DE2450896A1 - Halbleitervorrichtungen und temperaturgradienten-zonenschmelzverfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Halbleitervorrichtungen und temperaturgradienten-zonenschmelzverfahren zur herstellung derselben

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Description

Dr. Horst Schüler 2A50896
Patentanwalt 2C- Ok. lq7iJ
6 Frankfurt/Main 1 Scnu-vo/hö
Nhddasstr. 52
2928-RD-6i}62
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.
Halbleitervorrichtungen und Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren zur Herstellung derselben
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen und ein Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren zur Herstellung derselben.
Bisher wurden Halbleiterdioden mittels Diffusions-, Legierungsoder epitaxialer Wachstums- bzw. Aufwachstechniken hergestellt. Alle solche Verfahren sind mit Behandlungsweisen verbunden, aufgrund derer die optimalen physikalischen Eigenschaften der Dioden niemals erreichbar sind. Die Vorgänge sind dergestalt, daß infolge des Einführens von den praktizierten Verfahrenstechniken anhaftenden Verunreinigungen die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Dioden herabgesetzt bzw. verschlechtert werden.
Zur Vermeidung dieser und weiterer Nachteile wird nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Halbleitervorrichtung vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, daß eine Vielzahl von einteiligen einzelnen Körpern aus Einkristallhalbleitermaterial vorgesehen ist, wobei jeder Körper ein Paar gegenüberliegender sowie inuwesentlichen einander paralleler Hauptoberflächen aufweist' und eine ausgewählte Leitfähigkeitstype, einen ausgewählten spezifischen Widerstand und einen ausgewählten kristallographischen Aufbau hat, daß das Material eines jeden von (n-1) Körpern ein rekristallisiertes Halbleitermaterial des entsprechenden Körpers mit einer festen Löslichkeit an einem Verunreinigungs- bzw. Störstellen-Dotierungsmetall darstellt, um dem Material die ausgewählte Leitfähigkeitstype sowie den ausgewählten spezifischen Widerstand zu verleihen, wobei der Konzentrationspegel des Störstellen-Dotierungsmetalls im
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■« ο «
Körper weitgehend konstant ist, daß ferner die einteiligen Körper
hinsichtlich der gegenüberliegenden Hauptoberflächen aller Körper
parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich zumindest eine der Hauptoberflächen eines Körpers in Anlagekontakt mit nur einer
Hauptoberfläche eines anderen Körpers befindet, und daß die Körper durch einen Bereich rekristallisieren Materials der sich in AnIagekontäkt hiermit befindenden Körper miteinander verbunden und einteilig ausgebildet werden, wobei der Bereich oder Abschnitt einteilig mit dem Material der Körper ist und eine feste Löslichkeit des Störstellen-Dotierungsmetalls von zumindest einem der Körper aus
rekristallisiertem Material hat, und wobei η eine positive ganze
Zahl von zumindest 2 darstellt.
Erfindungsgemäß wird ein Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren zur Herstellung der Leistungsdiode dieser Erfindung benutzt.
Eine Metallschicht, die ein Dotierungsmaterial darstellt oder enthält, wird auf einen Körper aus Halbleitermaterial aufgedampft. Es handelt sich um ein aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Germanium und der Gruppe III-V sowie II-VI Halbleiterverbindungen ausgewähltes Material mit einer <111>
kristallographischen Ausrichtung. Die Metallschicht unterliegt
einer thermischen Wanderung durch das Halbleitermaterial zur Bildung des Bereiches. In einem alternativen Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren wird die Metallschicht mit dem Dotierungsmaterial auf einer Oberfläche eines Körpers aus Halbleitermaterial abgelagert. Dann wird auf die Metallschicht eine Halbleitermaterialschicht aufgebracht. Die Metallschicht unterliegt einer thermischen Wanderung durch die aufgebrachte Halbleitermaterialschicht infolge •einer Temperaturgradienten-Zonenschmelzung zwecks Bildung des Leistungsdioden-Grundaufbaus .
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen
detailliert erläutert. Es zeigen:
Figuren
1 und 2 - Vertikalschnitte von Körpern aus Halbleitermaterial, das
nach der vorliegenden Erfindung behandelt wurde,
Figur 3 - eine teilweise geschnittene Vertikalansicht einer zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Apparatur, - 3 -
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Figuren
4, 5 u. 6 - Vertikalschnitte der Halbleitermaterialkörper aus Figuren 1 und 2 nach einer weiteren Behandlung entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Figur 7" - eine graphische Darstellung des Stroms in Ampere und der Spannung in Volt in Sperrichtung einer Leistungshalbleiterdiode nach der vorliegenden Erfindung und
Figuren
8 und 9 - Vertikalansichten eines Körpers aus Halbleitermaterial/ das durch ein abwechselndes Verfahren nach der vorliegenden Erfindung behandelt wurde.
In Figur 1 ist ein erster Körper Io aus Einkristall-Halbleitermaterial mit einer ersten Leitfähigkeitstype und einem bevorzugten spe-1 zifischen Widerstand dargestellt. Der Körper Io hat eine Obere Oberfläche 12 und eine untere Oberfläche 14, welche die beiden im wesentlichen zueinander parallelen Hauptoberflächen darstellen. Der spezifische Widerstand des den Körper Io bildenden Materials variiert mit dem Erfordernis hinsichtlich der gewünschten Durchbruchspannung der herzustellenden Vorrichtung. Der Körper Io hat hinsichtlich seiner Oberflächen 12 und 14 eine bevorzugte kristallographische (111) Planarstruktur, die erforderlich ist, damit das Metall, das(während eines Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahrens nach der Erfindung durch den Körper Io wandert, eine im wesentlichen gleichförmige Front beibehalten kann. Geeignete Materialien für den Körper Io sind Silizium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid und Germanium, Verbindungen' eines Elements der Gruppe II ; und eines Elements der Gruppe VI sowie Verbindungen eines Elements der Gruppe III und eines Elements der Gruppe V. Bei der weiteren Erläuterung der Erfindung wird der Körper Io als aus einem Siliziumhalbleitermaterial bestehend beschrieben.
