DE2548160A1 - Verfahren zum herstellen eines isolationsgitters in einem halbleiterkoerper - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines isolationsgitters in einem halbleiterkoerper

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DE2548160A1 DE19752548160 DE2548160A DE2548160A1 DE 2548160 A1 DE2548160 A1 DE 2548160A1 DE 19752548160 DE19752548160 DE 19752548160 DE 2548160 A DE2548160 A DE 2548160A DE 2548160 A1 DE2548160 A1 DE 2548160A1
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Description

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.
Verfahren zum Herstellen eines Isolationsgitters in einem
Halbleiterkörper
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Herstellen einer Gitteranordnung in einem Körper aus halbleitendem Material eines Halbleiterelementes, bei dem eine Vielzahl von Regionen des Halbleitermaterials des Körpers elektrisch voneinander isoliert werden, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfaßt:
Auswählen eines Körpers aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einer bevorzugten kristallographischen Struktur, zwei
gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden, wobei zumindest die obere Oberfläche eine bevorzugte planare Orientierung aufweist, und diese planare Orientierung ausgewählt ist aus (100) und (111)
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und der Körper einen ersten ausgewählten Leitfähigkeitstyp und einen ausgewählten spezifischen Widerstand hat sowie eine Vertikalachse/ die mit einer ersten Achse der Kristallstruktur im wesentlichen ausgerichtet ist,
selektives Ätzen der Hauptoberfläche mit der bevorzugten planaren Orientierung zur Bildung einer Reihe planarer trogartiger Vertiefungen in der Oberfläche, wobei die trogartigen Vertiefungen im wesentlichen mit einer ersten bevorzugten Drahtrichtung ausgerichtet sind,
Anordnen mindestens eines Dotierungsmaterials in jedem der trogartigen Vertiefungen in innigem Kontakt mit dem Material des Körpers, wobei das Dotierungsmaterial beim Wandern durch den Körper das Material des Körpers in einen zweiten Leitfähigkeitstyp und einen ausgewählten spezifischen Widerstand umwandelt,
Erhitzen des Körpers und der Metalldrähte bis zu einer vorausgewählten erhöhten Temperatur zur Bildung einer Reihe flüssiger Metalldrähte und flüssigem Halbleitermaterials in den trogartigen Vertiefungen an der Oberfläche,
Einstellen eines Temperaturgradianten im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers, wobei die Oberfläche, auf der die flüssigen Drähte gebildet werden, sich bei der tieferen Temperatur befindet,
Bewegen der flüssigen Drähte durch den Körper und die erste Region von der einen Hauptoberfläche zu der anderen gegenüberliegenden Hauptoberfläche im wesentlichen entlang der Vertikalachse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur zur Bildung einer Vielzahl planarer Regionen rekristallisiertem Halbleitermaterials des Körpers, das in fester Löslichkeit zumindest das Dotierungsmaterial enthält, und die rekristalli-
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sierten Regionen die erste Region durchschneiden und einstückig mit ihr ausgebildet sind,
selektives Ätzen der oberen Oberfläche des Körpers zur Bildung einer zweiten Reihe linearer trogartiger Vertiefungen in der oberen Oberfläche, wobei jede der trogartigen Vertiefungen im wesentlichen ausgerichtet mit einer zweiten bevorzugten Draht- : richtung und in einem ersten vorausgewählten Winkel zu der ersten Drahtrichtung orientiert sind,
Anordnen mindestens eines Dotierungsmaterials in jedem der trogartigen Vertiefungen in innigem Kontakt mit dem Material des Körpers, wobei beim Wandern des Dotierungsmaterials durch den Köuper und die erste Region das Material des Körpers in einen zweiten Leitfähdtgkeitstyp und einen zweiten spezifischen Widerstand umgewandelt werden,
Erhitzen des Körpers und des Materials in den trogartiigen Vertiefungen bis zu einer erhöhten Temperatur, die ausreicht, eine Reihe von flüssigen Metalldrähten und Halbleitermaterial in den trogartigen Vertiefungen in der oberen Oberfläche zu bilden,
Einstellen eines Temperaturgradienten im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers, wobei die obere Oberfläche bei der tieferen Temperatur gehalten ist und
Bewegen der flüssigen Drähte durch den Körper und die erste Region von der oberen zur unteren Oberfläche im wesentlichen entlang der Vertikalachse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur zur Bildung einer Vielzahl sekundärer Planarregionen, welche die erste Region und die Vielzahl der ersten Planarregionen schneiden und einstückig mit der ersten Region ausgebildet sind, wobei das Material der zweiten Planarregionen
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rekristallisiertes Halbleitermaterial des Körpers umfaßt, das in fester Löslichkeit mindestens das eine Metall enthält nach Patentanmeldung P 24 50 929.3.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Verfahren nach der obigen Patentanmeldung weiter zu entwickeln. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevor der Körper der erstgenannten Ätzstufe unterworfen wird, in dem Körper eine erste Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet, welche die untere Oberfläche des Körpers einschließt, wobei durch die aneinander stoßenden Oberflächen des Materials des Körpers und der ersten Region ein PN-Übergang gebildet wird, der im wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche verläuft.
