche mit im wesentlichen halbisolierender oder isolierender Leitfähigkeit verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß
    der als Wärmesenke dienende Block (24) aus Berylliumoxyd hergestellt wird.
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DE2936800A1 (de) * 1979-09-12 1981-04-02 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Verfahren zum herstellen eines pn-ueberganges durch fluessig-epitaxie

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