DE2321501A1 - Herstellungsverfahren fuer halbleiterelemente - Google Patents

Herstellungsverfahren fuer halbleiterelemente

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DE2321501A1 DE19732321501 DE2321501A DE2321501A1 DE 2321501 A1 DE2321501 A1 DE 2321501A1 DE 19732321501 DE19732321501 DE 19732321501 DE 2321501 A DE2321501 A DE 2321501A DE 2321501 A1 DE2321501 A1 DE 2321501A1
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Description

Mitshubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokio / Japan
Herstellungsverfahren für Halbleiterelemente
Die Erfindung bezieht sich auf ein Anfangsstadium im Herstellungsverfahren von Halbleiterplättchen.
Bei der Herstellung verschiedener Arten von Halbleiterelementen wird meist eine Schneidmaschine, d.h. eine Säge, verwendet, um damit ein Substrat oder einen Block des Halbleitermaterials abzuschneiden, beispielsweise einen einzigen Kristall in Form eines Stabes in getrennte Plättchen, worauf die Plättchen getrennt und mit geeigneten Werkzeugen gereinigt, geätzt, diffundiert, usw. werden. Bei dieser Verarbeitung ergeben sich schwierige Vorgänge, wie das
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Aufnehmen der Plättchen nacheinander mit einer Pinzette um sie in zugehörige Behälter oder Schiffchen, zu legen und herauszunehmen* Dabei muß streng darauf geachtet werden, daß durch· die Handhabung mit der Pinzette keine Fremdstoffe übertragen werden oder daß Brüche oder Risse der Plättchen eintreten, . Beim Reinigen und Ätzen müssen die Plättchen voneinander -ge- .-...· trennt werden, da sich überlappende Plättchen-nicht gereinigt und geätzt werden. Zum Eindiffundieren eines Störstoffes in , einem geeigneten Diffusionsofen müssen die Plättchen mit einer Kante in ein Quarzschiffchen so eingesetzt werden,, daß . sie sich nicht überlappen. Verschiedene der zum Halten oder, ■... Plazieren der Plättchen in chemisch reinem Zustand erforderlichen Werkzeuge führten zu Abnutzung und Verschleiß. Ferner entstanden Verunreinigungsschwierigkeiten durch das zur" Diffusion verwendete Quarzschiffchen, da dieses die Plättchen direkt berührt und mit diesen erhitzt wird,, was zu Defekten in den Plättchen infolge der thermischen Beanspruchung durch den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Plättchen— material und Quarz schiffchen führt. Da hierbei das Quarz-* ν schiffchen in ein Quarzrohr eingesetzt wird und dieses direkt berührt, kann es während des Diffusionsvorganges -zum Ver-' schmelzen von Schiffchen und Rohr kommen. · · - ' ·
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Nachteile und..* '-■ gestattet die gemeinsame Verarbeitung mehrerer Halbleiterplättchen in mindestens einer Verarbeitungsstufe, ohne daß hierbei die Plättchen ge'trfehnt verärbeitet'weMeri müssen. Dadurch sind weder Spezialwerkzeuge zum Halten der einzelnen Halbleiterplättchen erforderlich, noch küssen die Plättchen-Stück für Stück behandelt wer den. ■ - : >.,
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für Halbleiterelemente ist dadurch gekennzeichnet, daß annähernd parallele Nuten in ein Halbleitersubstrat geschnitten werden, wobei ein Abschnitt des Substrats nicht geschnitten wird, so daß man ein Bündel von durch Nuten getrennten, durch den nicht geschnittenen Substratabschnitt verbundenden Halbleiterplättchen erhält, und daß sämtliche Halbleiterplättchen mindestens-einmal gleichzeitig weiterverarbeitet werden·
Die Nuten liegen vorzugsweise auf einer Seite dem nicht geschnittenen Substratabschnitt gegenüber.