Der Siliziumkörper Io wird in der für alle Halbleitermaterialien üblichen Weise für einen AufdampfVorgang vorbereitet, und zwar durch geeignete Verfahrensmittel wie Schleifen, Polieren, Läppen und chemisches Polieren zum Entfernen beschädigter Schichten aus Halbleitermaterial. Der Vorbereitungsvorgang des Körpers Io einschließlich der zuvor genannten Verfahrensschritte, was nicht dar-
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gestellt ist, wird nicht detailliert beschrieben, da eine solche Verarbeitung und Behandlung des Körpers Io bekannt ist und keinen Zusammenhang mit der Erfindung hat»
Eine Schicht 16 aus einem geeigneten Metall wird auf der oberen Oberfläche 12 des Körpers Io abgelagert. Das Material der Metallschicht 16 ist dergestalt, daß es das Material des Körpers Io zur Erzeugung einer zweiten und entgegengesetzten Leitfähigkeitstype im Körper Io geeignet dotiert» Um die Erfindung im einzelnen zu beschreiben, wird angenommen, daß der Körper eine N-Leitfähigkeit hat, Die Schicht 16 besteht dann aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Aluminium, um eine zweite und entgegengesetzte Leitfähigkeitstype im Körper Io zu erzeugen, nämlich eine P-Leitfähi*gkeit. Die Aluminiumschicht 16 wird durch geeignete sowie bekannte Maßnahmen aufgebracht, beispielsweise durch Vakuumablagerung, Elektronenstrahlablagerung und ähnliches, wodurch eine im wesentlichen sauerstoffreie Metallablagerung des durchzuführenden Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahrens erzeugt wird.
Gemäß Figur 2 wird ein zweiter Körper 18 aus Einkristall-Siliziumhalbleitermaterial mit einer N-Leitfähigkeit und einem ausgewählten spezifischen Widerstand in derselben Weise wie der erste Körper Io vorbereitet. Der zweite Körper 18 hat eine obere Oberfläche 2o und eine untere Oberfläche 22, welche die beiden einander weitgehend parallelen Hauptoberflächen darstellen. Der zweite Körper 18 aus Silizium kann irgendeine dem Siliziummaterial anhaftende kristallographische Struktur haben. Zur Vermeidung einer Verwechslung beim Herstellen einer großflächigen Leistungsdiode hat der zweite Siliziumkörper 18 vorzugsweise ebenfalls hinsichtlich der Oberflächen 2o und 22 eine kristallographische (111) Planarstruktur. Es ist festzustellen, daß der Körper 18 vorzugsweise aus demselben Material wie der Körper Io besteht.
Dann wird eine Schichtung der beiden bearbeiteten Siliziumkörper Io und 18 hergestellt. Der erste Körper Io wird auf dem zweiten Körper 18 angeordnet und so ausgerichtet, daß die ausgesetzte Hauptoberfläche 24 der Aluminiumschicht 16 in körperlichem Kontakt
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auf der oberen Oberfläche 2o des zweiten Siliziumkörpers 18 zu liegen kommt.
Die zubereitete Schichtung wird in einer Apparatur angeordnet, die zum Erzeugen eines im wesentlichen mit der Vertikalachse der Körper Io und 18 zwischen den beiden Oberflächen 14 und 22 zusammenfallenden Temperaturgradienten geeignet ist. Der Temperaturgradient ist deshalb weitgehend mit der <111> Achse des Körpers Io ausgerichtet. Die Unterseite bzw. untere Oberfläche 14 des ersten Siliziumkörpers Io ist so ausgerichtet, daß sie einer thermischen Energiequelle ausgesetzt ist, wobei die Temperatur größer als diejenige ist, der die untere Oberfläche 22 des,Siliziumkörpers 18 ausgesetzt ist. Dann wird eine Temperaturgradienten-Zonenschmelzungsbehandlung (TGZM) zur Erzeugung einer großflächigen Leistungsdiode durchgeführt. Während der Wanderung der Aluminiumschicht 16 durch den Körper Io wird ein Temperaturgradient von Io bis 2oo C pro Zentimeter im Siliziummaterial aufrechterhalten. Vorzugsweise wird der Temperaturgradient auf einem berechneten Wert von loo C/cm im Siliziummaterial der Schichtung gehalten. Der berechnete Temperaturgradient VT_ wird aus dem Ausdruck
hergeleitet, wobei K die thermische Leitfähigkeit und E das Emissionsvermögen des Halbleitermaterials-Silizium ist, während Ö* die Stefan-Boltzman Strahlungskonstante, T die Temperatur der kalten Seite des Körpers aus Halbleitermaterial-Silizium und T der Tempe-
raturgradient im Körper aus Halbleitermaterial darstellen.
Der Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgang (TGZM) kann bei einem
-7 -5
Druck im Bereich von etwa 1 χ Io Torr bis etwa 1 χ Io Torr durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der TGZM-Vorgang bei einem Druck von weniger als 1 χ Io Torr praktiziert.
