DE2652667A1

DE2652667A1 - Verfahren zur thermischen bewegung ausgewaehlter metalle durch koerper aus halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2652667A1
Application number: DE19762652667
Authority: DE
Inventors: Thoeas Richard Anthony; Mike Fushing Chang; Harvey Ellis Cline
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1976-11-19
Publication date: 1977-06-02
Also published as: GB1566454A; SE7612994L; NL7612934A; SE418547B; FR2332619B1; FR2332619A1; JPS5270755A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bewegen einer geschmolzenen Materialzone durch einen Festkörper und im besonderen auf die Verwendung von Maskierungstechniken, um ein Muster für das durch aas feste Halbleitermaterial zu bewegende Metall zu schaffen.

W.G. Pfann beschreibt in "Zone Melting", John Wiley and Sons, Inc., New York (I966), einen thermischen Gradientenzonenschmelzprozess, um verscniedene erwünschte Materialkonfigurationen in

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einem Körper aus Halbleitermaterial zu erzeugen. Das Verfahren ist vorher in aer US-PS 2 813 046 offenbart worden. In beiden Fällen werden im allgemeinen Vertiefungen in aer Oberfläche eines Körpers gebildet, und ein Stück aes Drantes aus dem zu bewegenden Metall wird in der Vertiefung angeordnet. Die dabei erhaltenen Strukturen sind jedoch für die Verwendung als halbleiter nicht geeignet.

In der US-PS 3 &97 277 ist das Legieren von Aluminium in die Oberfläche eines Körpers aus Silicium-halbleitermaterial beschrieben, um das Muster des zu bewegenden Metalles beizubehalten. Diese Probleme der Beibehaltung des Musters für das Metall sind besonders deutlich, wenn man versucht, die erforderliche Genauigkeit für eine Reihe tiefer Dioden zu erhalten, die zur Herstellung von Geräten für Röntgenbilder erforderlich sind.

In der US-PS 3 yü4 442 ist beschrieben, dass die Anwendung eines ausgewählten Ätzens auf die Oberfläche und eine bevorzugte kristallograpnische Orientierung es gestatten, aas thermische Gradientenzonenschmelzen zur Herstellung von halbleiterelementen im technischen Maßstabe anzuwenden. Dieses verbesserte Verfahren gestattete eine grosse Energieeinsparung bei der Behandlung der Halbleitermaterialien und ergab grössere Ausbeuten.

Wegen der iiandhabungsproblerne bei der Verarbeitung von Halbleitermaterial wird häufig eine Scheibendicke von etwa 0,15 bis etwa 0,25 rnm oder mehr verwendet. Das Erfordernis, Rillen zu ätzen, um das anschliessend zu bewegende Material daran anzuordnen, erhöht die Anzahl von Scheibenbrüchen bei der normalen Handhabung während des Verfahrens. Ausserdem ist es erwünscht, die erforderliche Zahl von Verfahrensstufen möglichst gering zu halten, da jede Stufe sowohl die Kosten als auch die Möglichkeit erhöht, dass irgendetwas Unerwünschtes der Scheibe beim Behandeln zustösst und somit die Proauktausbeute verringert.

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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zum Bewegen einer geschmolzenen Zone innerhalb eines festen Körpers oder einer Scheibe aus Halbleitermaterial zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Durch die vorliegende Erfindung wird daher ein verbessertes Verfahren zum Bewegen einer geschmolzenen Zone eines metallreichen Halbleitermaterials durch einen festen Körper des gleichen Halbleitermaterials geschaffen. Das erfindungsgemässe Verfahren schliesst die folgenden Stufen ein:

Auswählen eines Körpers aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einer bevorzugten kristallographischen Struktur, zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers sind. Der Körper weist auch eine bevorzugt planare Orientierung für mindestens die obere Oberfläche auf. Weiter hat der Körper einen ersten ausgewänlten Leitfähigkeitstyp, einen ausgewählten spezifischen Widerstand und eine vertikale Achse, die im wesentlichen mit der ersten Acnse der Kristallstruktur des Halbleitermaterials ausgerichtet ist. Die Achsen stehen im wesentlicnen senkrecht zur oberen Oberfläche des Körpers.

Danach wird eine Schicht eines Maskierungsmaterials, die mindestens eine aus Siliciumoxyd, Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd oder Aluminiumnitrid ist, auf mindestens der oberen Oberfläche des Körpers gebildet.

Dann wird die Schicht aus Maskierungsmaterial selektiv geätzt, um ein oder mehr Fenster darin zu öffnen, um ausgewählte Teile der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers freizulegen. Die Fenster weisen bevorzugte geometrische Gestalten auf, die von der Konfiguration der Regionen abhängen, die in dem Körper aus Halbleitermaterial gebildet werden sollen.

Danach wird eine Schicht des Metalles, das durch den Körper bewegt werden- soll, in mindestens jedem der Fenster der Schicht aus

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Maskierungsmaterial und auf den freigelegten Oberflächen des Körpers aus Halbleitermaterial niedergeschlagen.

Der Körper und das niedergeschlagene Material werden dann bis zu einer ausgewählten erhöhten Temperatur erhitzt, die ausreicht, eine Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial zu bilden.

Dann wird zwischen den beiden gegenüberliegenden riauptoberflächen ein Temperaturgradient eingestellt, aer im wesentlichen parallel zur Vertikalachse des Körpers verläuft. Die Oberfläche,auf der die Schmelze gebildet ist, befindet sich auf der geringeren Temperatur. Die Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial wird dadurch als geschmolzene Zone durch den festen Körper aus Halbleitermaterial bewegt.

Das Verfahren wird für eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt, damit die geschmolzene Zone eine vorbestimmte Tiefe von der Oberfläche aus erreichen kann, um eine Region rekristallisierten Halbleitermaterials, welches in fester Lösung das niedergeschlagene Metall enthält, zu bilden. Dieso gebildete Region ist in der Weite im wesentlichen gleichmässig und. hat einen durchgehend im wesentlichen gleichförmigen spezifischen Widerstand.

Die Wanderung bzw. Bewegung kann so ausgeführt werden, dass eine Region gebildet wird, die sich nur zu einem Teil durch den festen Körper erstreckt oder die sicn vollständig durch den festen Körper erstreckt und in den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen endet.

Das verbesserte Verfahren zum thermischen Gradientenzonenschmelzen hat sich als brauchbar zur Anwendung für die technische Herstellung von Halbleiterelementen erwiesen. Im besonderen wird das erfindungsgemässe Verfanren zur Herstellung eines Gitters elektrisch isolierender Regionen benutzt, um das Aufteilen der Scheiben in einzelne rialbleiterelemente zu unterstützen. Das verbesserte Ver-

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fahren gestattet auch eine beträchtlicne Energieeinsparung und die Verringerung der Herstellungskosten, während die Ausbeuten erhöht weraen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figuren 1 bis 7 Seitenansichten im Querschnitt eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Körpers aus rialbleitermaterial,

Figur 8 ein Diagramm einer kubischen Diamantkristallstruktur,

Figur 9 die morphologische Gestalt von Drähten,die stabil in der 4H00> Richtung wandern,

Figur 10 eine Draufsicht auf ein elektrisches Isolationsgitter mit P-N-Übergangen, das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurde,

Figur 11 eine Seitenansicht im Schnitt des Gitters der Figur 10 entlang der Schnittebene (111),

Figur 12 die morphologische Gestalt von Drähten, die stabil in der <Tlll> Richtung wandern.