Bei einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Substrat die Form eines KreisZylinders, wobei die Nuten senkrecht zur Längsachse des Zylinders bis zu dem.sie verbindenden Abschnitt eingeschnitten sind·
Zur eingehenderen Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen· Darin zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Ansicht zur Darstellung des Diffusionsvorganges bei der Herstellung von Halbleiterplättchen gemäß der Erfindung,
Fig· 2a und 2b eine Seitenansicht bzw· eine Frontansicht eines Bündels aus einer Vielzahl von Halbleiterplättchen,
Fig. 3 und 4 Darstellungen verschiedener Diffusionsstufen unter Verwendung der Plättchenbündel nach den Fig· 2a und 2b,
Fig. 5a und 5b Ansichten ähnlich Fig. 2a bzw· 2b mit einer modifizierten Form des Halbleiterplättchens und
Fig· 6a und 6b eine weitere Modifizierung des Plättchenbündels nach den Fig. 2a und 2b.
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In Fig. 1 ist das übliche Verfahren zum Eindiffundieren eines Störstoffes der gewünschten Leitfähigkeit in Halbleiterplättchen dargestellt. Man erkennt ein Quarzschiffchen 1 mit mehreren parallelen Nuten 2 auf einer Seite, wobei in jede Nut 2 ein Halbleiterplättchen 3 mit dem Rand eingesetzt ist. Das Quarzschiffchen 1 befindet sich in einem Quarzrohr 4 und berührt dessen Innenseite direkt· Das Quarzrohr 4 ist am einen Ende offen und am anderen Ende teilweise verschlossen, so daß eine kleine Öffnung verbleibt, und in die Heizwicklung 5 eines Diffusionsofens eingesetzt.
Durch die kleine Öffnung am einen Ende des Quarzrohres 4 wird ein Gas mit dem zur gewünschten Leitfähigkeit erforderliehen Störstoff eingeleitet. Die Plättchen 3 werden durch die Heizwicklung 5 auf eine Diffusionstemperatur von ca. 1250 C erhitzt und während eines vorgegebenen Zeitintervalles auf bekannte Weise durch Diffusion mit dem Störstoff behandelt. Man spricht hierbei von einem Verfahren mit "offenem Rohr1* das bei der gasförmigen Diffusion zur Herstellung von Halbleiterelementen meist angewandt wird.
Nachteilig bei diesem in Fig. 1 gezeigten Verfahren ist nicht nur die erforderliche Verwendung eines Quarzschiffchens, sondern auch der benötigte größere Querschnitt des Quarzrohrs zur Aufnahme der Plättchen usw.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Nachteile vermieden. Bekanntlich beginnt die Herstellung von Halbleiterelementen meist mit der Reinigung der Halbleiterplättchen, worauf das Ätzen, Diffundieren usw. erfolgt. Hierzu war es bisher erforderlich die einzelnen Plättchen getrennt voneinander zu handhaben.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren stellt man zunächst ein Bündel mit einer Vielzahl zu einem Stück verbundener Halbleiterplättchen her. Ein soüies Halbleiterplättchenbündel 10 ist in den Fig. 2a und 2b zu erkennen.
Das Plättchenbündel 10 wird aus einem einzigen stabförmigen Block mit kreisförmigem Querschnitt aus einem Siliziumkristall oder einem anderen Halbleitermaterial hergestellt. Der stabförmige Block ist in axialer Richtung auf einer Seite abgeschliffen, so daß man eine in Längsrichtung verlaufende ebene Fläche 14 erhält. Nach Messung des spezifischen Widerstandes der Fläche 14 wird der Block zur Herstellung von Substraten 12 aus Halbleitersilizium geschnitten. Das kreisförmige Substrat 12 besitzt einen kurzen, geraden Abschnitt mit der Fläche 14, wie Fig. 2b zeigt. Die Fläche 14 dient zur stabilen Lagerung des Substrats auf einer Unterlage.
Zur Vereinfachung der Handhabung des Halbleitersubstrats 12 während der nachfolgenden Verarbeitungsstufen ist das Substrat an den gegenüberliegenden Enden mit kleinen, zentrierten Bohrungen 16 versehen. Diese Bohrungen 16 dienen zur Halterung des Substrats in einer geeigneten Maschine mittels einer Spannvorrichtung, beispielsweise beim automatischen Reinigen oder Ätzen.