Eine schematische Darstellung einer für die Temperaturgradienten-Zonenschmelzbehandlung der vorliegenden Erfindung geeignete Vakuumofenapparatur 5o ist in Figur 3 dargestellt. Die behandelte Schichtung aus Figur 2 wird zwischen einer Heißquelle 52 und einer Kaltquelle 54 angeordnet. Die Heißquelle kann beispielsweise ein Mo-
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lybdänblock sein, der in geeigneter Weise durch eine Quelle 56 thermischer Energie, wie beispielsweise einen Elektronenstrahl, erhitzt wird. Es ist wesentlich, daß die Heißquelle 52 die untere Oberfläche 14 des Körpers Io gleichförmig auf eine Temperatur von 7oo bis 14oo c erhitzt, um den Bereich des berechneten Temperaturgradienten von 5o bis 2oo°C/cm zu erreichen. Die Kaltquelle 54 kann beispielsweise ein wassergekühlter Kupferblock sein. Wenn die Kaltquelle 54 als wassergekühlter Block auf einer Temperatur von 25 bis 5o C gehalten und die obere Oberfläche 14 des Körpers Ίο gleichförmig auf looo bis 12oo°C erhitzt wird, ergibt sich der berechnete Temperaturgradient von loo°C/cm für das Siliziummaterial, durch das die Aluminiumschicht 14 wandern muß. Um die behandelte Schichtung sowie die Heiß- und Kaltquellen 52 und 54 erstrecken sich Strahlungsabschirmungen 58 zur Vermeidung eines übermäßigen Wärmeverlustes oder einer möglichen Beeinflussung des Temperaturgradienten in den Körpern Io und 18 während der TGZM-Behandlung. Im einzelnen verhindern die Strahlungsabschirmungen einen Transport thermischer Energie zn oder von den Seiten der Schichtung.
Unter Bezug auf die Figuren 3 und 4 wird darauf hingewiesen, daß die Aluminiumschicht 16 beim Erhitzen auf die Betriebstemperatur des Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgangs schmilzt und sich mit dem unmittelbar angrenzenden Siliziummaterial der oberen Oberflächen 12 und 2o der entsprechenden Körper Io und 18 vermischt, um eine durchgehende geschmolzene Grenzschicht an. aluminiumreichem Silizium zu erzeugen. Die geschmolzene Grenzschicht wächst in ihrer Größe weiter, bis zwischen den zwei Körpern Io und 18 ein Becken an aluminiumreicher Siliziumflüssigkeit entstanden ist. Diese beginnt aufgrund des Temperaturgradienten mit ihrer Wanderung nach oben durch den Körper Io von der oberen Oberfläche 12 in Richtung zur unteren Oberfläche 14. Aluminiumdotiertes, rekristallisiertes Silizium des Körpers Io und dasjenige der oberen Oberfläche 2o des Körpers 18 werden beginnend an der Grenzschicht der Schicht 16 und des Körpers 18 unter Erzeugung eines P-N Übergangs 26 abgelagert. Die Wanderung der aluminiumreichen Siliziumflüssigkeit nach oben durch den Körper Io wird durch Einstellen und Aufrechterhalten des zuvor erwähnten begrenzten ther-
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— "7 «Β
mischen Gradienten in einer ersten Richtung weitgehend parallel zur Vertikalachse des Schichtaufbaus erzielt« Gleichzeitig wird ein zweiter oder Null-Temperaturgradient im Schichtaufbau eingestellt und aufrechterhalten, und zwar in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Dieser Temperaturgradient wird durch die Strahlungsabschirmungen 58 der Apparatur 5o unterstützt» Die Grenzschicht 28 zwischen der aluminiumreichen Siliziumflüssigkeit und dem Silizium des Körpers Io stellt eine große Flüssigkeitsfläche im Siliziumkörper dar, der eine kristallographische (111) Planarstruktur und eine <111> Wanderungsrichtung hat. Die Flüssigkeit wandert als im wesentlichen durchgehende Planaroberfläche. Eine Überprüfung der nach oben durch den Körper wandernden Stirnseite bzw. Front ergibt, daß diese über ihre Ausdehnung durchgehend bzw. ununterbrochen ist. Die Aufwärtswanderung des geschmolzenen Beckens an aluminiumreichem Silizium setzt sich fort, solange der Temperaturgradient aufrechterhalten wird, wobei kontinuierlich eine neue Schmelzzone an Aluminium und Silizium an der vorderen Grenzschicht erzeugt wird und wobei ein aluminiumdotierter, rekristallisierter Siliziumbereich 3o von stets zunehmender Große abgelagert wird. Der rekristallisierte Bereich 3o hat eine feste Löslichkeit hinsichtlich der Dotierungsverunreinigung bzw. der Dotierungsfremdatome. Da der Temperaturgradient über die Dicke des Körpers Io klein ist und da die Neigung der LÖslichkeitskurve für Aluminium in Silizium in dem beim praktizierten Temperaturgradienten-Zonenschmelzen verwendeten Temperaturbereich klein ist, ergeben sich eine weitgehend konstante Dotierungsmittelkonzentration und ein weitgehend konstanter spezifischer Widerstand über den rekristallisierten Bereich 3o. Das bedeutet, daß die Fremdstoff- bzw. Verunreinigungskonzentration von Aluminium im Silizium des Bereichs
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3o etwa 2 χ Io Atome pro Kubikzentimeter beträgt.