In den Figuren 1 und 2 ist jeweils ein Halbleiterelement 10 gezeigt, das einen Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einem ausgewählten spezifischen v/iderstand und einem ersten Leitfähigkeit styp aufweist. Das Halbleitermaterial des Körpers 12 kann Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, eine Verbindung eines Elementes der Gruppe II und eines Elementes der Gruppe VI des Periodensystems sein sowie eine Verbindung eines Elementes der Gruppe III und eines Elementes der Gruppe V des Periodensystems, und es hat vorzugsweise eine kubische Diamantkristallstruktur. Der Körper 12 weist zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen 14 und 16 auf, welche

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die obere und die untere Oberfläcne bilden, sowie eine periphere Seitenoberfläche 17. Für die folgende Beschreibung wird der Körper 12 als aus Silicium bestehend bezeichnet. Die Dicke des Körpers liegt bei der einer typischen Scheibe von etwa O₃15 bis etwa 0,20 mm oaer mehr.

Als erstes wird der Körper 10 mechanisch poliert und chemisch geätzt, um irgendwelche beschädigten Oberflächen zu entfernen, dann in entionisiertein Wasser gespült und in Luft getrocknet. Eine säurebeständige Maske 18 aus Siliciumoxyd, die entweder thermisch aufgewachsen oder aufgedampft wird, bringt man auf aie Oberfläche IiJ nach irgendeinem bekannten Verfahren auf. Die Dicke der Schicht oder Maske lö liegt im Bereich von 0,1 bis 5 ,um. Unter Anwendung bekannter pnotolithographiseher Techniken wird eine Schicht 20 aus einem Photoresistmaterial, wie aus dem Kodak-Metallätzresist, auf die Oberfläche der Siliciuiuoxydschicht 18 aufgebracht. Das Resistmaterial wird durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa bO C getrocknet. Dann ordnet man eine geeignete Maske aus einem bekannten Material, die eins oder mehrere geometrische Gestalten begrenzt, wie eine Linie, einen Kreis, ein Rechteck und ähnliche, auf der Schicht 20 des Photoresistmaterials an und setzt das Ganze UV-Licht aus. Nacn der Belichtung wird die Photoresistschicht 20 in Xylol gewascnen, um die Fenster 22 in uer Maske zu öffnen, wo die geometrischen Gestalten erwünscht sind, so dass man selektiv die in den Fenstern 22 freigelegte Siliciumoxydschicht 18 ätzen kann.

Das selektive Ätzen der Schicht 16 aus Siliciumoxyd erfolgt mit einer gepufferten Fluorwasserstoffsäurelösung (NH^F-HF). Das Atzen wird fortgesetzt, bis ein zweiter Satz von Fenstern 24, die den Fenstern 22 in der Photoresistschicht 20 entsprechen, in der Schient 18 aus Siliciumoxyd geöffnet sind, um selektive Teile der Oberfläche 14 des Siliciumkörpers freizulegen. Der behandelte Körper 12 wird dann in entionisiertem Wasser gespült und getrocknet.

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Andere geeignete Materialien für die Maskierungsschicht 18 sind Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und Aluminiumoxyd. Siliciumoxyd ist jedoch das am meisten erwünschte Material für die bevorzugte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.

Der wie beschrieben bearbeitete Körper 12 wird in einer nicht dargestellten Kammer zum Bedampfen angeordnet. Eine Schicht 26 aus mindestens einem ausgewählten Material wird auf die Oberfläche 2δ der Schicht 20 des Photoresistmaterials und die ausgewählten Oberflächenbereiche der Oberfläche 12 des freigelegten Siliciums in den Fenstern 2k der Oxydschicht 18 aufgebracht. Das die Schicht 26 bildende Material sind die Metalldrähte oder -Tropfen oder beide, die mit einem thermischen Gradientenzonenschmelzverfahren entweder vollständig durch den Körper 12 oder für eine bestimmte Länge in den Körper 12, wo das Bewegen aufhört oder umgekehrt wird, bewegt werden.

Das Material der Metallschicht 26 kann eines oder können mehrere geeignete Metalle sein, welche die Leitfähigkeitsart und/oder den spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials dea Körpers 12 verändern. Zusätzlich kann das Material der Schicht 26 ein oder mehrere Metalle einschliessen, welche die Wanderung des Metalles durch den Körper 12 unterstützen, ohne den Leitfähigkeitstyp oder den spezifischen Widerstand des Materials des Körpers 12 merklich zu beeinflussen. Ein solches Material kann jeaoch die Lebensdauer des Materials des Körpers 12 beeinflussen. Geeignete N-Dotierungsmittel für Silicium sind Phosphor, Arsen und Antimon. Geeignete P-Dotierungsmittel für Silicium sina Bor, Aluminium, Gallium und Indium. Metalle, die geeignet sind, als Trägermetall zu wirken, und die als Intrinsicmaterialien betrachtet werden, d.h. die weder ein P- oder ein N-Dotierungsmittel sindßind Zinn, Gold, Silber und Blei.

Die -Schicht 26 aus Metall hat eine Dicke von etwa 0,5 bis 25 /Um.

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Vorzugsweise beträgt die Dicke der Scnicht 26 1 bis 5 ,um. Sollte die Schicht 26 eine geringere Dicke als 0,5 /Um haben, dann kann ein unzureichendes Benetzen des Materials der Oberfläche 14 des Körpers 12 auftreten und die Wanderung kann nicht beginnen. Sollte die Schicht 26 dagegen grosser als 25 /Um dick sein, dann kann bei der anschliessenden Scamelzwanderung eine Instabilität auftreten.

Aluminium hat sich als ein geeignetes Metall zur Umwandlung von W-leitendem Siliciummaterial in P-leitendes Material erwiesen, wobei durch die gegeneinander stossenden Oberflächen des Materials mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ein P-N-übergang gebildet wird. Es wurde festgestellt, dass das Aufdampfen der Schicht

— 5 aus Aluminium bei einem Druck von etwa 1 χ 10 Torr und nicht

-5
mehr als 5 x 10 Torr ausgeführt werden sollte. Ist der Druck grosser als 3 x 10 Torr, wurde im Falle von in den Penstern bis 24 aufgedampftem Aluminiummetall festgestellt, dass das Aluminium nicht in das Silicium eindringt und nicht durch den Körper 12 wandert. E..s w.ird angenommen, dass die Aluminiumschicht mit Sauerstoff--■ ist undjdass dies ein gutes Benetzen der benachbarten Siliciumoberflachen verhindert. Die ursprüngliche Schmelze aus Aluminium und Silicium, die für die Wanderung erforderlich ist, wird wegen der Unfähigkeit der Aluminiumatome, in die Siliciumgrenzfläche einzudiffundieren, nicht erhalten. In gleicher Weise ist durch Aufsprühen aufgebrachtes Aluminium nicht erwünscht, da auch in diesem Falle das Aluminium mit Sauerstoff auf Grund des angewendeten Verfahrens gesättigt zu sein scheint. Die bevorzugten Verfahren des Aufbringens von Aluminium auf die ausgewählten freigelegten Oberflächen des Siliciumkörpers 12 sind die mit dem Elektronenstrahlverfahren und ähnlichen, wobei nur wenig, wenn überhaupt, Sauerstoff in dem aufgebrachten Aluminium enthalten sein kann.