Mittels einer geeigneten Säge wird das Substrat 12 rechtwinklig zur Längsachse eingeschnitten, so daß man parallele Nuten 1.8 in praktisch gleichem Abstand erhält. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die parallelen Nuten 18 bis zu dem nicht geschnittenen Abschnitt 20. Die Nuten 18 führen bis. kurz vor die Fläche 14, so daß dazwischen ein nicht geschnittener Abschnitt 20 vorgegebener Stärke verbleibt. Der Boden der
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— D —
Nuten 18 liegt in einer annähernd parallelen Ebene zur Fläche 14< Die Nuten 18 sind bis auf je eine Nut am Ende gleich breit, so daß sich eine Vielzahl annähernd gleich breiter Halbleiter— plättchen 22 ergibt, die durch den nicht geschnittenen Abschnitt 20 miteinander verbunden sind..
Durch die breitere Nut 18 an-jedem, Ende erhält man einen Halteabschnitt 24. am Ende des Substrats 12, zur Halterung, in den oben bereits erwähnten Bohrungen 16. Diese Halteabschnitte dienen somit nicht zur Herstellung von Halbleiterplättchen, so daß sie beispielsweise auch nicht den erforderlichen spezifischen Widerstand besitzen müssen· Dies ist nur für den zwischen den Halteabschnitten,24 liegenden Teil des Substrats erforderlich. Mit η Nuten 18 erhält man somit n-1 Halbleiterplättchen 22.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel, ähnelt das.Substrat 12 einem Kamm.
Mit den üblichen Sägen kann man Nuten 18 mit einer axialen Stärke von weniger als 250 Mikron im Substrat 12 erzielen. Für spezielle Anwendungen kann man eine größere Nutbreite vorsehen. Sämtliche Halbleiterplättchen 22 eines Substrates kann man somit· gleichzeitig weiterverarbeiten.
Die Oberfläche der Halbleiterplättchen 12 kann nach dem Sägen eine beschädigte Schicht von mindestens 5 Mikron aufweisen. , Bei Halbleiterelementen, wie etwa Leistungsgleichrichtern und Leistungsthyristoren, bei denen die Diffusion mindestens. 5 Mikron betragen muß, bietet diese beschädigte Schicht an der Oberfläche keine Probleme. Man kann deshalb das Abschleifen und Ätzen der Halbleiterplättchen entfallen lassen, was den
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Herstellungsvorgang beträchtlich vereinfacht.
Umgekehrt kann man bei Halbleiterelementen mit flacher Diffusionsschicht, bei denen durch eine beschädigte Schicht der obengenannten Stärke die Eigenschaften ungünstig beeinflußt verden, das durch Einschneiden des Halbleiterblockes hergestellte Bündel 10 entsprechend ätzen und dadurch die beschädigte Schicht dünner machen. Ebenso kann man eine dünnere, beschädigte Schicht erzielen, wenn man zum Einschneiden und Herstellen des Halbleiterbündeis eine geeignete andere Schneidvorrichtung verwendet.
Je nach dem geforderten spezifischen Widerstand können die Halbleiterplättchen 22 in Fig. 2a auch unterschiedlich breit sein.
