DE2659303A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiterelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf P-N-Übergangs-Isolationsgitter für Halbleiterelemente sowie Verfahren zu deren Herstellung.

W.G. Pfann beschreibt in "Zone Melting", John Wiley and Sons, Inc., New York (I966) ein Verfahren mit einem wandernden Lösungsmittel zur Herstellung eines P-N-Überganges innerhalb der Masse eines Halbleiterkörpers. Bei diesem Verfahren werden entweder Folien oder Drähte einer geeigneten metallischen Flüssigkeit durch ein festes Halbleitermaterial unter Anwendung eines thermischen Gradienten bewegt. Dotiertes flüssig-epitaxiales Material wird hinter dem wandernden flüssigen Draht zurückgelassen. In den US-PS 2 739 088 und 2 813 048 wird dieses Zonenschmelzverfah-

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ren unter Anwendung eines thermischen Gradienten sowie die damit erhaltenen Ergebnisse ebenfalls beschrieben. Erst kürzlich ist dieses Verfahren des Temperaturgradienten-Zonenschmelzens in einem Versuch angewendet worden, Halbleiterelemente herzustellen.

In der US-PS 3 904 442 ist ein verbessertes Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten beschrieben worden, das es gestattet, die Lehren von W.G. Pfann kommerziell zu nutzen. Mit diesem verbesserten Verfahren zum Zonenschmelzen wurde es möglich, eine Scheibe aus Halbleitermaterial in viele elektrisch isolierte Regionen zu unterteilen, in denen elektriscne Elemente hergestellt wurden. Wurden die Scheiben dann nach der weiteren Bearbeitung zerteilt, erhielt man einzelne Elemente.

Die nach dem in der US-PS 3 904 442 beschriebenen Verfahren erhältliche geometrische Konfiguration ist in Fig. 1 dargestellt, in der eine Scheibe 12 aus einkristallinem Halbleitermaterial gezeigt ist, die nach dem bekannten Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten die dargestellte geometrische Konfiguration 10 aufweist. Um diese Konfiguration 10 zu erhalten, sind zwei oder mehr aufeinander folgende Zonenschmelzvorgänge mit thermischem Gradienten erforderlich. Dies erfolgt unter Verwendung bevorzugter Drahtrichtungen und einer planaren (lll)-Orientierung für die Hauptoberfläche der Scheibe aus Halbleitermaterial. Das Ergebnis des thermischen Zonenschmelzen sind drei Gruppen im Abstand voneinander angeordneter planarer Regionen 14, 16 und 18 eines Leitfähigkeitstyps, der dem der Scheibe 12 entgegengesetzt ist. Die P-N-Übergänge 20, 22 und 24 werden durch die aneinander stossenden Oberflächen der Materialien entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aus dem Körper 12 und den jeweiligen planaren Regionen 14, 16 und l8 gebildet. Die planaren Regionen 14, 16 und 18 sind zueinander in einem vorbestimmten Winkel orientiert, so dass nach der thermischen Wanderung eine erste Gruppe hexagonaler Regionen 26 und eine zweite Gruppe dreieckiger Regionen 28 entstanden ist. Die Regionen 26 und 28 sind voneinander und von den wechselseitig

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benachbarten Regionen 26 oder 28 durch die Regionen 14, 16 und l8 isoliert. Die Regionen 28 bedeuten jedoch einen Verlust an Halbleitermaterial, da sie beim Zerteilen der Scheibe 12 in einzelne Elemente oder Chips Abfall bilden, nachdem das funktioneile Halbleiterelement in der Region 26 erzeugt ist.

Die Regionen 28 ergeben sich aus zwei Faktoren beim kommerziellen Behandeln der Scheibe 12. Zum einen können die Regionen 14, 16 und 18 derzeit nicht gleichzeitig mit dem Zonenschmelzen mittels thermischem Gradienten hergestellt werden. Man muss vielmehr die Regionen 14, 16 und 18 einzeln herstellen oder man kann zwei von ihnen gleichzeitig herstellen und dann in einem zweiten Arbeitsgang die dritte Region. Daher muss man mindestens zwei und möglioherweise drei Verfahrensstufen ausführen. Der Grund hierfür ist in der US-PS 3 904 442 angegeben. Versucht man daher drei Metalldrähte zur Bildung der Regionen 14, 16 und 18 gleichzeitig wandern zu lassen, dann führt die Oberflächenspannung bei der Bildung der zu bewegenden Schmelze zu einem Zusammenballen des Metalles.