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t/3.

Es wurde festgestellt, dass, wenn der Körper 12 aus Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid und ähnlichem Halbleitermaterial besteht, dass dann die wandernde geschmolzene Zone oder der wandernde Tropfen aus Metall-angereichertem Halbleitermaterial eine bevorzugte Gestalt aufweist, die dazu führt, dass die erhaltene Region aus rekristallisiertem Material des Körpers 12 die gleiche Gestalt hat wie die wandernde Zone oder der wandernde Tropfen. In einer Kristallachsenrichtung von <flll> der thermischen Wanderung wandert der Tropfen als dreieckiges Plättchen in einer (lll)-Ebene. Das Plättchen ist an seinen Kanten durch (112)-Ebenen begrenzt. Ein Tropfen mit mehr als 0,1 cm an einer Kante ist instabil und zerbricht während . >r Wanderung in menrere Tröpfchen. Ein Tropfen mit weniger als 0,0175 cm an einer Kante wandert wegen eines.Oberflächensperrenproblems gar nicht in den Körper 12 hinein.

Das Verhältnis von Tröpfchenwanderungsgeschwindigkeit über den thermischen Gradienten ist eine Punktion der Temperatur, bei der die Wanderung des Tröpfchens erfolgt. Bei hohen Temperaturen in der Grössenordnung von 1050 bis l400°C nimmt die Tröpfchenwanderungsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur rasch zu. Es ist

-4 eine Geschwindigkeit von 10 cm pro Tag oder 1,2 χ 10 cm pro Sekunde für Aluminiumtröpfchen in Silicium erhältlich.

Die Tröpfchenwanderungsgeschwindigkeit wird auch durch das Tröpfchenvolumen beeinflusst. In einem Aluminium/Silicium-System nimmt die Tröpfchenwanderungsgeschwindigkeit um einen Paktor 2 ab, wenn das Tröpfchenvolumen um einen Faktor 200 verringert wird.

Ein Tröpfchen wandert in der <100> Kristallachsenrichtung als eine Pyramide, die durch vier nach vorn gerichtete (lll)-Ebenen und eine rückwärtige (lOO)-Ebene begrenzt ist. Eine sorgfältige Kontrolle des thermischen Gradienten und der Wanderungsgeschwindigkeit ist notwendig. Anderenfalls kann eine verdrehte Region aus rekristallisiertem Halbleitermaterial entstehen. Es scheint, dass eine nicht gleichmässige Auflösung der vier nach vorwärts

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gerichteten (lll)-Pacetten erfolgt, aa sie sich nicht immer mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit auflösen. Eine nicht gleichförmige Auflösung eier vier nach vorn gerichteten (Hl)-Facetten kann dazu führen, dass die reguläre Pyramidengestalt des Tröpfchens zu einer trapezoiden Gestalt verzerrt wird.

Planare Konfigurationen, die für ausgewählte geometrische Konfigurationen erforderlich sind, werden erhalten durch Bewegen von Metall-"ürähten" durch den Körper 12. Die Fenster 22 und 24 werden in trogähnliche Kanäle konfiguriert und der Metalldraht" wird darin angeordnet. Mindestens hat jedoch die Oberfläche 14 oder naben beide Oberflächen 14 und Io bevorzugte planare Orientierungen.

Ausserdern gibt es bevorzugte "Draht"-Richtungen relativ zu einer gegebenen ρlanaren Orientierung. Die bevorzugte planare Orientierung zumindest der nauptoberfläche 14 des Körpers 12 und die entsprechenden bevorzugten Drahtrichtungen und die Wanderungsachse sind in einer später folgenden Tabelle zusammengefasst.

Das überschüssige Aluminium wira auf bekannte geeignete Weise entfernt, Eine Art, die untt-r Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben ist, besteht darin, photolitnograpnische Techniken und selektives chemisches Ätzen zu verwenden. Eine zweite Schient 28 aus einem geeigneten Photoresistmaterial wird auf der Schicht 2o aus Metall angeordnet. Nach dem geeigneten Maskieren und dem Aussetzen gegenüber UV-Strahlung, um das Photoresistmaterial, das das zu bewegende Metall schützt, zu fixieren, wird das nicht fixierte Photoresistmaterial auf geeignete Weise entfernt, z.B. durch Waschen in Xylol, wenn das Photoresistmaterial Kodak-Metallätzresist ist. Das freigelegte Aluminiummetall wird durch selektives chemiscnes Ätzen mit 96/äiger Phosphor- und 4#iger Salpetersäure mit einer Geschwindigkeit von :L ,um pro Minute entfernt. Dann beseitigt man das fixierte Photoresistmaterial der Schient 20 mit einem J-100-Photoresistabstreifer.

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Der behandelte Körper 12 wird dann in einer geeigneten Vorrichtung für die thermische Wanderung angeordnet, die aber nicht dargestellt ist, und auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, das thermische GradientenzonenschmeTzen einzuleiten und auszuführen. Das Metall im Fenster 24 bildet nach ausreichendem Erhitzen eine Schmelze aus metallreicher Legierung des Halbleitermaterial des Körpers 12 auf oder in jeder ausgewählten Fläche der Oberfläche 14 und wird durch das thermische Gradientenzonenschmelzen durch den .Körper 12 bewegt. Ein thermischer Gradient von etwa 50⁰C pro cm zwiscnen der unteren Oberfläche 16, welche die heisse Fläche ist und der Oberfläche 14, welche die kalte Fläche ist ₃ hat sich als geeignet für eine Durchschnittstemperatur des Körpers von 700 bis 1350 C erwiesen. Das Verfahren wird für eine ausreichende Zeitdauer vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre von Wasserstoff, Helium, Argon oder einem ähnlichen Gas ausgeführt, um die metallreiche Schmelze durch den Körper bis zu einer vorbestimmten Tiefe unterhalb der Oberfläche 14, wie in Figur 6 dargestellt, zu bewegen. Für Aluminiummetall mit etwa 3 yum Dicke ergibt sich bei einem thermischen Gradienten von etwa 50°C pro ci&,eine Temperatur des Körpers 12 von etwa 1200°Cj eine Zeit von weniger als 10 Minuten, um die metallreiche Schmelze bis zu einer Tiefe von 0,1 mm unterhalb der Oberfläche 14 in den Siliciumkörper 12 wandern zu lassen.