Die kammförmige Anordnung der Halbleiterplättchen 22, die durch einen gemeinsamen Abschnitt des Halbleiterrohlings verbunden sind, bietet eine Reihe von Vorteilen. So kann man eine Vielzahl von Halbleiterplättchen gleichzeitig verarbeiten, wobei außerdem die bisher erforderlichen Haltemittel für die Plättchen, die diese räumlich voneinander trennten, nicht mehr erforderlich sind, d.h. Bindemittel, Quarzschiffchen usv. werden überflüssig. Da außerdem sämtliche Nuten 18 von einer Seite des Substrats bis zu dem nicht geschnittenen Abschnitt 20 führen ist das Reinigen und Ätzen der Plättchen sehr vereinfacht. Nach der Reinigung werden die sauberen Substrate getrocknet und gemäß Fig. 3 oder 4 in einen Diffusionsofen eingesetzt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Diffusionsverfahren zur Erzielung der gewünschten Leitfähigkeit wird ein Störstoff oder ein Dotierungsmittel in einem Verfahren mit "geschlossenem Rohr" in das Halbleitersubstrat eindiffundiert. Fig. 4 zeigt das entsprechende Verfahren mit "offenem Rohr". Gemäß Fig. 3 befindet
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sich das Plättchenbündel 10 gemäß Fig. 2 in einem Quarzrohr 30, das an einem Ende verschlossen ist. Eine Storstoffquelle 32 enthält eine bestimmte Menge Silizium, legiert mit Aluminium. Das Plättchenbündel 10 berührt die Innenseite des Quarzrohres 30 direkt, wobei es mit der flachen Seite 14 aufliegt. Das offene Ende des Rohres 30 wird mit einem kurzen Quarzstöpsel 34 verschlossen und danach das Rohr evakuiert. Das evakuierte Quarzrohr 30 wird mit dem Quarzstöpsel 34 verschlossen, so daß man einen vakuumdichten Abschluß erhält. Das ganze wird in das offene Quarzrohr 36 eines Diffusionsofens mit einer Heizwicklung 5 eingesetzt. Im Ofen wird das Plättchenbündel 10 während einer vorgegebeim Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, wobei das Aluminium aus der Quelle 32 auf an sich bekannte Weise in die Oberfläche der Plättchen 22 eindiffundiert«
Die Anordnung nach Fig. 4 ähnelt derjenigen nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß das Plättchenbündel 10 die Inenseite des Quarzrohres 4 direkt berührt, so daß das innere Quarzrohr 30 entfallen kann. Ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. 1 wird in Fig. 4 ein entsprechender Störstoff gasförmig in das Quarzrohr 4 eingeleitet und nach links abgeführt, wobei der Störstoff in die Plättchen des Bündels 10 eindiffundiert·
Nach Abschluß des Diffusionsverfahrens wird das Plättchenbündel aus dem Quarzrohr herausgenommen und die Plättchen weiter verarbeitet. Die einzelnen Plättchen kann man dan vom nicht geschnittenen Abschnitt 20 des Bündels 10 abbrechen. Wenn man die Plättchen am nicht geschnittenen Abschnitt 20 in einer bestimmten Richtung des Einkristalles abbricht, beispielsweise in der Spaltungsebene des Kristalls, erhält man saubere Bruchflächen. Die so getrennten Halbleiterplättchen kann man dann zu den gewünschten Halbleiterelementen weiterverarbeiten.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 ist das Halbleitersubstrat nicht senkrecht zur Längsachse eingeschnitten· Gemäß Fig. 5 sind die Einschnitte im Substrat 12 in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Substrats ausgeführt, so daß die Nuten 18 entsprechend gegen die Längsachse geneigt sind. Der untere Abschnitt bleibt gemäß Fig. 5a wieder nicht geschnitten.
Das Substrat 12 nach Fig. 6 ist in Längsrichtung geschnitten, so daß hier die Nuten. 18 rechtwinklig zu denjenigen nach Fig. verlaufen. Diese Anordnung eignet sich zur Herstellung von großflächigen Halbleiterplättchen. .
Im übrigen entsprechen die Ausführungsformen nach Fig. 5 und derjenigen nach Fig. 2, so daß zur Kennzeichnung gleiche Bezugsziffern dienen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet verschiedene Vorteile. So müssen beispielsweise nicht mehr einzelne Halbleiterplättchen für sich gereinigt, geätzt, diffundiert usw. werden. Dadurch wird sehr viel manuelle Tätigkeit eingespart, d.h. eine große Anzahl von Plättchen kann gleichzeitig verarbeitet werden. Erreicht wird dies dadurch, daß eine entsprechend große Anzahl von Halbleiterplättchen an einem Ende zu einem Bündel verbunden ist, das in diesem Zustand verarbeitet wird. Das ganze Bündel kann bis zur Trennung der Halbleiterplättchen gemeinsam verschiedene Verarbeitungsvorgänge durchlaufen. Das Halbleiterbündel kann mit Vorteil so verarbeitet werden, daß eine weitere Schicht Halbleitermaterial in der flüssigen Phase auf jedem Halbleiterplättchen gezogen wird. Infolge der Verbindung mit dem gemeinsamen Rohling werden die Halbleiterplättchen gleichzeitig verarbeitet und man erhält eine gute Temperaturverteilung, infolge der Wärmeleitung durch den Abschnitt des Rohlings, der die Plättchen verbindet und sie im Abstand parallel hält.