Unter dem Einfluss der Wärme schmilzt das Metall und beginnt sich mit dem Halbleitermaterial zu Beginn des WanderungsVerfahrens zu legieren. Das Zusammenballen verursacht Diskontinuitäten in den. Planarregionen 14, 16 und l8, hauptsächlich an deren Schnittpunkten und dies hat zur Folge, dass Gruppen der Regionen 26 und 28 nach Beendigung des Verfahrens elektrisch nicht voneinander isoliert sind. Es kann daher nach dem Zerteilen der Scheibe in einzelne elektrische Elemente, die in den Regionen 26 hergestellt sind, eines oder mehrere der getrennten Elemente fehlerhaft sein, da der damit verbundene Teil der Regionen 14, 16 und 18 sowie der entsprechenden P-N-Übergänge 20, 22 und 24 die elektrischen Charakteristika der Elemente nicht wie erforderlich schützt. Weiter wurde das- Ausrichten der Masken ein Problem, da ein nicht sorgfältiges Handhaben und ein schlechtes Ausrichten der Masken während der Bearbeitung Verluste verursachen kann» Obwohl man daher etwas

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Halbleitermaterial vergeudet, ist die dargestellte Orientierung der Regionen doch erf- rderlich, um eine möglichst hohe Ausbeute an Elementen zu erhalten.

Es ist daher eine Aufgabe 4er vorliegenden Erfindung, ein neues, verbessertes Verfahren zum Ausführen des Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten zur Herstellung elektrischer Isolationsgitter zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Hierbei sollen drei sich schneidende Metalldrähte als eine geschmolzene Zone metallreichen Halbleitermaterials gleichzeitig durch einen festen Körper aus dem gleichen Halbleitermaterial bewegt werden. Weiter soll mit dem Ver'fahren das Material der Halbleiterscheibe maximal ausgenutzt werden.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass man zuerst einen Körper aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einer bevorzugten kristallographiscnen Struktur auswählt, der zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen, welche die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden, eine erste vorbestimmte Leitfähigkeitsart und einen vorbestimmten spezifischen Widerstand aufweist. Mindestens die obere Oberfläche des Körpers zeigt eine bevorzugte planare Orientierung. Der Körper hat auch eine Vertikalachse, die im wesentlichen mit einer ersten Achse der Kristallstruktur ausgerichtet ist, die auch im wesentlichen senkrecht zur oberen Oberfläche steht. Eine Schicht aus maskierendem Material, das z.B. ausgewählt ist aus Siliciumoxyd, Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd und Aluminiumnitrid wird auf die obere Oberfläche des Körpers aufgebracht, und Fenster in dieser Schicht geöffnet, vorzugsweise durch selektives chemisches Ätzen, um einen vorbestimmten Teil der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers freizulegen. Ein Material wird dann in jedem der Fenster auf dem freigelegten Oberflächenteil des Halbleiterkörpers niedergeschlagen. Ein Teil dieses Materials wird an das Material der oberen Oberfläche des Körpers gesintert. Körper, Metall und gesintertes Material werden

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dann auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, die ausreicnt, eine Schmelze aus irietallreichem Halbleitermaterial in den Penstern zu bilden. Ein Temperaturgradient wird im wesentlicnen parallel zu der vertikalen Achse des Körpers und der ersten Achse der Kristallstruktur eingerichtet. Die Oberfläche, auf der die Schmelze gebildet wird, befindet sich auf der tieferen Temperatur. Die Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial wird dann als gescnmolzene Zone durch den festen Körper aus Halbleitermaterial bewegt. Die Bewegung der Schmelze kann vollständig durch den Körper erfolgen oder nur für eine vorbestimmte Tiefe in den Körper hinein. Die Wanderung der Schmelze führt zur bildung einer Region aus rekristallisiertem Halbleitermaterial des Körpers, das das aufgebrachte Metall in einer Menge gelöst enthält, die der Löslichkeit im festen Zustand bei deiJTemperatur der Wanderung entspricht. Die erzeugte Region weist eine im wesentlichen gleichmässige Breite und einen im wesentlichen gleicnmässigen spezifischen Widerstand durch die ganze Region auf. Die erzeugten P-N-Übergänge sind Stufen-Übergänge, doch können sie durch ^eine thermische Nachbehandlung zu allmählichen gemacht werden.