Im Silizium mit einer anderen.von <111> abweichenden kristallographischen Strukturausrichtung ist die Schmelzgrenzschicht 28 der wandernden Aluminium-Siliziumschmelze sehr unregelmäßig. Wenn die Abweichung von der <111> Wachstumsachse zu groß ist, bricht die Wanderungsgrenzschicht 28 auf, was zu einer höchst unregelmäßigen P-N Übergangsζone im Körper Io und zu einer Leistungsdiode mit un-
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erwünschten elektrischen Eigenschaften führt. Wenn jedoch die thermische Wanderung im wesentlichen längs der <111> Achse gehalten Wird, setzt sich der Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgang mit einer im wesentlichen gleichförmigen Schmelzgrenzschicht 28 fort, bis der ganze Körper Io in einen aluminiumdotierten Bereich 3o von rekristallisiertem Siliziummaterial des Körpers Io umgesetzt ist. Das überschüssige Aluminium wird von der Oberfläche 14 zur Beendigung des Vorgangs entfernt. Der fertiggestellte Aufbau der Leistungsdiode ist in Figur 5 dargestellt.
Hinsichtlich einer detaillierteren Beschreibung des Verfahrens und der Apparatur für die thermische Wanderung von ausgewählten Dotierungsmaterialien durch einen Körper aus Halbleitermaterial, beispielsweise für die Wanderung von Aluminium in Silizium, wird auf folgende gleichzeitige Patentanmeldungen der Anmelderin verwiesen: P (Anmelderzeichen: 2925-RD-5286), P (Anmelderzeichen: 292O-RD-6466) und P (Anmelderzeichen: 2926-RD-6936).
Gemäß Figur 6 wird eine erste elektrische Kontaktschicht 32 mit einer geeigneten ohmschen Lötschicht 34 am Bereich 3o befestigt. Die Diode wird durch Anbringen einer zweiten elektrischen Kontaktschicht 36 am Körper 18 durch eine geeignete Schicht 38 aus ohmschem Lötmaterial fertiggestellt.
In der beschriebenen Weise hergestellte großflächige Leistungsdioden ergeben hervorragende elektrische Eigenschaften, ohne daß ein Anbringen von Passivierungsbeschichtungen auf ausgesetzten Oberflächen der Vorrichtungen, einschließlich der ausgesetzten Oberflächen der P-N Übergangszone, erforderlich ist. Die sich ergebenden P-N Übergangszonen sind nach der Behandlung sauber und sehr bestimmt. Es liegt eine abrupte P-N Übergangszonenstufe vor. Die sich bei nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Dioden ergebende Durchbruchsspannung erreicht weitgehend die theoretische Durchbruchsspannung, die für das Halbleitermaterial der Körper Io sowie 18 und das Dotierungsmaterial der Schicht 16 erzielbar ist. Der Leckstrom der so hergestellten Diodenvorrichtungen ist ausgezeichnet im Vergleich zu früheren Vorrichtungen. - 9 -
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Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung:
Beispiel I
Zwei Plättchen aus Silizium-Einkristall-Reihenleitungsmaterial von jeweils 1 cm Dicke wurden von einer Stange mit 25,4 mm (1 Zoll) Durchmesser abgetrennt. Das Siliziummaterial der Stange hatte eine N-Leitfähigkeit, war mit Phosphor dotiert und hatte einen spezifischen Widerstand von Io Ohm-Zentimeter, eine Lebensdauer von 5o Mikrosekunden und eine kristallographische <Ί11> Ausrichtung mit 1 χ Io Versetzungen pro Quadratzentimeter. Jedes Plättchen wurde in der für Halbleiterbehandlungen üblichen Weise mittels Polieren und Läppen vorbehandelt. Eine Aluminiumschicht von 5o μ Dicke wurde auf einer Hauptoberfläche einer (111) Planarausrichtung eines Plättchens durch Elektronenstrahlaufdampfung abgelagert. Die Reinheit des Aluminiummetalls betrug 99,9999 %. Der Ablagerungsvorgang des Aluminiums. wurde bei einem Druck von 1 χ Io Torr durchgeführt, und es war zum Ablagern der Aluminiumschicht eine Zeit von 5o Minuten erforderlich. Es wurde keine spezielle Bearbeitung zum Schützen der Seiten oder anderer Hauptflächen des Plättchens vorgenommen, da es durch die Art der angewendeten Apparatur abgeschirmt war.
Die beiden Plättchen wurden dann zur Bildung eines sandwichartigen Werkstücks gemäß Figur 2 in bezug aufeinander angeordnet. Die sandwichartige Schichtung wurde dann in einer zur Durchführung der Temperaturgradienten-Zonenschmelzung geeigneten Apparatur angeordnet. Die Wärmequelle stellte eine durch eine Elektronenstrahlvorrichtung erhitzte Molybdänscheibe dar. Die Kaltquelle bzw. der Wärmesumpf war eine wassergekühlte Kupferscheibe. Es wurde ein berechneter . Temperaturgradient von loo C/cm im Siliziummaterial der Halbleiterschichtung eingestellt, und zwar im wesentlichen unter Ausrichtung mit der <111> Achse der Plättchen. Der Temperaturgradient ergab sich durch Erhitzen der Molybdänscheibe auf eine Temperatur, die ausreichte, um die der Molybdänscheibe nächstliegende Hauptoberfläche des Plättchens auf lo9o°C - 2o°C zu erhitzen und auf dieser Temperatur zu halten. Die Temperatur der wassergekühlten Kupferscheibe wurde auf 25°C - 5°C gehalten. Das Verfahren wurde bei
- Io -
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einem Druck von 1 χ Io Torr während zwei Stunden durchgeführt. Die Aluminiumschicht unterlag keiner vollständigen thermischen Wanderung durch den Siliziumkörper.
Nach Beendigung der Behandlung wurde die Schichtung entfernt, zerteilt und hinsichtlich der Infrarotdurchlässigkeit überprüft. Die beiden Plättchen waren körperlich miteinander verbunden. Die durch die Temperaturgradienten-Zonenschmelzbehandlung erzeugte P-N Übergangszone hatte ein extrem scharfes übergangsprofil. Die Aluminium-Silizium-Wanderung war über eine Distanz von 3 mm von der Oberfläche, auf der das Aluminium abgelagert wurde, in das Plättchen fortgeschritten.