Nach Erreichen der erwünschten Tiefe unterhalb der Oberfläche 14 wird der thermische Gradient umgekehrt, um den Rest der metallreichen Schmelze aus dem Inneren des Körpers 12 zur Oberfläche 14 des Körpers 12 zu bewegen. Das Verfahren kann jedoch, wie in Figur 7 dargestellt, so ausgeführt werden, dass die Wanderung fortgesetzt wird, bis die metallreiche Schmelze vollständig durch den Körper 12 gewandert ist, Das heisst, dass sich die metallreiche Schmelze danach in oder auf der Oberfläche 16 des Körpers 12 befindet. In jedem Falle wird das thermische Gradientenzonenschmelzen beendet, wenn die Regionen metallreicher Schmelze eine der Oberflächen des Körpers 12 erreichen. Der

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behandelte Körper wird dann abgekühlt. Der Überschuss an metallreicher Schmelze wird dann von der jeweiligen Oberfläche 1*1 oder 16 durch chemisches Ätzen entfernt. Dann kann der Rest der Siliciumoxydschicht 16 entfernt werden, wenn dies erwünscht ist, z.B. durch Ätzen mit der oben beschriebenen gepufferten Fluorwasserstoffsäure lös ung. Dann kann man den Körper 12 wie erwünscht weiterbehandeln.

Das erfindungsgemässe Verfanren stellt eine Verbesserung dar gegenüber den bekannten Techniken des Ätzens von Löchern oder trogähnlichen Vertiefungen in die Oberfläche 14, um die bekannten tfanderungsverfahren zu unterstützen. Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt die Notwendigkeit,einen beachtlichen Teil des Volumens des Körpers 12 zu entfernen, der die geätzte Oberfläche 14 einschliesst, wenn man eine planare Oberfläche haben möchte oder benötigt. Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt

-zusätzliche
auch einige T Verfahrensstufen, wie die Notwendigkeit des selektiven chemischen Ätzens der Oberfläche 14 und der damit verbundenen Reinigungs- und Spülstufen vor dem Aufbringen des Metalles. Diese Verbesserung verringert die Verminderung der strukturellen Festigkeit des Körpers 12 auf Grund der Anwesenheit von geätzten Löchern oder Vertiefungen, die als Belastungsverstärker wirken. Die Möglichkeit des Zerbrechens der geschwächten Struktur als Ergebnis ihrer Handhabung ist so durch das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt.

Obwohl das erfindungsgemässe Verfahren in hohem Maße brauchbar ist, muss man dessen gewanr sein, dass zur Erzielung der besten Ergebnisse einige Bedingungen eingehalten werden müssen. Siliciumoxyd bildet keine totale Barriere für die Schmelze aus Metall oder metallreicher Legierung in dem Fenster 24. Insbesondere fliesst die Schmelze von der Grenzfläche der Schmelze und dem Schnittpunkt der Oxydsehicht 18 mit der Oberfläche 14 nach aussen. Dieser seitlicne Fluss hängt von den Oberflächenenergien von Schmelze zu Silicium, Schmelze zu Oxyd und Siliciumoxyd· zu

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Silicium ab. Durch Auswahl eines geeigneten Maskenmaterials kann dies jedoch gering gehalten werden.

vio die Breite der zu bildenden Region nicht Kritisch ist, sonuern eine Toleranz von etwa 5 /um haben kann, stellt das erfindungsgemässe Verfahren eine ausgezeichnete Verbesserung gegenüber dem Stand derTechnik auf dem Gebiet des thermischen Gradientenzonenschmelzens dar, um eine geschmolzene Region innerhalb eines festen Körpers zu bewegen. Derartige brauchbare Anwendungen können in spezifischen Anordnungen von Mustern tiefer Dioden für die Steuerung üer Lebensdauer in Elementen, die Steuerung von Leckströmen und induzierten Strömen in zweiseitigen Schaltern für ede Bildung von elektrischen Isolationsr.egionen zwischen wechselweise benachbarten Elementen sowie zum Zerschneiden von Scheiben bzw. Körpern 12 zu vielen einzelnen Elementen bestehen, wobei ein Zerschneiden der so erzeugten Regionen mit einem Laserstrahl praktiziert wird.

In jedem Falle werden unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 in dem Körper 12 durch Bewegung der geschmolzenen Zone aus metallreichem Halbleitermaterial durch den festen Körper 12 Regionen 28 una 28' gebildet. Das Material der Regionen 28 und 28' umfasst rekristallisiertes Halbleitermaterial des Körpers mit einer bestimmten Konzentration einer Verunreinigung, die dieser Region einen ausgewählten spezifischen Widerstand und einen bestimmten Leitfähigkeitstyp verleiht. Im obigen Falle ist die Verunreinigung Aluminium, und sie verleiht den Regionen 28 und 28' in dem Körper 12 aus N-leitendem Silicium eine P-Leitfähigkeit. Das Material der Regionen 2 8 und 28' ist weder ein rekristallisiertes Material, welches die Verunreinigung in einem Ausmaß entsprechend der flüssigen Löslichkeit enthält, noch ist es ein rekristallisiertes Material eutektischer Zusammensetzung. Vielmehr enthält das rekristallisierte Material der Regionen 2 8 und 28' das Verunreinigungsmetall in einer der Festlöslichkeit entsprechenden Menge. Die Konzentration des

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Verunreinigungsmetalles ist dabei durch die Art des Verunreinigungsmetalles bestimmt, das durch den Körper 12 bewegt wird, und weiter das Halbleitermaterial und die Temperatur, bei der das thermische Graüxentenzonenschmelzen ausgeführt wird. Geeignete Diagramme, welche die feste Löslichkeit verschiedener Verunreinigungsmetalle in verschiedenen Halbleitermaterialien zeigen, sind bekannt. Insbesondere wird Bezug genommen auf das Buch von A.8. Grove "Physics ana Technology of Semiconductor Devices", Seite 45, Figur 3·7> wenn man die erforderliche Temperatur zum .bewegen verschiedener Verunreinigungsmetalle durch einen festen Körper aus SiIicium-iialbleitermaterial bestimmen will.

Führt man aas Verfahren vorzugsweise innerhalb der Grenzen aus, axe oben für eine stabile Draht- und Tröpfchenwanderung angegeben sind, dann ist die Weite jeuer der Regionen 2 8 und 28' über die gesamte Länge im wesentlichen konstant. Die geometrische Konfiguration der Region wira zum Teil durch die Geometrie der Maske bestimmt, die zur Begrenzung der Geometrie der Fenster 24 in der Oxyamaske benutzt wira sowie zum Teil durch die Charakteristiken üer Kristallstruktur und aer Kristallorientierung des Materials, durch das das Verunreinigungsmaterial bewegt wird.

Im Falle der Regionen 2ö und 28' , axe einen Leitfähij-Iceitstyp entgegengesetzt dem des Materials aes Halbleiterkörpers aufweisen, werden die P-rJ-übergänge 30 und 30' an der Grenzfläche der aneinander stossenden Oberflächen des Materials des Körpers 12 und des Materials der Regionen 2b bzw. 28' gebildet. Diese übergänge 30 und 30' sina gut definiert und zeigen einen abrupten übergang von der Region eines Leitfänigkeitstyps zur benachbarten Region des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Der abrupte Übergang erzeugt einen steilen P-ίί- üb ergang. Weniger abgestufte P-N-Übergänge werde durch eine uiachdiffusionsbehandlung der Gitterstruktur bei einer ausgewählten Temperatur erhalten.