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

Figur 1 eine Draufsicht auf eine geometrische Anordnung bzw. ein geometrisches Muster, wie es nach dem Stand der Technik erhalten wird,

Figur 2 eine Draufs.icht auf eine geometrische Anordnung bzw. ein geometrisches Muster, wie es mit dem erfindungsgemässen Verfahren erhalten wird,

Figur 3 eine Seitenansicht im Schnitt der geometrischen Anordnung der Figur 2 entlang der Schnittebene 3-3».

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Figur 4 die morphologische Gestalt von Drähten, die stabil in der < 111>-Richtung wanderten, und

Figuren 5, 6, 7 und 8 Seitenansichten im Schnitt der verschiedenen Verfahrensstufen des Halbleiterkörpers der Figur 3.

In den Figuren 2 und 3 ist ein geometrisches Muster 50 elektrischer Isolationsregionen gezeigt, die bei der Herstellung einer spezifischen Klasse von Halbleiterelementen kommerziell benutzt wird. Diese Planaranordnung 50 wird derzeit hauptsächlich bei Halbleiterkörpern oder -scheiben 52 aus einkristallinem Silicium angewendet. Doch kann das Material der Scheiben 52 auch Germanium, Siliciumcarbid, eine Verbindung aus einem Element der Gruppe II und einem Element der Gruppe VI oder eine Verbindung eines Elementes der Gruppe III und eines Elementes der Gruppe V des Periodensystems sein, wobei das Halbleitermaterial vorzugsweise eine kubische Diamantkristallstruktur aufweist. Der Körper 52 hat zwei Hauptoberflächen 54 und 56, welche die obere bzw. untere Oberfläche des Körpers bilden und eine periphere Seitenoberfläche 58. Im vorliegenden Fall besteht der Körper 52 aus Silicium. Die Dicke des Körpers ist die einer typischen Scheibe im Bereich von 0,15 bis 0,25 mm und mehr, je nachdem, welches Element hergestellt werden soll.

Die bevorzugte geometrische Anordnung 50 wird leicht durch das Zonenschmelzen mit thermischem Gradienten erhalten und sorgt für eine maximale Ausnutzung des Halbleitermaterialvolumens bei der Herstellung der Halbleiterelemente.

Die geometrische Anordnung 50 umfasst drei Gruppen im Abstand voneinander angeordneter planarer Regionen 60, 62 und 64, die sich vollständig durch den Körper oder die Scheibe 52 erstrecken und in der gegenüberliegenden Hauptoberfläche enden. Obwohl das Material der Regionen 60, 62 und 64 den gleichen Leitfähigkeitstyp

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haben kann wie der Körper 52, ist es bevorzugt, dass der Leitfähigkeitstyp dieser Regionen 60, 62 und 64 dem des Körpers 52 entgegengesetzt ist. Auf diese Weise kann man die Regionen 60, 62 und 64 als elektrische Isolation zum Unterteilen der Scheibe oder des Körpers 52 in eine Vielzanl von Regionen 66 benutzen. Elektrische Elemente 68, die vom Planar- oder Mesatyp sein können, kann man vor oder nach der Wanderung herstellen, die die Regionen 66 bildet.

Die Anordnung 50 kann erhalten werden, indem man das verbesserte Zonenschmelzverfahren mit thermisenem Gradienten anwendet, bei dem die Metalldrähte gesintert werden, um die Wanderung einzuleiten und die Regionen 60, 62 und 64 in einer gleichzeitigen Wanderung herzustellen.

Die Scheibe oder der Körper 52 aus einkristallinem Halbleitermaterial, wie Silicium, wird hinsichtlich seines Leitfähigkeitstyps und des spezifischen Widerstandes ausgewählt_s Der spezifische Widerstand des Materials des Körpers 52 variiert entsprechend den Anforderungen an die Durchbruchsspannung des Elementes 68, das in der Region 66 hergestellt werden soll,sowie der Durchbruchsspannung der P-N-Übergänge der elektrischen Isolationsregionen, die erforderlich sind, um die Integrität der Elemente ob sicherzustellen, wenn die Scheibe 56 in einzelne Elemente 68 zerschnitten wird. Der Leitfähigkeitstyp der Planarregionen 60, 62 und 64 ist durch den Leitfähigkeitstyp bestimmt, der für die Regionen 66 und die Scheibe 52 erforderlich ist.