Von der behandelten Schichtung wurde eine Probediode von 6,8 mm χ 15 mm abgeschnitten und einer elektrischen Überprüfung unterworfen. Die P-N Übergangszonenfläche wurde zu 5 Quadratmillimetern veranschlagt. Die Durchbruchsspannung der Probediode betrug 4oo Volt. Dies ist die theoretische Spannung, die mit einem Io Ohm-Zentimeter, N-Typ Silizium erreicht werden kann, das mit Aluminium dotiert
19 ist, wobei die Fremdstoffkonzentration ungefähr 2 χ Io Atome pro
— 8 Kubikzentimeter beträgt. Der Leckstrom bei Io Volt betrug 3 χ Io
-•7
Ampere. Bei loo Volt ergab sich ein Leckstrom von 1 χ Io Ampere. Die Breite der P-N Übergangszone wurde durch Messungen der Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung bestimmt. Das Profil der durch die anfängliche Aluminiumschicht und das unbeschichtete Siliziumplättchen gebildeten P-N Übergangszone hatte eine Breite von 1/3 μ. Während der Behandlung trat nur eine sehr kleine Diffusion von Aluminium über die P-N Übergangszone in das Silizium auf. Die Lebensdauer des behandelten Schichtungsmaterialkörpers betrug 1 Mikrosekunde. Dieses Verfahren wurde unter unsauberen Raumbedingungen durchgeführt.
Eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des SperrStroms in Ampere in Abhängigkeit von der Sperrspannung in Volt einer Probe mit einer P-N Übergangszonenfläche von 3 Quadratmillimetern ist in Figur 7 dargestellt.
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Die hergestellte Diode hatte hervorragende elektrische Eigenschaften hinsichtlich der Durchbruchsspannung und der Leckstromerfordernisse. Diese Ziele wurden ohne Verwendung irgendwelcher spezieller Oberflächenpassivierungsmittel für das behandelte Beispiel und ohne Vorliegen eines sauberen Raumes erreicht.
Beispiel II
Das Verfahren von Beispiel I wurde wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß das Material eines jeden Plättchens eine kristallographische <loo> Ausrichtung hatte. Der Temperaturgradient wurde im wesentlichen mit der <loo> Achse der Plättchen ausgerichtet.
Eine Überprüfung der durch die wandernde Grenzschicht gebildeten P-N Übergangszone ergab, daß die Grenzschicht höchst unregelmäßig geformt war. Eine solche Vorrichtung ist für eine großflächige Hochleistungsdiodenvorrichtung unzuverlässig bzw. ungeeignet. Jedoch können von der behandelten Schichtung Dioden niedriger Leistung hergestellt werden, indem die Schichtung bzw. das Sandwich zwecks Entfernung der unregelmäßigen Grenzschicht zugerichtet bzw. zurückgeschnitten wird.
Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte großflächige Leistungsdioden weisen extrem scharfe ÜbergangszonenprofiIe auf. Das heißt, daß eine stufenförmige P-N Übergangszone erzielt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt eine sehr kleine Diffusion des Aluminiums über die P-N Übergangszone in das Silizium auf. Die Breite der P-N Übergangszone beträgt etwa 1/3 μ bei einem Verfahrenstemperaturbereich von 7oo C bis etwa looo C. Die Lebensdauer der großflächigen Leistungsdioden dieser Erfindung ist bei einer Zubereitung unter sauberen Raumbedingungen besser als die Lebensdauer bekannter Vorrichtungen.
Ein alternatives Verfahren zum Herstellen einer Hochleistungsdiode verwendet in erster Linie Aufdampftechniken für das Halbleitermaterial und sein Dotierungsmaterial. Gemäß Figur 8 ist ein Körper Ho aus Halbleitermaterial durch geeignete Mittel, wie beispielsweise durch Läppen und Polieren, für die Aufdampfung des Metalls vorbe-
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reitet. Der Körper Ho hat eine obere Oberfläche 112 und eine untere Oberfläche 114. Das Material des Körpers Ho kann Silizium, Germanium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid, eine Verbindung eines Elements der Gruppe II sowie eines Elements der Gruppe VI und eine Verbindung eines Elements der Gruppe III sowie eines Elements der Gruppe V sein. Bei der weiteren Beschreibung der Erfindung wird der Körper 112 als aus einem Siliziumhalbleitermaterial mit einer N-Leitfähigkeit bestehend angesehen.
Auf der Oberfläche 112 wird eine Metallschicht 116 durch geeignete Mittel abgesdiieden, beispielsweise durch Aufdampfen, durch einen Elektronenstrahl und ähnliches, wobei die Schicht an abgelagertem Metall im wesentlichen sauerstoffrei ist. Das Material der Schicht 116 ist ein solches, das die Oberflächen des Halbleitermaterials leicht benetzt, mit dem es während der anfänglichen Erhitzungsperiode des Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahrens in Berührung kommt. Zusätzlich eignet sich das Material der Schicht 116 zum Dotieren des Halbleitermaterials mit einem Verunreinigungsmaterial, das zum Erzeugen einer erwünschten P- oder N-Leitfähigkeit geeignet ist. Ein geeignetes Material zum Bilden der Schicht 116 ist Aluminium, wenn der Körper Ho aus Silizium mit einer N-Leitfähigkeit besteht.