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Die Plättchen eines Bündels können mit jedem Neigungswinkel verarbeitet werden, so daß man bei der Lagerung und Unterbringung der Plättchen Raum spart. Ferner kann ein Posten eines einzigen Kristalles gemeinsam verarbeitet werden, was die Überwachung vereinfacht. Hierbei kann man gemäß Figo 2b . an einem oder beiden Enden des Substrats-eine entsprechende Postennummer,. z.B. 0136, anbringen. , . , . .
Da das Plättchenbündel in einen Diffusionsofen gemäß Fig. 3 und ohne Quarzschiffchen oder dergl. eingesetzt werden kann, ergeben sich folgende Vorteile:
a) die Diffusionskosten verringern sich,
b) die Zahl der Halbleiterplättchen, die· gemeinsam diffundiert werden können, wird erhöht, ■ .
c) eine Verunreinigung der Plättchen durch ein Quarzschiffchen wird vermieden,
d) da. kein Platz für das ,Quarzschiffchen benötigt wird, kann der Diffusionsofen mit kleinerem Durchmesser und dadurch billiger, ausgeführt werden, . . . , ..-..-.
e) da ein Verschmelzen von Quarzrohr und Quarzschiffchen nicht mehr möglich ist, kann die Diffusion bei höheren Temperatuen ausgeführt werden. Dies ermöglicht, eine größere StorStellenkonzentration auf der Plättchenoberfläche und/oder eine ; Verringerung der Diffusionszeit.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene Weise variiert werden. Beispielsweise kann das Quarzrohr nach -Fig. 3 . : oder 4 mehr- als ein Plättchenbündel in einer^ Länge einer Iränkungszone aufnehmen; Ebenso kann das zur Diffusion verwendete Quarzrohr vertikal oder horizontal angeordnet werden. Im letzteren Fäll kann man diejPlättchenbündel zur Diffusion ohne weiteres in Längsrichtung des vertikalen Rohres anordnen.
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Claims (11)

  1. Patentansprüche
    1· Herstellungsverfahren für Halbleiterelemente, dadurch gekennzeichnet, daß annähernd parallele Nuten in ein Halbleitersubstrat geschnitten werden, wobei ein Abschnitt des Substrates nicht geschnitten wird, so daß man ein Bündel-von durch Nuten getrennten, durch den nicht geschnittenen Substrat— abschnitt aber verbundenen Halbleiterplättchen erhält, und daß sämtliche Halbleiterplättchen mindestens einmal gleichzeitig verarbeitet werden.
  2. 2. Vefahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten von einer Seite des Substrats bis zu dem nicht durchschnittenen Abschnitt eingeschnitten werden,
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat die Form eines KreisZylinders besitzt und daß die Nuten senkrecht zur Längsachse des Substrats bis zu dem nicht durchschnittenen Abschnitt eingeschnitten werden·
  4. 4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die bis zu dem nicht durchschnittenen Abschnitt verlaufenden Nuten schräg zur Längsrichtung des Substrats ausgeführt werden.
  5. 5· Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten parallel zu einer in Längsrichtung des Substrats verlaufenden Ebene ausgeführt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung des Substrats an dem nicht durchschnittenen Abschnitt in Längsrichtung eine Fläche angeschliffen wird.
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  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens sämtliche Halbleiterplättchen gemeinsam/geätzt werden. gereinigt oder
    ii rr"4~ λΛ QT1 '
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens sämtliche Halbleiterplättchen durch Diffusion mit einem Störstoff versehen werden.
  9. 9· Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbündel zur Diffusion in ein Quarzrohr eingesetzt wird, wobei es die Innenseite des Rohres direkt berührt.
  10. 10. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterplättchen nach der gemeinsamen Verarbeitung voneinander getrennt werden.
  11. 11. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterplättchen Halbleitermaterial in der flüssigen Phase gezogen wird.
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    Le e rs e i te
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