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Zur praktischen Ausführung aer Erfindung wurde ein Körper aus einkristallinera Silicium-rialbleitermaterial mit einem Durchmesser von etwa 2₃^ cm, N-Leitfähigkeit und einem spezifischen Widerstand von IO Ohm-cm, in einer Dicke von 0,25 mm und einer planaren (111)-Orientierung in bekannter Weise geläppt und poliert. Dann wurde auf der Scneibe durch Oxydation in einer feuchten Sauerstoffatmospnäre eine Schicht aus Siliciumoxyd mit einer Dicke von etwa 2 ,um gebildet. Unter Verwendung von Kodak-Metallätzresist wurde eine Reihe von Linien auf dem Oxyd gebildet. Diese Linienreihe bzw. -anordnung begrenzte ein Gitter einer Gruppe im Abstand zueinander liegender paralleler Linien, die eine zweite Gruppe im Abstand angeordneter paralleler Linien schnitt.

Unter Verwendung gepufferter Fluorwasserstoffsäurelösung, die oben beschrieben ist, wurden Fenster, welche die Anordnung begrenzten, in die Schicht aus Siliciumoxyd geätzt, um ausgewählte Oberflächen einer der Hauptoberfläcnen der Scheibe freizulegen. Eine Aluminiumschicht mit etwa 7 ,um Dicke wurde auf mindestens den ausgewählten freigelegten Oberflächenbereichen der Hauptoberfläche mit einer Elektronenstranlquelle aufgebracht. Das auf dem Photoresistlack und der übrigen Oberfläche der Siliciumoxydmaske liegende überschüssige Aluminium wurde durch Verbrennen des Photoresistlackes bei einer Temperatur von etwa 56O⁰C entfernt. Danach noch auf der Siliciumoxydmaske verbleibendes überschüssiges Aluminium wurde durch Verwendung transparenter Klebebänder entfernt, wie sie bei der Wiederverwendung zerrissener Papiere benutzt werden.

Die Scheibe wurde dann in einem geeigneten Ofen für die Ausführung des thermischen Gradientenzonenschmelzens angeordnet. Das Aluminium wurde bei einer Temperatur von 1200⁰C und einem thermischen Gradienten von 5O⁰C pro cm durch den Siliciumkörper bewegt, überschüssiges Aluminium und überschüssiges aluminiumreiches Siliciumhalbleitermaterial wurde von der unteren Oberfläche

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der Scheibe nach dem Kühlen durch selektives Ätzen mit 96^'iger Phospnorsäure und 4/iiger Salpetersäure bei 55°C mit einer Geschwindigkeit von 1 ,um pro Minute entfernt.

Bei visueller Untersuchung uer so behandelten Scheibe erwies sich die Anordnung der Linien als in beiden gegenüberliegenden Hauptoberfläcnen gut begrenzt und dies zeigt, dass die Wanderung der Metallanordnung erfolgreich verlaufen war. Die visuelle Untersuchung wurde durch Polieren und chemisches Anfärben der Oberflächen mit einer Lösung aus 33 Teilen HF, 66 Teilen HNO , 400 Teilen Essigsäure und 1 Teil gesättigter Kupfernitratwasserlösung (alles Volumen-Teile) erleichtert, wodurch die Gitterstruktur mit P-Leitfähigkeit auf beiden Oberflächen freigelegt wurde. Es gab keine Diskontinuitäten in dem Gitter.

Elektrische Tests, die an den.isolierten N-leitenden Regionen, die durch das Gitter aus P-leitenden planaren Begionen gebildet

■ ausgeführt wurden, j

waren,^zeigten, aass die N-leitenden Regionen elektrisch voneinander isoliert waren. Das durch die Wanderung der Aluminiumdrähte erzeugte Gitter aus planaren Regionen hatte einen gleichförmigen spezifischen Widerstand von 8 χ 10 ^ Ohm-cm und dies zeigt, dass die Konzentration des Aluminiummetalles in der ganzen Region im wesentlichen gleichförmig war. Der Wert des spezifischen Widerstandes zeigte auch, dass dieser äquivalent war zu dem theoretischen Wert, der auf Grund der festen Löslichkeit des Aluminiums in Silicium für die angewandte Temperatur bei der thermischen Bewegung zu erwarten war.

Die durcn die aneinander stossenden Oberflächen an der Grenzfläche der P- und N-leitenden Materialien gebildeten P-N-übergänge waren steile übergänge und jeder übergang hatte eine Durchbruchspannung von 6OO Volt.

Das erfindungsgemässe verbesserte thermische Gradientenzonenschmelzenverfahren ist besonders geeignet für die tecnnische

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Anwendung bei der Halbleiterherstellung. Es verringert die Zeit für die Bildung elektrisch isolierender Regionen in Scheiben auf einen Durchschnitt von 8 bis 15 Minuten. Diese elektrisch isolierenden Regionen sind üblicherweise geeignet zum Zerschneiden der Scheiben in einzelne Halb leit ere lenient e. Um die Verlässlichkeit und Brauchbarkeit einer solchen Struktur richtig zu beurteilen, werden im folgenden weitere Angaben hinsichtlich der "Drahf'-Stabilität gemacht.

Hinsichtlich der kubischen Diamantkristallstruktur des Siliciums, Siliciumcarbids, Germaniums und ähnlicher Stoffe, die in Figur 8 abgebildet ist, werden P-N-Übergangsgitter nur in Körpern aus Halbleitermaterial erhalten, die zwei besondere Orientierungen der Pianarregion der Oberfläche aufweisen. Diese ausgewählten Planarregionen sind die (lOO)-Ebene und die (lll)-Ebene. Die (lOO)-Ebene ist die Ebene _y, die mit einer Fläche des Einheitswürfels zusammenfällt. Die (HO)-Ebene ist die Ebene, die durch ein Paar diagonal gegenüberliegender Kanten des Einheitswürfels verläuft. Die Ebenen, die durch ein Eckatom und durch ein Paar diagonal gegenüberliegender Atome, die in einer Fläche lokali-

>y er laufen,; siert sind, die nicht die erstgenannten Atome enthält^ werden im allgemeinen als (111)-Ebenen identifiziert. Der Bequemlichkeit halber sind die Richtungen in dem Einheitswürfel, die senkrecht zu jeder dieser generischen Ebenen (X Y Z) verlaufen

üblicherweise als die Kristallzonenachse der jeweiligen Ebene oder üblicher als die <"X Y Z>-Richtung bezeichnet,

Die Kristallzonenachse der generischen (lOO)-Ebene wird demgemäss als die <100> -Richtung bezeichnet und die Kristallzonenachse der (lll)-Ebene als die <111> -Richtung und die Kristallzonenachse der (HO)-Ebene als die < 110>-Richtung. Beispiele dieser Richtungen mit Bezug auf den Einheitswürfel sind durch die jeweilig bezeichneten Pfeile in Figur 8 gezeigt. Für die planare (lOO)-Orientierung können metallreiche Drähte nur stabil in·/der <100> -Richtung bewegt weraen. Ausserdem können nur in den

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<011>- una den <CO117 -Richtungen liegende Drähte stabil in der <100> -Achsenrichtung bewegt werden. Die morphologische Gestalt dieser stabilen metallreichen Drähte ist in Figur 9 gezeigt. Die Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Festkörper una Flüssigkeit verursacht ein Aufrauhen der Enden der stabilen metallreichen flüssigen Drähte.

