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Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Haibleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration durch einkristalline Abscheidung'von Halbleitermaterial aus gasförmigen Halogeniden dieses Halbleitermaterials auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruk- tur.
Es ist bereits ein Verfahren zur Erzeugung einer Germaniumschicht auf einem Germaniumkörper bekanntgeworden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass über den in einer Kammer angebrachten Körper ein Germaniumhalogenid in Gasform geleitet wird, wobei die Kammer nebst Inhalt derart erhitzt wird, dass eine thermische Zersetzung des Halogenids stattfindet (s. deutsche Patentschrift Nr. 865 160).
Nach diesem bekannten Verfahren wird ein Germaniumjodid in der Weise gewonnen, dass Wasserstoff über erhitztes Jod und anschliessend der so entstehende Jod-Wasserstoff über eine Germaniummenge geführt wird, wobei die Kammertemperatur in der Nähe der Germaniummenge auf 410 - 4600C gehalten wird.
Das Germaniumjodid wird anschliessend auf erhitzten Germaniumkörpern thermisch zersetzt, wodurch eine Germaniumschicht entsteht. Durch Zusatz von Verunreinigungen können auf diese Weise pn-Übergänge hergestellt werden. Die Verunreinigung kann sowohl dem zugeführten Wasserstoffgas zugesetzt werden wie auch in der Germaniummenge enthalten sein, welche zur Herstellung des Germaniumjodids dient.
Es ist weiter ein Verfahren zur Herstellung von reinem Silicium bekanntgeworden (s. deutsche Patentschrift Nr. 974 625), wobei Silicium in Gegenwart von Silicium-Halogeniden verflüchtigt wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein gegebenenfalls vorgereinigtes Silicium unter Einwirkung von Silicium-Halogeniden bei einer Temperatur von etwa 1000 - 13000C verflüchtigt und bei erniedrigter Temperatur als reines Silicium abgeschieden wird. Das Silicium-Halogenid kann in dem Reaktionsraum unmittelbar aus Silicium und Halogen erzeugt werden. Der Siliciumhalogeniddampf wird gegebenenfalls unter Verwendung eines Trägergases im Kreislauf geführt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus gasförmigen Haloge- niden dieses Halbleitermaterials auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur unter Erwärmung des Trägerkörpers.
Es ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass in einem verschliessbaren Gefäss Halbleiterscheiben unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration abwechselnd aufeinander gestapelt werden, und dass bei Anwesenheit eines mit dem Halbleitermaterial gasförmige Verbindungen bildenden Reaktionsmittels ein Wärmegefälle vom einen zum andern Ende des Stapels erzeugt wird.
Es zeigt sich, dass durch Transportreaktion Halbleitermaterial von den wärmeren zu den kälteren Halbleiterscheiben bzw. in umgekehrter Richtung transportiert wird, wobei die Verunreinigungen jeweils
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mitwandern und hiedurch zur Abscheidung von Schichten andern Leitfähigkeitstyps bzw. anderer Dotierungskonzentration führen. Das Wärmegefälle kann beispielsweise erzeugt werden, indem der gesamte Stapel von Halbleiterscheiben in einem Ofen gleichmässig erwärmt wird, worauf das Gefäss mit dem Stapel langsam aus diesem Ofen herausgezogen und hiedurch auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
An Hand von Ausführungsbeispielen, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens hervorgehen, soll die Erfindung näher erörtert werden. In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. In einem länglichen Gefäss 2, beispielsweise einem Quarzrohr, sind verschiedene Halbleiterscheiben aufeinander gestapelt. Der Stapel 3 kann beispielsweise aus Scheiben von p-leitendem und n-leitendem Silicium in abwechselnder Reihenfolge bestehen. Die Scheiben können et- ) wa 18 mm Durchmesser und eine Dicke von 2001J haben. Die p-leitenden Scheiben können einen spezifischen Widerstand von 500 Ohm cm besitzen und mit Bor dotiert sein, während die n-leitenden Scheiben einen Widerstand von 100 Ohm cm besitzen und mit Arsen dotiert sind.
In dem Quarzrohr, welches beispielsweise 20 mm Durchmesser besitzt und 30 cm lang ist, können etwa 500 Scheiben übereinander gestapelt sein.
Die Siliciumscheiben werden vorher geläppt, geätzt und poliergeätzt. Zur Polierätzung wird zweckmässigerweise eine Mischung von 40% niger Flusssäure und rauchender Salpetersäure im Verhältnis 1 : 1 verwendet, in welche die in üblicher Weise in einer CP-Ätzlösung geätzten Scheiben für wenige Sekunden getaucht werden.
Das Quarzrohr ist unten verschlossen und oben mit einem Schliff versehen, in welchen ein Anschlussrohr 4 gesteckt wird, über welches das Quarzrohr 2 evakuiert bzw. mit Gas gefüllt werden kann. Ein Hahn 5 dient zum Verschliessen dieses Anschlusses 4.
Das Quarzrohr 2wird mit dem grösseren Teil seiner Länge in einem Ofen 6 angeordnet, welcher beispielsweise ein elektrischer Widerstandsofen sein kann. In dem Ofen 6 kann auch eine Induktionsheizspule angeordnet sein, mit deren Hilfe der Inhalt des Quarzrohres 2 beheizt wird. In diesem Falle wird zweck - mässigerweise innerhalb des Ofens eine zweite Heizquelle angebracht, welche zur Vorheizung des sehr hochohmigen Materials dient, damit eine Stromaufnahme des Halbleitermaterials durch Induktion ermög- licht wird. Am Boden des Quarzrohres 2 wird vorteilhaft ein grösseres Siliciumstück 7 angeordnet, welches als Auflage für den Stapel 3 und ebenfalls zur Vorheizung dienen kann.