Ausserdem hat der Körper 52 eine bevorzugte planare kristallographische Orientierung zumindest für die Oberfläche 54. Diese bevorzugte Orientierung liegt in der (lll)-Ebene. Es ist in der US-PS 3 904 442 erkannt werden, dass die Stabilität von Drähten, die in einer (lll)-Ebene für die Oberfläche 54 liegen und in einer -Richtung durch den Körper 52 zur Oberfläche 56 wandern,

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nicht allgemein empfindlicn auf axe kristallograpuiscne Richtung, des Drahtes ist. Diese allgemeine Stabilität von in der (IU)-Ebene liegenden Drähten rührt von der Tatsache her, dass die (lll)-Ebene die Kristallflächen-bzw. Pacettenebene für aas rnetallreiche, flüssige Halbleitersyäteai ist. Die morphologische Gestalt eines Drahtes in der (lll)-Ebene ist in Figur 4 gezeigt, aus der ersichtlich ist, dass die obere und die untere Oberfläche in aer (ill)-Ebene liefen. Sowohl die voraere als auch die rückwärtige Seite aieser Dränte sina stabil, vorausgesetzt, der Draht hat eine Weite, die eine bevorzugte YJeite von weniger als 500 Aim nicnt übersteigt.

Die Seitenflächen eines in der (lll)-Ebene liegenden Drahtes sind nicht von gleicher Stabilität wie die obere und untere Oberfläche. Kanten der Seitenflächen, die in der «<110->-, <101"^> - und der <011?- -Richtung liegen, haben (lll)-artige Ebenen als Seitenflächen. Infolgedessen aind diese Drähte stabil gegenüber einer Seitendrift, die dadurch verursacht werden kann, dass der thermische Gradient mit der<111>-Richtung nicht in beträchtlichem Maße ausgerichtet sein sollte. Andere Drahtrichtungen in der (lll)-Ebene, wie z.B, die <112>-artigen Drahtrichtungen^entwickeln an ihren Seitenflächen Auszackungen, wenn sie als Ergebnis eines leicht ausserhalb der Achse verlaufenden thermischen Gradienten seitwärts driften. Der weiter wanaernde Draht zerbricht dabei möglicherweise vollständig oder verbiegt sicn in eine < llO/'-artige Richtung. Ein im vernünftigen Maße gut ausgerichteter thermischer Gradient gestattet die thermische Bewegung von Drähten in der <112>-artigen Richtung mindestens durch Körper aus Halbleitermaterial mit 1 cm DicKe, ohne dass der Draht zerbricht oder sich an den Kanten des wandernden Drahtes Auszackungen bilden.

Beim Bewegen von flüssigen Drähten durch Körper aus Halbleitermaterial mit einer (lll)-Scneibenebene sind die stabilsten Draht-

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richtungen <ϋΐϊ> , <10Ϊ-7- und<110^. Dxe Breite jedes dieser Dränte kann bis zu etwa 500 ,um betrafen, ohne dass die Stabilität während der tnermischen V/änderung beeinträchtigt wira. Ein dreieckiges Gitter aus menreren Drähten, die in den drei Drahtrichtungen <011 -p-_a <\QV7 una<110~7· liegen, ist durch ein gleichzeitiges Zonenschmelzverfahren mit thermischem Gradienten für alle drei Drähte nicht ohne weiteres herstellbar. Die Oberflächenspannung der Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial am Schnittpunkt der drei Drantrichtungen reicht aus, die Richtungen zu zerreissen, und dies führt zu ei: .r Unterbrechung in der Gitterstruktur. Das Gitter wurde daher bisher vorzugsweise mittels drei separater Zonenschmelzstufen hergestellt, bei denen jeweils eine Drahtrichtung bewegt wurde.

Drähte einer <1127" -, <C2117-und <121>-Richtung sind weniger stabil als Drähte der <Ο1Ϊ> -, <10Ϊν - und «CL10"7-Richtungen während der thermischen Wanderung, uoch sind sie noch stabiler als irgendwelche anderen Drahtrichtungen in der (lll)-Bbene. Die Drähte können eine Weite von bis zu 500 /um haben, ohne dass ihre Stabilität während der thermischen Wanderung beeinträchtigt ist.