Obwohl sie in der gleichen planaren (lOO)-Region liegen, sind Drähte aus metallreicher Flüssigkeit, die in anderen. Richtungen als der<011>- und der <0lI 7 -Richtung liegen, instabil und sie zerbrechen zu einer Reihe pyramidaler Tröpfchen mit einer quadratischen Grundfläche wegen des starken Facettierens der Grenzfläche Festkörper/ELüssigkeit von in diesen Richtungen liegenden Drähten. So sind z.B. Drähte instabil, die in der<0127- und der <102Ϊ>-riichturiL, liegen.

Die Abmessungen der Metalldrähte beeinflussen die Stabilität der Metalldrähte ebenfalls. Nur solche Metalldrähte, die in der Weite nicht grosser als 100 ,um sind, sind während der Wanderung der Drähte in aer <100 7 -Ricntung für eine Distanz von mindestens 1 cm in dem Körper aus halbleitendem Material stabil. Mit abnehmender Drahtgrösse nimmt die Drahtstabilitat zu. Je mehr die Grosse des flüssigen Metalldrahtes 100 .um übersteigt, je geringer ist die Distanz, für die der flüssige Draht in den Körper während der Wanderung eindringen kann, bevor er instabil wird und zerbricht.

Ein kritischer Faktor, der die Stabilität des flüssigen Metalldrahtes während der Wanderung beeinflusst, ist die Parallelität des thermischen Gradienten zu der<1007-, 4.1107"- oder<lll>kristallographischen Richtung. Eine aus dieser Acnse abweichende Komponente des thermischen Gradienten verringert im allgemeinen die Stabilität der wandernden Flüssigkeit durch Verursachung zahnähnlicher Facetten in den Seitenflächen des Drahtes. Werden

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O "3

diese zannähnlicnen Facetten zu gross, dann zerbricht der Draht und verliert seinen Zusammenhang.

Um eine Gitterstruktur 110 zu bilden, in der die Planarregion die (100)- Ebene und die Wanderungsrichtung die <100> -Richtung ist, ist es erforderlich, zuerst eine erste Reihe von flüssigen Drähten durch den Körper 112 zu bewegen, um die Regionen 120 zu bilden, wie in den Figuren 10 und 11 veranschaulicht. Dann wird eine zweite Bewegung für eine zweite Reihe flüssiger Drähte durch den Körper 112 ausgeführt, um die zweiten Regionen 122 üu formen. Die gleichzeitige Bewegung der flüssigen Drähte zur Formung der Regionen 120 und 122 führt häufig zu Diskontinuitäten in der Grid-Struktur. Die Untersuchung der Gründe für die Diskontinuitäten zeigte, dass die Oberflächenspannung des geschmolzenen metallreichen Materials an den Schnittpunkten de.r beiden wandernden flüssigen Drähte so gross ist, dass Diskontinuitäten bzw. Unterbrecnungen in den sich schneidenden flüssigen Drähten verursacht werden. Die Oberflächenspannung zwischen Festkörper und Flüssigkeit ist für jeaen Teil der sich schneidenden wandernden Drähte gross genug, um dafür zu sorgen, dass die metallreiche Flüssigkeit in ihrem eigenen Drahtteil verbleibt und nicht gleichförmig durch die Schnittstelle der Drähte im Körper 112 verteilt wird. Das Material des Körpers 112 wird daner an der fortschreitenden Grenzfläche der sich vermutlich sehneidenden flüssigen Drähte ' durch die flüssigen Drähte nicht benetzt oder auch nur von der Flüssigkeit berührt und daher auch nicht in der fortschreitenden metallreichen Flüssigkeit gelöst. Eine Diskontinuität bzw. Unterbrechung tritt daher am Schnittpunkt auf und ein weiteres Fortschreiten der flüssigen Drähte erzeugt ein fehlerhaftes,Gitter. In Fällen, in denen die Diskontinuität des Gitters vorhanden ist, sind die wechselseitig benachbarten Regionen 124 aus ursprünglichem Material des Körpers 112 nicht voneinander elektrisch isoliert und sie.können daher die Verlässlichkeit des damit verbundenen elektrischen Stromkreises nachteilig beeinflussen.

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Die Stabilität von Drähten, die für die Oberfläche 114 in einer (lll)-Ebene liegen, wobei die Oberfläche 114 eine der beiden gegenüberliegenden nauptoberflachen des Körpers oder der Scheibe 112 ist, und die in einer<111> -Richtung durch den Körper 112 zur Oberfläche 116 verlaufen, der anderen der gegenüberliegenden riauptoberflächen,ist nicht allgemein empfindlich auf die kristallographische Ricntung des Drahtes. Diese allgemeine Stabilität der in der (lll)-Ebene liegenden Drähte ergibt sich aus der Tatsache, dass die (lll)-Ebene die Facettenebene für das metallreiche Flüssigkeit /Halbleiter-System ist. Die morphologische Gestalt eines Drahtes in der (lll)-Ebene ist in Figur 12 gezeigt, und die obere und untere Oberfläche 14 bzw. 16 oder 114 bzw. 116 liegen in der (111)-Ebene. Es sind daher sowohl die vorwärts als auch die nach rückwärts weisenden Flächen dieser Drähte stabil, vorausgesetzt, dass der Draht nicht eine bevorzugte Weite überschreitet.

Die Seitenflächen eines in der (lll)-Ebene liegenden Drahtes sind nicht so stabil wie die obere und die untere Oberfläche. Kanten der Seitenflächen, die in den<llo>-, <10Ϊ> - und der <01:p" -Richtung liegen, haben (lll)-artige Ebenen als Seitenflächen. Diese Drähte sina daher gegenüber einer Seitendrift stabil, die dadurch verursacnt sein kann, dass der thermische Gradient nicht im wesentlichen mit der<1117 -Achse ausgerichtet ist. Andere Drahtrichtungen in der (lll)-Ebene wie die <112> -artigen Draht-

ΘΠ

richtungrentwickeln zahnartige Aus zackungen an ihren Seitenflächen, wenn sie als Ergebnis eines leicht ausserhalb der Achse verlaufenden thermiscnen Gradienten seitwärts driften. Der fortgesetzt wandernde Draht bricht dann evtl. vollständig auf oder verbiegt sich zu einer<J.10>-Richtung. Ein in vernünftigem Maß gutausgerichteter thermischer Gradient gestattet daher die thermische

fliegender Drähte/

Bewegung von in der <112> -Richtungydurch' Korper aus Halbleitermaterial mit einer üblichen Scheibendicke von etwa 0,15 bis etwa 0,25 nun und sogar von einem cm oder mehr Dicke mit dem erfindungs-

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gemässen Temperaturgradientenzonenschmelzverfahren, ohne dass der Draht zerbricht oder sich an den Kanten der wandernden Drähte sä ge zahnförrni ge Zacken bilden.