Das Verfahren wird. nun in folgender Weise durchgeführt : Das Quarzrohr 2wird über den Anschluss 4 an eine Vakuumpumpe angeschlossen und evakuiert. Danach wird z. B. ein Siliciumhalogenid in das Quarzrohr eingelassen, beispielsweise Silikochloroform oder Siliciumtetrachlorid, Zweckmässigerweise wird als Trägergas zusätzlich Wasserstoff eingelassen, beispielsweise Silikochloroform und Wasserstoff in einem Verhältnis von 1 : 12.
Das Halogenid wird in solcher Menge in das Quarzrohr eingelassen, dass sich in diesem nach dem Verschliessen bei 1100 C etwa Atmosphärendruck einstellt. Selbstverständlich können auch andere Halogenide, beispielsweise Bromide oder Jodide verwendet werden, und im Falle von Germanium die entsprechenden Germaniumverbindungen.
Nach dem Einfüllen des Halogenids wird das Quarzrohr mit Hilfe des Hahnes 5 verschlossen oder abgeschmolzen und der Inhalt des Quarzrohres auf etwa 1200 C erhitzt. Danach wird das Quarzrohr nach oben aus dem Ofen 6 herausgezogen, wobei die Geschwindigkeit, mit der das Quarzrohr 2 aus dem Ofen entfernt wird, kleiner als 5 mm pro Minute sein sollte. Vorzugsweise wird eine Geschwindigkeit von etwa 0,5 mm pro Minute Anwendung finden.
Beim Herausziehen des Quarzrohres bei eingeschaltetem Ofen 6 wird das obere Ende des Stapels 3 zuerst abgekühlt, und es entsteht das gewünschte Wärmegefälle von unten nach oben, durch welches die Transportreaktion eintritt. Es wird jeweils Halbleitermaterial auf der Oberseite der Scheiben abgetragen und vorwiegend an der Unterseite der aufliegenden Scheiben wieder abgeschieden. Die Dicke der abgeschiedenen Schichten hängt vom Temperaturgefälle und der Reaktionsdauer ab, also im wesentlichen von der Geschwindigkeit, mit der das Quarzrohr 2 aus dem Ofen entfernt wird, und lässt sich hiedurch regeln.
Gegebenenfalls kann der Vorgang mehrfach wiederholt und die Dicke der abgeschiedenen Schichten im gewünschten Masse hiedurch vergrössert werden.
Der beschriebene Vorgang verläuft-gegebenenfalls über Zwischenstufen - nach folgenden Formeln :
EMI2.1
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Für die entsprechenden Jodide und Bromide ergeben sich entsprechende Formeln. Es genügt beispielsweise, in das Quarzrohr 2 eine geringe Menge Jod einzubringen, welche bereits bei niedrigeren Temperaturen mit dem Silicium bzw. Germanium gasförmige Jodide bildet, über welche die Transportreaktion gemäss den obenstehenden Formeln ablaufen kann.
Weiter ist noch eine andere Ausführungsform möglich, bei der der Transport von der kälteren zur wärmeren Halbleiterscheibe erfolgt, beispielsweise entsprechend folgenden Formeln :
EMI3.1
Bei diesem Verfahren muss das Temperaturgefälle innerhalb des Ofens 6 erzeugt werden, z. B. durch eine entsprechende Wicklung der Widerstandsheizung bzw. der Induktionsspule. Nach der Abscheidung kann dann durch plötzliches Abschalten ein "Einfrieren" des erreichten Zustandes bewirkt werden.
Die Vorteile des Verfahrens sind klar erkennbar. Zunächst einmal können in einem Arbeitsgang ver- hältnismässig viele Halbleiteranordnungen bearbeitet werden. Weiter ist das Verfahren noch dadurch be- sonders wirtschaftlich, dass praktisch das gesamte eingebrachte Halbleitermaterial wieder abgeschieden wird. Schliesslich ist auch noch der apparative Aufwand als relativ gering zu bezeichnen.
Zwischen die einzelnen Scheiben des Stapels 3 können kleinere Abstandshalter, beispielsweise Quarzkristalle, eingebracht werden, wodurch ein Abstand zwischen den einzelnen Scheiben entsteht. An jenen
Stellen, an denen die Quarzkörner die Oberfläche des Halbleitermaterials berühren, wird eine Störung der abgeschiedenen Schicht vorhanden sein, so dass es zweckmässig ist, die auf diese Weise gewonnenen Halbleiteranordnungen zu zerteilen, beispielsweise anzuritzen und zu zerbrechen, und danach die fehlerhaften
Stellen auszusortieren.
Gegebenenfalls können auch besondere Halterungen in das Quarzrohr eingesetzt werden, welche z. B. ebenfalls aus Quarz bestehen, und in die die Halbleiterscheiben mit Abstand voneinander eingelegt werden.
Für besondere Zwecke, z. B. für Halbleiteranordnungen mit besonderen Elektrodenformen, ist es zweckmässig, Masken zwischen die einzelnen Halbleiterscheiben zu legen, wodurch eine Abdeckung der Bereiche erzielt wird, auf welchen keine Abscheidung stattfinden soll. Derartige Masken können beispielsweise aus Glimmer, Graphit, Molybdän, Tantal od. dgl. bestehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mehreren Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus gasförmigen Halogeniden dieses Halbleitermaterials auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur unter Erwärmung des Trägerkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass in einem verschliessbaren Gefäss (2) Halbleiterscheiben (3) unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration abwechselnd aufeinander gestapelt werden, und dass bei Anwesenheit eines mit dem Halbleitermaterial gasförmige Verbindungen bildenden Reaktionsmittels ein Wärmegefälle vom einen zum andern Ende des Stapels erzeugt wird.