Auf der Metallschicht 116 wird eine Schicht 118 aus Halbleitermaterial abgelagert. Dieses kann dasselbe wie dasjenige des Körpers Ho oder irgendeines der anderen hierfür geeigneten Materialien sein. Das Material der Schicht 118 kann durch irgendwelche geeigneten Mittel, beispielsweise durch ein Aufdampfen bzw. eine Dampfphasenablagerung oder durch Ablagern des Materials in Pulverform, auf die Oberfläche der Schicht 116 aufgebracht werden. Die Schicht sollte vorzugsweise dieselbe Dicke wie die Metallschicht 116 haben, um zu verhindern, daß die geschmolzene Metallschicht die Schicht 118 an ein oder mehreren Stellen vor dem übrigen Teil der geschmolzenen Schicht durchdringt. Dadurch wird die Möglichkeit ausgeschaltet, daß sich bei der Behandlung fehlerhafte Vorrichtungen ergeben. Da die Dicke der Schicht 118 gewöhnlich klein ist und in der Grössenordnung von bis zu 5o oder 6o μ liegt, ist die Ausrichtung
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der kristallographischen Struktur der Schicht 118 unkritisch. In diesem Beispiel besteht die Schicht 118 aus polykristallinem Silizium.
Gemäß Figur 9 wird der so behandelte Körper Ho in eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Temperaturgradienten-Zonenschmelzbehandlung eingesetzt, wobei die Aluminiumschicht 116 schmilzt und eine Schmelze an aluminiumreichem Silizium mit Silizium der Oberfläche 112 des Körpers Ho und des unmittelbar angrenzenden Siliziums der Schicht 118 bildet. Bei fortschreitendem Temperaturgradienten-Zonenschmelzvorgang wird ein Bereich 12o rekristallisierten Siliziums der Schicht 118 mit einer festen Löslichkeit an Aluminium erzeugt, der dieselbe Kristallstrukturausrichtung wie der Körper Ho hat.
Die Verunreinigungs- bzw. Fremdstoffkonzentration des Bereichs 12o
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beträgt etwa 2 χ Io . Eine P-N Übergangszone 122 wird durch die benachbarten Oberflächen des Bereichs 12o sowie des Körpers Ho mit einer P- bzw. N-Leitfähigkeit gebildet. Das überschüssige und durch die Schicht 118 gewanderte geschmolzene Aluminium erscheint an der Oberfläche 126 der fertigen Vorrichtung 124 und verfestigt sich dort. Die überschüssige Aluminiumschicht wird durch geeignete Mittel entfernt, beispielsweise durch selektives Ätzen bzw. Schleifen.
Obwohl die Erfindung auf die Herstellung großflächiger Leistungsdioden gerichtet wurde, sind auch andere Anwendungen der Erfindung durchführbar. Beispielsweise kann der rekristallisierte Bereich 3o gemäß Figur 5 ein aluminiumdotiertes Silizium mit einer P -Leitfähigkeit sein, das durch die Temperaturgradienten-Zonenschmelzbehandlung auf einem Körper 18 aus P-Silizium ausgebildet ist. In ähnlicher Weise wird ein rekristallisierter Bereich 3o mit einer N+-Leitfähigkeit auf einem Körper 18 mit einer N-Leitfähigkeit ausgebildet.
Gemäß Figur Io enthält eine Halbleitervorrichtung 2lo drei Bereiche 212, 214 und 216 aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen und einer Leitfähigkeit derselben oder einer unterschiedlichen Type. Beispielsweise kann der Bereich 212 Silizium mit einer N-Leitfähigkeit enthalten, während der Bereich
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214 ein Silizium mit einer N+-Leitfähigkeit und der Bereich 216 ein Silizium mit einer P+-Leit£ähigkeit aufweisen. Die Grenzschicht 218 zwischen den Bereichen 214 und 216 ist eine durch die benachbarten Oberflächen der Bereiche 214 und 216 entgegengesetzter Leitfähigkeit gebildete P-N Übergangszone. Die Bereiche 214 und 216 sind jeweils aus rekristallisieren Körpern- aus Halbleitermaterial mit einer kristallographischen<lll> Ausrichtung ähnlich dem Körper Io gebildet sowie in derselben oder in einer ähnlichen Weise wie dieser Körper zur Erzielung entsprechender Regionen behandelt. In ähnlicher Weise kann die Vorrichtung 21o auch die Konfigurationen N-P+-N+, P-P+-N+ und P-N+-P+ haben.
In ähnlicher Weise kann die Vorrichtung 21o auch eine Konfiguration haben, wobei der Bereich 214 eine N-Leitfähigkeit hat und wobei jeder der Bereiche 216 sowie 212 rekristallisierte Körper aus Halbleitermaterialien mit einer P -Leitfähigkeit und anfänglich mit einer kristallographischen <lll> Struktur darstellt. P-N Übergangszonen werden durch die Grenzschichten 218 und 22o der entsprechenden Paare der Bereiche "214 sowie 216 und 214 sowie entgegengesetzter Leitfähigkeitstype gebildet. Die Bereiche 212 und 216 werden durch die Temperaturgradienten-Zonenschmelzbehandlung der vorliegenden Erfindung geformt, und sie werden von Körpern aus Halbleitermaterial hergeleitet, die in derselben Weise wie der beschriebene Körper Io vorbereitet werden. Andere Konfigurationen der in dieser Weise hergestellten Vorrichtung 21o ergeben sich durch Verändern der Leitfähigkeiten der Bereiche 212, 214 und 216. Da jeder der Bereiche 212, 214 und 216 jeweils eine N-N+-, P- und P+-Leitfähigkeit haben kann, kann die Vorrichtung 2lo irgendeine der Konfigurationen annehmen, die durch Verändern der Leitfähigkeiten dieser Bereiche entsprechend den Ausführungserfordernissen möglich sind. Diese verschiedenen Ausbildungen ergeben ausgezeichnete Gelegenheiten zum weiteren Behandeln der Vorrichtung 21o zwecks Bildung von Mehrbereichshalbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Leistungstransistoren, gesteuerten Halbleitergleichrichtern, zweiseitigen Schaltern und ähnlichem. Die Auswahl des Halbleitermaterials für die Bereiche 212, 214 und erfolgt in Übereinstimmung mit den Entwurfserfordernissen und den Verfahrenserfordernissen nach der vorliegenden Erfindung. - 15 -
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Nach diesem Verfahren hergestellte großflächige Leistungsdioden zeigen dieselben elektrischen und physikalischen Eigenschaften wie die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren der Erfindung erzeugten Dioden.