Durch die Bildung einer planaren Region gleicher Leitfähigkeit in oder auf der unteren Oberfläche des Körpers werden einzelne elektrisch isolierte Zellen geschaffen. Diese sind besonders geeignet für planare und Mesa-Elemente die nur von einer Oberfläche kontaktiert werden.
In einer weiteren Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine dritte Reihe flüssigen metallreichen Materials in einer ähnlichen Weise durch den Körper bewegt, um eine Gitterstruktur zu bilden, in der dreieckige Regionen des Körpers elektrisch voneinander isoliert sind.
Die in der Hauptanmeldung gezeigten und beschriebenen elektrisch isolierten Zellen sind beispielhaft für Zellen, bei denen ohmsche elektrische Kontakte an beiden Hauptoberflächen des Ausgangskörpers aus Halbleitermaterial angebracht werden können. Die in jede Zelle eingebrachten Halbleiterelemente können daher von beiden Oberflächen kontaktiert werden. Wenn für jede Zelle eine vollständige Isolation erforderlich ist, dann kann dies durch die vorliegende Erfindung zustande gebracht werden.
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2 b 4 8 1 b Q
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In Fig. 1 ist ein Element 110 gezeigt, welches eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung von dem Element 10 der Figuren 1 und 2 der Hauptanmeldung ist. Bei dieser Ausführungsform ist jede Zelle elektrisch von jeder anderen isoliert und ebenfalls von irgendeinem Montageteil, das an der unteren Oberfläche 16 des Elements 110 befestigt ist. Alle mit gleichen Bezugszahlen wie beim Element 10 der Figuren 1 und 2 der Hauptanmeldung versehenen Teile sind gleich und funktionieren auch in gleicher Weise wie beim Element 10.
erste
In dem Element 110 ist eine^Region 30 gebildet, welche den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Regionen 20 und 22 des Elementes hat und die im wesentlichen parallel zu den gegenüberliegenden Oberflächen 14 und 16 verläuft. Die Oberfläche 16 des Elementes 1lO ist auch die Oberfläche der Region 30. Die Region 30 kann nach irgendeinem geeigneten Verfahren der Halbleiterbearbeitung hergestellt werden, wie durch Diffusion, epitaxiales Aufwachsen und ähnlichen Verfahren. Vorzugsweise wird die Region 30 vor der Bildung der Regionen 20 und 22 gebildet. Verglichen mit der für die Diffusion und das epitaxiale Aufwachsen erforderlichen Zeit ist das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten ein sehr kurzzeitiges Verfahren. Die Regionen 20 und 24 können daher auch nach der Bildung der Halbleiterelemente in den einzelnen Zellen hergestellt werden, wie z.B. nach der Bildung der Diode 32 oder des Transistors 34. Obwohl bei erhöhten Temperaturen von 400 bis 1400° C ausgeführt, hat das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten wenig Einfluß auf vorher gebildete PN-übergänge.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung von dem Element 50 der Hauptanmeldung gezeigt. Alle Bezugszeichen der Fig. 2, welche gleich denen der Fig. 3 sind,
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bezeichnen gleiche Teile, die auch in gleicher Weise funktionieren, wie noch zu beschreiben sein wird. In dem Element 150 ist im unteren Teil des Körpers 52 durch Diffusion durch die untere Oberfläche 72 oder durch Aufwachsen auf die Oberfläche 72 durch
erste epitaxiales Aufwachsen oder ein ähnliches Verfahren eine^Region 70 aufgebracht, welche den gleichen Leitfähigkeitstyp hat, wie die Regionen 56, 58 und 60. Vorzugsweise wird die Region 70 vor den Regionen 56, 58 und 60 gebildet, wobei die Gründe die gleichen sind, wie sie hinsichtlich der Bildung der Region 30 in dem Element 110 angegeben wurden. Eine Elanardiode 74, ein Planartransistor 76 und ähnliche Elemente können in den einzelnen vollkommen elektrisch isolierten Zellen gebildet werden. Alle elektrischen Kontakte zu den Elementen können dann von der oberen Oberfläche des Elementes 150 aus gemacht werden.