Irgend eine andere Drahtrichtung in der (111)-Ebene, die bisher nicht ausdrücklich genannt wurde, kann ebenfalls durch den Körper aus Halbleitermaterial bewegt werden. Da Drähte dieser anderen nicht genannten Richtungen jedoch die geringste Stabilität aller Drahtrichtungen der (lll)-Ebene bei Vorliegen eines etwas ausserhalb der Achse verlaufenden thermischen Gradienten haben, ist diesbezüglich besondere Vorsicht geboten. Unabhängig von der Drahtrichtung sind jedoch alle Drähte, die in der (lll)-Ebene liegen, bis zu einer Weite von etwa 500 /um während der Wanderung stabil.

Durch gleichzeitige Wanderung eines Drahtes der Richtungen <Ο1Ϊ> , <10Ϊ>· und <llO"7 und eines irgendeiner der übrigen Drahtrichtungen kann ein senkrechtes P-N-übergangs-Isolations-

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gitter hergestellt werden, indem die erzeugten Regionen im wesentlichen senkrecht zueinander stehen, oder irgendeine andere Konfiguration sich schneidender planarer Regionen haben. Das Gitter kann aber aucn durch Bewegen jeder Drahtrichtung einzeln hergestellt werden.

Eine Zusammenfassung der stabilen Drahtrichtungen für eine besondere planare Ebene und die Grossen der stabilen Drähte sind in der weiter unten folgenden Tabelle zusammengefasst.

Liegt die planare Orientierung der Oberfläche 54 in der (Hl)-Ebene, dann ist es beim Bewegen von Drähten bevorzugt, dass die Oberfläche 54 zur Ausbildung trogähnlicher Vertiefungen geätzt wird. Diese trogähnlichen Vertiefungen unterstützen das Einleiten des Wanderns und verhindern, dass sich die Drähte während der Bildung der metallreichen Halbleiter-Schmelze ausbreiten. Ist eine Genauigkeit bei der Drahtbreite nicht erforderlich und kann etwas Ausdehnung der Breite toleriert werden, dann kann mit einer Oxydmaske gearbeitet werden. Man muss sich jedoch darüber klar sein, dass ein seitliches Pliessen des metallreichen Halbleitermaterials zwischen Maskenmaterial und Scheibenoberfläche 54 in der unmittelbaren Nähe des Fensters in der Maske, in dem das Metall niedergeschlagen worden ist, stattfinden wird.

Zur Beseitigung von beschädigten Oberflächenteilen wird der Körper oder die Scheibe 52 aus Halbleitermaterial mechanisch poliert, chemisch geätzt, in entionisiertem Wasser gespült und in Luft getrocknet. Dann ordnet man eine säurebeständige Maske 6Ö auf der Oberfläche 54 des Körpers 52 an. Vorzugsweise besteht die Maske aus Siliciumoxyd, die entweder thermisch aufgewachsen oder aufgedampft wird, wobei die bekannten Verfahren Anwendung finden. Das Material der Maske 68 kann aber auch Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxyd sein. Unter Anwendung bekannter photolithographischer Techniken wird eine Schicht 70 aus einem Photo-

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resist, wie Kodak Metal Etch Resist, auf der Oberfläche der Silieiumoxydschicht 68 angeordnet. Die Resistschicht wird durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 8O⁰C getrocknet. Eine geeignete Maske für die Konfiguration 50 aus Linien vorbestimmter Dicke, Drahtrichtung und Schnittpunkten zur Bildung der hexagonalen Anordnung auf aer Schicht 70 aus Photoresist wird angeordnet und das Ganze mit UV bestrahlt. Danach wäscht man die Schicht 70 aus Photoresist in Xylol, um die Fenster 72 in der Photoresistschicht 70 zu öffnen, wo die Linien erwünscht sind, damit man die SiIiciumoxydschicht 6Ö, die in den Fenstern freigelegt ist, selektiv ätzen kann.