Die Erfindung wurde im Zusammenhang mit einem Temperaturgradienten-Zonenschmelzen in einer negativen Atmosphäre bzw. bei Unterdruck beschrieben. Es wurde jedoch festgestellt, daß dann, wenn jeder Halbleitermaterialkörper ein dünnes Plättchen in der Größenordnung von o,25 mm (Io mil) Dicke ist, das Temperaturgradienten-Zonenschmelzverfahren in einer Inertgasatmosphäre von Wasserstoff, He-' lium, Argon und ähnlichem in einem Ofen mit positiver Atmosphäre bzw. einem überdruck praktiziert werden kann.
-Patentansprüche- - 16 -
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Claims (17)

  1. Ansprüche
    ί1.) Halblextervorrichtung mit einer Vielzahl von einteiligen einzelnen Körpern aus Einkristallha,lbleiterraaterxal, wobei jeder Körper ein Paar gegenüberliegender sowie im wesentlichen einander paralleler Hauptoberflächen und einen gewählten Leitfähigkeitstyp, einen gewählten spezifischen Widerstand und einen gewählten kristallographischen Aufbau aufweist, dadurch gekennzeichnet j daß das Material eines jeden von (n-1) Körpern ein rekristallisiertes Halbleitermaterial des entsprechenden Körpers mit einer festen Löslichkeit eines Verunreinigungsbzw. Störstellen-Dotierungsmetalles ist, um dem Material den gewählten Leitfähigkeitstyp sowie den gewählten spezifischen Widerstand zu verleihen, wobei der Konzentratxonspegel des Störstellen-Datierungsmetalles im Körper weitgehend konstant ist, daß ferner die einteiligen Körper hinsichtlich der gegenüberliegenden Hauptoberflächen aller Körper parallel zuein- . ander angeordnet sind, wobei sich zumindest eine der Hauptoberflächen eines Körpers in Stoßkontakt mit nur einer Hauptoberfläche eines anderen Körpers befindet, und daß die Körper durch einen Bereich (30; 120) rekristallisieren Materials der sich in Stoßkontakt hiermit befindenden Körper miteinander verbunden und einteilig ausgebildet werden, wobei der Bereich oder Abschnitt einteilig mit dem Material der Körper ist und eine feste Löslichkeit des Störstellen-Dotierungsmetalles von - zumindest einem der Körper aus rekristallisiertem Material hat und wobei η eine positive ganze Zahl von 2 oder größer darstellt.
  2. 2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der Körper aus der' Gruppe bestehend aus Silizium, Siliziumkarbid, Germanium und Galliumarsenid ausgewählt ist.
  3. 3. Halblextervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei Körper vorhanden sind, daß die
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    Leitfähigkeitstype des zweiten Körpers entgegengesetzt zur Leitfähigkeitstype des ersten Körpers ist, daß jeweils eine Hauptoberfläche der ersten und zwe'iten Körper eine Hauptoberfläche der Vorrichtung ausmachen und daß durch die anliegenden Hauptoberflächen der ersten und zweiten Körper eine P-N Übergangszone gebildet wird.
  4. 4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eines jeden Körpers Silizium ist, daß der erste Körper eine N-Leitfähigkeitstype hat und daß das Material des zweiten Körpers rekristallisiertes Material des Körpers ist und eine P-Leitfähigkeitstype hat, während das Dotierungsverunreinigungsmetall Aluminium ist.
  5. 5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper einen spezifischen Widerstand von Io Ohm-Zentimeter hat, daß der zweite Körper einen spezifischen Widerstand von etwa 8 χ Io Ohm-Zentimeter auf weist und daß die P-N Übergangszone stufenförmig ist.
  6. 6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte kristallographische Struktur des ersten Körpers eine (III)-Planarausrichtung für die Hauptoberflächen und eine (III)-Achsenausrichtung des Wachstums hat.
  7. 7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung nur einen anderen Bereich hat und daß beide Bereiche dieselbe Leitfähigkeitstype haben.
  8. 8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest drei Körper aufweist, daß ein erster Körper aus rekristallisiertem Halbleitermaterial eine Hauptoberfläche hat, die einteilig mit einer Hauptoberfläche eines zweiten Körpers aus rekristallisiertem Halbleitermaterial ist, und daß die andere Hauptoberfläche des ersten Körpers einteilig mit einer Hauptoberfläche des dritten Körpers aus rekristallisiertem Halbleitermaterial ausgebildet ist. -18-
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  9. 9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung drei Körper aufweist, daß ein erster Körper von unkristallisiertem Halbleitermaterial zwi-. sehen zweiten und dritten Körpern aus rekristallisiertem Halbleitermaterial angeordnet ist, daß ferner eine der Hauptoberflächen des ersten Körpers einteilig mit einer Hauptoberfläche des zweiten Körpers ausgebildet ist, während die andere Hauptoberfläche des ersten Körpers einteilig mit der Hauptoberfläche des dritten Körpers ausgebildet ist.