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung gebildetes dreieckiges Gitter 50, wie in Fig. 3 abgebildet, das eine Vielzahl von Drähten umfaßt, die in den drei Drahtrichtungen <O1"T>, ΟθΤ> und OTo> liegen, ist durch gleichzeitiges thermisches Bewegen der drei Drähte mit dem Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten nicht leicht erhältlich. Die Oberflächenspannung der Schmelze des metallreichen Halbleitermaterials am Schnittpunkt der drei Drahtrichtungen ist so groß, daß die Drahtrichtungen zerrissen werden, und dies führt zu einer Unterbrechung der Gitterstruktur. Das dreieckige Gitter 50 wird daher vorzugsweise mit drei separaten Zonenschmelzstufen erhalten, bei denen jeweils eine Drahtrichtung zu einer Zeit durch den Körper bewegt wird. Die dabei erhaltene Struktur umfaßt den Körper 52 aus Halbleitermaterial mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und einem ausgewählten spezifischen Widerstand, wobei der Körper 52 eine obere Oberfläche 54 und planare Isolationsregionen 56, 58 und 60 aufweist, wobei das Material jeder dieser Regionen rekristallisiertes Halbleitermaterial ist, das in fester Löslichkeit ein Dotierungsmetall enthält, um diesen Regionen einen zweiten und entgegengesetzten
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Leitfähigkeitstyp und einen besonderen spezifischen Widerstand zu verleihen. Durch die aneinander stoßenden Oberflächen des Materials des Körpers 52 und der Regionen 56, 58 und 60 sind PN-Übergänge 62, 64 und 66 gebildet.
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Claims (10)

1.) Verfahren zum Herstellen einer Gitteranordnung in einem Körper aus Halbleitermaterial eines Halbleiterelementes zur Erzeugung einer Vielzahl von Regionen aus Halbleitermaterial des Körpers, die elektrisch voneinander isoliert sind, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfaßt:
a) Auswählen eines Körpers aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einer bevorzugten kristallographischen Struktur, zwei gegenüber—liegenden Hauptoberflächen/ welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden, wobei zumindest die obere Oberfläche eine bevorzugte planare Orientierung aufweist, und diese planare Orientierung ausgewählt ist aus (100) und (111), der Körper einen ersten ausgewählten Leitfähigkeitstyp und einen ausgewählten spezifischen Widerstand hat, sowie eine vertikale Achse, die im wesentlichen ausgerichtet ist mit einer ersten Achse der Kristallstruktur,
b) selektives Ätzen der Hauptoberfläche mit der bevorzugten planaren Orientierung zur Bildung einer Reihe planarer trogartiger Vertiefungen in der Oberfläche, wobei die trogartigen Vertiefungen so orientiert sind, daß sie im wesentlichen ausgerichtet sind mit einer ersten bevorzugten Drahtrichtung,
c) Anordnen mindestens eines Dotierungsmaterials in jeder der trogartigen Vertiefungen in inniger Berührung mit dem Material des Körpers, wobei das Dotierungsmaterial beim Wandern durch den Körper das Material des Körpers zu einem zweiten Leitfähigkeitstyp und einem ausgewählten spezifischen Widerstand umwandelt.
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2 b 4 81 6 ü
d) Erhitzen des Körpers und der Metalldrähte auf eine vorausgewählte erhöhte Temperatur zur Bildung einer Reihe flüssiger Metalldrähte und flüssigem Halbleitermaterials in den trogartigen Vertiefungen an der Oberfläche,
e) Einstellen eines Temperaturgradienten im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers, wobei die Oberfläche, an der die flüssigen Drähte gebildet werden, sich bei der tieferen Temperatur befindet,
f) Bewegen der flüssigen Drähte durch den Körper und die erste Region von einer ersten Hauptoberfläche zur gegenüberliegenden anderen Hauptoberfläche im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur zur Bildung einer Vielzahl planarer Regionen rekristallisiertem Halbleitermaterials des Körpers, das in fester Löslichkeit mindestens das Dotierungsmaterial enthält, wobei ihre kristallisierten Regionen die erste Region durchschneiden und einstückig mit ihr ausgebildet sind,
g) selektives Ätzen der oberen Oberfläche des Körpers zur Bildung einer zweiten Reihe linearer trogartigsr Vertiefungen in der oberen Oberfläche, wobei jede der trogartigen Vertiefungen im wesentlichen ausgerichtet mit einer zweiten bevorzugten Drahtrichtung und in einem ersten vorausgewählten Winkel zu der ersten Drahtrichtung orientiert ist,
h) Anordnen mindestens eines Dotierungsmaterials in jeder der trogartigen Vertiefungen in innigem Kontakt mit dem Material des Körpers, wobei durch Bewegen des Dotierungsmaterials durch den Körper und die erste Region das Material des Körpers zu einem zweiten Leitfähigkeitstyp und einem zweiten spezifischen Widerstand umgewandelt wird,
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i) Erhitzen des Körpers und des Materials in den trogartigen Vertiefungen auf eine erhöhte Temperatur, die ausreicht, um eine Reihe flüssiger Metalldrähte und Halbleitermaterial in den trogartigen Vertiefungen in der oberen Oberfläche zu bilden,
j) Einstellen eines Temperaturgradienten, der im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers verläuft, wobei die obere Oberfläche sich bei der geringen Temperatur befindet,
k) Bewegen der flüssigen Drähte durch den Körper und die erste Region von der oberen zur unteren Oberfläche im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur zur Bildung einer Vielzahl zweiter planarer Regionen, welche die erste Region und die Vielzahl erster planarer Regionen durchschneiden und einstückig mit der ersten Region ausgebildet sind, wobei das Material der zweiten planaren Regionen rekristallisiertes Halbleitermaterial des Körpers umfaßt, in dem in fester Löslichkeit mindestens ein Metall enthalten ist, nach Patentanmeldung P 24 50 929.3, gekennzeichnet durch Bilden einer ersten Region^eines zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Körper,- welche die untere Oberfläche einschließt, zwischen den obigen Stufen (a) und (b), wobei durch die aneinander stoßenden Oberflächen des Materials des Körpers und der Region einrPN-Übergang gebildet wird, der im wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche verläuft.