Beim Bewegen von flüssigen Drähten durch feste Körper aus Halbleitermaterial mit einer ursprünglichen (lll)-Scheibenebene sind die stabilsten Drahtrichtungen <011 y , <10Ϊ 7" und<JlO7* Die Weite jedes dieser Drähte kann bis zu etwa 500 ,um betragen und dabei trotzdem die Stabilität während der Wanderung beibehalten werden. Ein dreieckiges Gitter mit vielen Drähten, die in den drei Drahtrichtungen <Ο1Ϊ>- , <1θΙ> und <110 7" liegen, ist durch gleichzeitiges thermisches Bewegen der drei Drähte mithilfe des Temperaturgradientenzonenschmelzverfahrens nicht leicht zu erhalten. Die Oberflächenspannung der Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial ist am Schnittpunkt der drei Drahtrichtungen so gross, dass die Richtungen zerrissen werden und dies führt zu einer Unterbrechung der Gitterstruktur. Das Gitter wird daher vorzugsweise mit arei separaten Stufen des thermischen Gradientenzonenschmelzverfanrens hergestellt, wobei jeweils eine Drahtrichtung zu einer Zeit durch den Körper bewegt wird. Als andere Ausfuhrungsform können zwei der Drähte gleichzeitig bewegt werden und der dritte dann getrennt.

Dränte der <112>-, <2117- und <1217- Richtungen sind während der Wanderung weniger stabil als die Drähte der Richtungen <01Γ7 , <101>- una <1107 -Richtung, doch sind sie stabiler als irgendeine andere Drahtrichtung in der (lll)-Ebene. Die Drähte können eine Weite von bis zu 500 ,um haben und doch ihre Stabilität während der Wanderung beibehalten.

Irgendeine andere Drahtricntung in der (lll)-Ebene, die bisher nicht genannt ist, kann durch den Körper aus Halbleitermaterial bewegt werden. Die Drähte dieser Richtungen haben jedoch die geringste Stabilität aller Drahtrichtungen der (lll)-Ebene bei Vorhandensein eines tnermischen Gradienten, der nicht im wesentlichen

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mit der Achse ausgerichtet ist. Drähte einer Weite von bis zu 500 ,um sind während der Wanderung für alle in der (lll)-Ebene liegenden Drähte unabhängig von der Drahtrichtung stabil.

Das senkrechte P-N-übergangs-Isolationsgitter der Figuren 10 und 11 oder irgendeiner anderen Konfiguration sich schneidender planarer Regionen kann durch die gleichzeitige Bewegung einer der Drahtrientungen cOllT" ₃ <^101> und <1107~und einer irgendeiner verbleibenden Drahtrichtung hergestellt werden. Das Gitter 110 kann aber auch durcn Bewegen jeder Drahtrichtung einzeln hergestellt werden.

Eine Zusammenfassung der stabilen Drahtrichtungen für eine besondere planare Richtung und der stabilen Drahtgrössen sind in der folgenden Tabelle gegeben:

TABELLE

Scheiben- Vianderungs- stabile Draht- stabile Drahtebene ricntung richtungen grossen

(100)
(110)
(111)

χ
*

<100 .um <100 'um <150 ^

<500 _/um

<500 .um

irgend eine

anaere * Richtung <500 .um in der (lll)-Ebene

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#. die Stabilität des wandernden Drahtes ist abhängig von der Ausrichtung des thermischen Gradienten mit der <1ΟΟ>-, <11Q>bzw. der <111> -Achse.

+ die Gruppe a ist stabiler als die Gruppe b, die ihrerseits stabiler ist als die Gruppe c.

Das verbesserte Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung gestattet die wiederholbare Herstellung im technischen Maßstabe von einer Vielzahl erster im Abstand zueinander liegender planarer Regionen 120 in dem Körper 112, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Für die technische Halbleiterelementherstellung ist jede aer Regionen 120 vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu der oberen und der unteren Oberfläche 114 bzw. 116 ausgerichtet sowie auch zur peripheren Seitenoberfläche 118. Jede der Regionen 120 hat eine periphere Seitenoberfläche, die von gleicher Erstreckung ist wie die entsprechenden Oberflächen 114, 116 und 118 des Körpers 112. Ein P-N-Übergang 121 wird durch die aneinanderstossenden Oberflächen jeder Region 120 und des unmittelbar benachbarten Materials des Körpers 112 gebildet.

Eine Vielzahl zweiter im Abstand zueinander befindlicher planarer Regionen 122 ist in dem Körper 112 im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Für die technische Halbleiterelementherstellung ist jede der Regionen 122 vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu der oberen und der unteren Oberfläche 114 bzw. 116 und zu den Seitenoberflache 118 ausgerichtet. Ausserdem steht jede der Regionen 122 vorzugsweise senkrecht zu den ersten im Abstand voneinander angeordneten planaren Regionen 120 und schneidet eine oder mehrere von diesen. Die Regionen 120 und 122 können jedoch einen ausgewählten Winkel zueinander haben. Jede der zweiten planaren Regionen 122 hat eine periphere Seitenoberfläche, die von gleicher Ausdehnung istlwie die Oberflächen 114, 116 und 118 des Körpers 112. Sin P-N-Übergang 126 wird durch die aneinanderstossenden Oberflächen jeder Region 122 und des unmittelbar benachbarten

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Λ!

Materials cies Körpers 112 gebildet. Die sich schneidenden planaren Regionen 12U und 122 bilaen eine Konfiguration mit rechteckigen Zellen, welche aen Körper 112 in eine Vielzahl dritter Regionen 124 des ersten Leitfähigkeitstyps zerteilt, die elektriscn voneinander isoliert sind.

Vorzugsweise ist jede der Regionen 120 und 122 vom gleichen Leitfähigkeitstyp, wobei dieser Leitfähigkeitstyp ein zweiter und gegenüber dem Leitfänigkeitstyp ües Körpers 112 und der Region 124 entgegengesetzter Leitfähigkeitstyp ist.

Die P-K-Übergänge 121 una 126 sind gut begrenzt und sie zeigen einen abrupten Übergang von einer Region des einen Leitfähigkeitstyps zur benachbarten Region des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Der abrupte Übergang erzeugt einen steilen P-N-Übergang. Linear abgestufte P-N-Übergänge 121 und 126 werden durch eine Nachdiffusionswärmebehandlung der Gitterstruktur bei erhöhter Temperatur erhalten.