  10. 10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Körper jeweils dieselbe Leitfähigkeitstype haben, daß der dritte Körper eine zweite und entgegengesetzte Leitfähigkeitstype hat und daß durch die entsprechend anliegenden und einteiligen Oberflächen des Materials der ersten und dritten Körper eine P-N Übergangszone gebildet wird.
  11. 11. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Körper jeweils dieselbe Leitfähigkeitstype haben, während der zweite Körper eine zweite und entgegengesetzte Leitfähigkeitstype aufweist, und daß eine P-N Übergangszone vorhanden ist, die von dem Material der entsprechend anliegenden Hauptoberflächen der ersten und zweiten Körper gebildet ist.
  12. 12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und dritten Körper dieselbe Leitfähigkeitstype haben.
  13. 13. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Körper eine erste Leitfähigkeitstype und jeder der zweiten und dritten Körper eine zweite und entgegengesetzte Leitfähigkeitstype haben und daß eine Anzahl von P-N Übergangszonen vorhanden ist, die jeweils durch die entsprechenden einteiligen Hauptoberflächen der ersten sowie zweiten und der ersten sowie dritten Körper gebildet sind.
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  14. 14. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    a) ein Ablagern einer Schicht aus Metall auf einer oberen Oberfläche mit einer (111) Planarausrichtung eines ersten Körpers aus Halbleitermaterial, der eine kristallographische <111> Struktur und zwei gegenüberliegende, die entsprechenden oberen und unteren Oberflächen bildende Hauptoberflächen hat, wobei das Metall zum Dotieren eines Halbleitermaterials zwecks Erzielung einer ausgewählten Leitfähigkeitstype und eines ausgewählten spezifischen Widerstandes geeignet ist,
    b) ein Anordnen des ersten Körpers aus Halbleitermaterial auf einem zweiten Körper aus Halbleitermaterial mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen, die die oberen und unteren Oberflächen des Körpers ausmachen, wobei sich die auf der oberen Oberfläche des ersten Körpers abgelagerte Metallschicht in Anlageberührung mit der oberen Oberfläche des zweiten Körpers be- findet,
    c) ein Erhitzen der beiden Körper und der Metallschicht zur Erzeugung eines Beckens an metallreichem Material an der Grenzschicht der zwei Körper,
    d) ein Errichten eines Temperaturgradienten in Vertikalrichtung der beiden Körper aus Halbleitermaterial und im wesentlichen in Ausrichtung mit der <111^ Achse des ersten Körpers, wobei sich die untere Oberfläche des ersten Körpers auf der höheren Temperatur befindet,
    e)·eine thermische Wanderung des geschmolzenen metallreichen Materials durch den ersten Körper aus Halbleitermaterial längs der <111> Achse,
    f) ein Verbinden der beiden Körper aus Halbleitermaterial durch einen Bereich rekristallisierten Halbleitermaterials mit fester Löslichkeit des Materials der Metallschicht als Dotiermittel und
    g) ein Vergrößern des Bereichs des rekristallisierten, dotierten Halbleitermaterial durch kontinuierliche thermische Wanderung des metallreichen Halbleitermaterials durch den ersten Körper längs dessen <111> Achse.
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  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgradient loo C pro Zentimeter beträgt.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine P-N Übergangszone an der Grenzschicht des ersten Körpers und des rekristallisierten Bereichs von dotiertem Halbleitermaterial gebildet wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 - 16, ferner gekennzeichnet durch
    h) ein Ablagern einer Metallschicht auf der oberen und mit einer (111) Planarausrichtung versehenen Oberfläche eines dritten Körpers aus Halbleitermaterial mit einer kristallographischen <flll> Struktur und zwei gegenüberliegenden, die oberen und unteren Oberflächen desselben bildenden Oberflächen, wobei das Metall zum Dotieren eines Halbleitermaterials zwecks Erzielung einer ausgewählten Leitfähigkeitstype und eines ausgewählten spezifischen Widerstandes geeignet ist,
    i) ein Anordnen des dritten Körpers aus Halbleitermaterial auf einem der ersten und zweiten Körper aus Halbleitermaterial, wobei die auf der oberen Oberfläche des dritten Körpers abgelagerte Metallschicht sich in Anlageberührung mit der Oberfläche eines der anderen beiden Körper befindet, der nicht mit dem weiteren der beiden Körper verbunden ist,
    j) ein Erhitzen aller Körper und der auf dem dritten Körper abgelagerten Metallschicht zur Erzeugung eines Beckens an metallreichem Material an der Grenzschicht des dritten Körpers und dem einen der ersten und zweiten Körper,
    k) ein Einstellen eines durch die drei Körper aus Halbleitermaterial vertikal verlaufenden Temperaturgradienten in weitgehender Ausrichtung mit der <111> Achse des dritten Körpers, wobei sich die untere Oberfläche des dritten Körpers auf der höheren Temperatur befindet,
    1) eine thermische Wanderung des geschmolzenen metallreichen Materials durch den dritten Körper aus Halbleitermaterial längs der <111> Achse,
    m) ein Verbinden des dritten Körpers sowie des einen der er-
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    sten und zweiten Körper, auf dem der dritte Körper angeordnet wurde/ durch einen Bereich rekristallisierten Halbleitermaterials mit fester Löslichkeit der auf dem dritten Körper als Dotiermittel angeordneten Metallschicht und
    n) ein Vergrößern des Bereichs des rekristallisierten, dotierten Halbleitermaterials durch kontinuierliche thermische Wanderung des metallreichen Halbleitermaterials durch den dritten Körper längs dessen <111> Achse.
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