2.) Verfahren nach Anspruch 1. . gekennzeich-
weiteren
net durch die folgenden^Stufen nach dem Bewegen der flüssigen Metalldrähte:
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selektives Ätzen der oberen Oberfläche des Körpers zur Bildung einer dritten Reihe linearer trogartiger Vertiefungen in der Oberfläche, wobei die trogartigen Vertiefungen im wesentlichen mit einer dritten Drahtrichtung ausgerichtet sind,
Anordnen mindestens eines Materials in jeder der trogartigen Vertiefungen in inniger Berührung mit dem Material des Körpers, wobei durch Bewegen des Dotierungsmaterials durch den Körper,das Material des Körpers zu einem zweiten Leitfähigkeitstyp und einem ausgewählten spezifischen Widerstand umgewandelt wird,
Erhitzen des Körpers und des Materials in den trogartigen Vertiefungen bis zu einer erhöhten Temperatur, die ausreicht, eine Reihe flüssiger Metalldrähte und Halbleitermaterials in den trogartigen Vertiefungen auf der oberen Oberfläche zu bilden,
Einstellen eines thermischen Gradienten, im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers, wobei die obere Oberfläche sich bei der geringeren Temperatur befindet und
Bewegen der flüssigen Drähte durch den Körper und die erste Region von der oberen zu der unteren Oberfläche im wesentlichen entlang der vertikalen Achse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur zur Bildung einer Vielzahl dritter planarer Regionen rekristallisierten Halbleitermaterials des Körpers, die in fester Löslichkeit mindestens ein Metall des Drahtes enthalten, wobei die rekristallisierten Regionen die erste Region und die Vielzahl erste» und zweiter planarer Regionen schneiden und einstückig mit der ersten Region ausgebildet sind.
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3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die bevorzugte planare Kristallorientierung (111), die ersten trogartigen Vertiefungen in irgendeiner der Drahtrichtungen orientiert sind, die zweiten trogartigen Vertiefungen in irgendeiner anderen als der ersten Drahtrichtung für die ersten trogartigen Vertiefungen orientiert sind, und die Richtung der
der
ersten Achse,entlang^die Wanderung verläuft, dieOi1>Richtung ist.
4.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die bevorzugte planare Kristallorientierung (100) ist, die ersten trogartigen Vertiefungen in einer <?011">-Drahtrichtung,und die zweiten trogartigen Vertiefungen in einer <^ÖT1 "> -Drahtrichtung orientiert sind, und die Richtung der ersten Achse, entlang der die Wanderung ausgeführt wird, die ·<~100">-Richtung ist.
5.) Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial des Körpers ausgewählt ist aus Silicium, Siliciumcarbid, Germanium und Galliumarsenid.
6.) Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial N-leitendes Silicium ist,und das Dotierungsmaterial des flüssigen Drahtes Aluminium ist.
7.) Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite Reihe flüssiger Metalldrähte gleichzeitig durch den Körper aus Halbleitermaterial bewegt werden.
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8.) Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jede der zweiten Planarregionen im wesentlichen senkrecht zu der Vielzahl der ersten Planarregionen steht.
9.) Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Region durch Diffusion durch eine Hauptoberfläche des Körpers gebildet wird.
10.) Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Region durch epitaxiales Aufwachsen einer Schicht aus halbleitendem Material auf eine Hauptoberfläche des Körpers gebildet wird.
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DE19752548160 1974-11-01 1975-10-28 Verfahren zum herstellen eines isolationsgitters in einem halbleiterkoerper Withdrawn DE2548160A1 (de)

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