Die Vielzahl der Planarregionen 120 und 122 isoliert jede Region 124 von allen übrigen Regionen 124 durch die Rücken-an-Rücken-Beziehung der jeweiligen Segmente der P-N-Übergänge 121 und 126. Die durcn diese rechteckförmige Zellen-bildende Konfiguration erzielte elektriscne Isolation gestattet es, ein oder mehrere Halbleiterelemente mit einer oder mehreren der Vielzahl von Regionen 124 des ersten Leitfähigkeitstyps zu verbinden. Die Elemente können planare Halbleiterelemente 128 sein, die in wechselseitig benachbarten Regionen gebildet sind und/oder kön- nen sie Mesa-Halbleiterelemente 130 sein, die auf wechselseitig benachbarten Regionen 124 gebildet sind und doch die elektrische Integrität jeaes Elementes 126 oder I30 ohne Stören der wechselseitig benachbarten Elemente schützen. Die Elemente 128 und können jedocn unter Bildung integrierter Stromkreise und ähnlichem elektrisch miteinander verbunden sein.

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Die im Abstand zueinander angeordneten Planarregionen 120 und 122 haben rieben der ausgezeichneten elektrischen Isolation zwischen wecnselseitig benachbarten Regionen 124 noch einige andere deutliche Vorteile gegenüber den eleKtrisch isolierten Regionen nacn dem otand der Tecnnik. Jede eier Regionen 120 bis 122 hat eine im wesentlicnen Konstante gleichförmige Weite und eine im wesentlicneri konstante gleichmässige Verunreinigungskonzentration über die gesamte Länge und Tiefe. Ausserdem können die Planarregionen 120 und 122 vor und nach der Fabrikation der Grundelemente 126 und 130 herguöteilt werden. Vorzugsweise werden die Regionen 120 und 122 hergestellt nacn der Stufe zur Herstellung der Elemente 12b und 130, für aie die höcnste Temperatur erforderlicn ist. Diese bevorzugte Ausführungsform beschränkt oder beseitigt im wesentlichen jegliche Seitendiffusion der Verunreinigung der Regionen 120 und 122, welcne die Weite der Regionen 120 und 122 zu vergrössern neigt und dadurch die Abruptheit des P-N-überganges und des Überganges zwischen den Regionen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vermindert. Sollte jedoch ein abgestufter P-N-Übergang erwünscht sein, dann kann eine Nachdiffusionswärmebehandlung für eine ausreichende Zeit ausgeführt werden, um die erwünscnte Weite eines abgestuften P-N-Überganges zu erhalten. Weiter maximalisieren die Planarregionen 120 und 122 das Volumen des Körpers 112, das für funktionelle elektrische Elemente benutzt werden kann zu einem grösseren Ausmaß, als dies bei den Elementen nach dem Stand der Technik möglich ist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.) Verbessertes Verfahren zur Bewegung einer geschmolzenen Zone aurch einen festen Körper aus Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

(a) Auswählen eines Körpers aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einer bevorzugten kristallographischen Struktur , zwei gegenüber Liegenden Hauptoberflächen, welche die obere bzw. die untere Oberfläche des Körpers bilden, einer bevorzugten planaren Orientierung mindestens der oberen Oberfläche, einem ersten ausgewählten Leitfähigkeitstyp und einem ausgewählten spezifischen Widerstand, dessen vertikale Achse im wesentlicnen mit einer ersten Achse aer Kristallstruktur ausgerichtet ist und die ausserdem im wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche verläuft,

(b) oiluen einer Schient aus einem Maskierungsmaterial zumindest aus Siliciumoxya, Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd und Aluminiumnitrid auf mindestens der oberen Oberfläche des Körpers,

(c) selektives Ätzen der ^cnicht aus Maskierungsmaterial,um ein ausreichendes Volumen dieses Materials zur öffnung eines Fensters in dieser Schicht mit einer bevorzugten geometrischen Gestalt zu entfernen und das Material des ausgewänlten Teiles der oberen Oberfläche des Körpers darin freizulegen,

(d) Aufbringen einer Metallschicht auf der Oberfläche des ausgewählten Teiles des Körpers, die in jedem der Fenster in aer Schicht aus Maskierungsmaterial freigelegt ist,

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(e) Erhitzen des Körpers und des aufgebrachten Materials in jeaem der Fenster bis zu einer vorausgewählten erhöhten Temperatur, die ausreicht, eine Schmelze aus einem metallreichen Halbleitermaterial darin zu bilden,

(f) einrichten eines Temperaturgraaienten im wesentlichen parallel zur vertikalen Achse des Körper^ und der ersten Achse der Kristallstruktur, wobei die Obei i'läche, auf der axe Schmelze gebildet ist, sich bei der tieferen Temperatur gefindet una

(g) Bewegen jeder Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial als eine geschmolzene Zone durch den festen Körper aus Halbleitermaterial für eine ausreichende Zeit, um eine vorbestimmte Tiefe in dem Körper von der oberen Oberfläche aus zu erreichen und eine Region aus rekristallisiertem üalbleitermaterial des Körpers zu bilden, das in fester Löslichkeit aas aufgebrachte Metall enthält, wobei die Region eine im wesentliche! glexcnförmige Weite und einen im wesentlichen gleichmässigen spezifischen Widerstand durch ede ganze Region aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, aadurch gekennzeicnnet , dass die Dicke der Schicht aus Maskierungsmaterial im Bereicn von 0,1 bis 5 /Um liegt und die Dicke der Metallschicnt von 0,5 bis 25 ,um variiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, aadurch g e kennzeicnnet , aass die bevorzugte planare Orientierung ausgewänlt ist aus (111), (110) und (100).

4. Verfahren nacn irgendeinem der vorhergenenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallschicht als ein "Draht" mit einer bevorzugt stabilen Drahtrichtung aufgebracnt wird.

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5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch Gekenn

zeichnet , uass die Weite des stabilen Drahtes ge ringer ist als et via 500 ,um.

6. Verfanren naen Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet , dass die bevorzugte stabile Drahtrichtung ausgewählt ist aus <üll7 , <110> und <1ΟΪ> .

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet , dass die bevorzugte stabile Drahtrichtung ausgewählt ist aus <112> , <211χ" ₃ und <121> .

ö. Verfanren nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

zeicnnet , dass die bevorzugte stabile Drahtriehtung ausgewählt ist aus <011> und <011>.

9. Verfahren nach irgendeinem cer vornergehenden Ansprücne, daaurch gekennzeichnet , dass das Halbleitermaterial ausgewählt ist aus Silicium, Siliciumcarbid, Germanium und Galliumarsenid.

10. Verfahren nacn irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das ilalbleitermaterial N-leitendes Silicium ist und die Metallschicht aus Aluminium besteht.

11. Verfanren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, .dadurch gekennzeichnet , dass

aie Schmelze <-,us metallreichem Halbleitermaterial durch die gesamte Dicke des Körpers bewegt wird.

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12. Verfahren nach irgendeinem eier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeiennet , dass die Metallschicht ausgewählt ist aus mindestens einem der Materialien aus Pnosphor, Arsen und Antimon.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeiennet , dass die Metallschicht aus mindestens einem eier Materialien Bor, Aluminium, Gallium und indium besteht.

14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprücne 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die I'k; tails chi ent aus mindestens einem der Materialien Zinn, Gold, Silber und Blei besteht.

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