Das selektive Ätzen der Schicht 68 aus Siliciumoxyd erfolgt mit einer gepufferten Fluorwasserstoffsäurelösung (NH^F-HF). Es wird geätzt, bis in der Schicht 68 aus Siliciumoxyd Fenster 74, die den Fenstern 72 der Photoresistschicht 71 entsprechen, geöffnet sind, um selektive Teile der Oberfläche 54 des SiliciumkÖrpers 52 freizulegen. Nacn dem Ätzen wird der behandelte Körper 52 in entionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Die verbliebene Photoresistschicht 71 wird durch Eintauchen in konzentrierte Schwefelsäure bei l80°C oder durch Eintauchen in eine Lösung von einem Teil Hydrogenperoxyd und einem Teil konzentrierter Schwefelsäure unmittelbar nach dem Vermischen entfernt. Das selektive Ätzen der freigelegten Oberflächenbereiche des Körpers 52 erfolgt mit einer gemischten Säurelösung aus 10 Vol.-Teilen 70J£iger Salpetersäure, 4 Vol.-Teilen lOO^iger Essigsäure und 1 Vol.-Teil 48#iger Fluorwasserstoffsäure. Bei einer Temperatur von 20 bis 30⁰C ätzt die gemischte Säurelösung den Siliciumkörper 52 mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 ,um pro Minute selektiv. Direkt unterhalb jedes Fensters 64 der Oxydschicht 68 wird ein Trog 76 in die Oberfläche 54 des Körpers 52 geätzt. Das selektive Ätzen erfolgt, bis die Tiefe des Troges 76 etwa gleich der Weite des Fensters in der Siliciumoxydschicht 68 ist. Es wurde jedoch festgestellt, dass der Trog 76 nicht tiefer sein sollte als etwa

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1ÜO ,um, da sonst ein Unterschneiden der Siliciumoxydscnicht 6ö stattfindet. Dieses Unterschneiden würde eine nachteilige Wirkung auf die Weite des durch den Körper o2 zu bewegenden Drantes naben. Ein etwa 5-minütiges Ätzen bei einer Temperatur von 25 C führt zu einer Trogtiefe von 25 bis 30 ,um für eine Pensterweite von 10 bis 500,um. Der geätzte Körper 52 wird in destilliertem Wasser gespült una trockerijjeblasen, hierfür Denutzt man vorzugsweise ein Gas wie Freon, Argonjund ähnliche.

Der derart benanaelte Körper 52 wird in einer Kammer zum Aufdampfen des Metalles angeordnet. Eine Schicht 7ö aus einem geeigneten Metall wird auf aie verbleibenden Teile der Schicht ob aus SiIiciumoxyd und das freigelegte Silicium in den Trögen 76 aufgebracht, Das Metall in den Trögen 76 sind die durch den Körper 52 zu bewegenden Metalldrähte. Das Metall der Schicht ¹Jb umfasst ein Material, uas entweder im wesentlichen rein ist oder das durch ein oder mehrere Materialien in geeigneter Weise dotiert wurde, um dem Material des Körpers 52, durch welches es wandert, eine zweite und entgegengesetzte Leitfähigkeitsart zu verleihen. Die Dicke der Schicht 78 ist etwa gleich der Tiefe des Troges 76. Für einen 20 ,um tiefen Trog 7o beträgt die Dicke der Schicht "Jb daher etwa 20 ,um.

Ein geeignetes Material für die Metallschicht Jb ist Aluminium, um P-leitende Regionen in N-leitendem Silicium zu erhalten. Vor dem Bewegen der in den Trögen 76 befindlichen Metalldrähte durch den Körper aus Silicium wird das überschüssige Metall der Schicht 76 durch geeignete Mittel wie Abschleifen mit Carbidpapier (600 grit) von der Siliciumoxydschicht 68 entfernt.

Es wurde festgestellt, dass das Aufdampfen der Schicht 78 aus Aluminiummetall bei einem Druck von etwa 10 Torr und nicht mehr als 5 x 10 Torr erfolgen sollte. Ist der Druck beim Aufdampfen grosser als 3 χ 10 ^p Torr, dann dringt das in den Trögen niederge-

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schlagene Aluminium nicht in das Silicium ein und wandert demgemäss nicht durch den Körper 52.

Es wird angenommen, aass die Aluminiumschicht durch das Restgas in der tiedampfungskammer mit Sauerstoff gesättigt ist und dass dies das gute Benetzen der benachbarten Siliciumoberfläcnen verhindert. Die für das v/andern erforderliche Schmelze aus Aluminium und Silicium wird nicht erhalten, da die Aluminiumatome nicht in die Siliciumgrenzflache eindiffundieren können. Auch durch Zerstäuben aufgebrachtes Aluminium erwies sich als nicht brauchbar, da auch hier das Aluminium auf Grund des angewandten Verfahrens mit Sauerstoff gesättigt zu sein scheint. Das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen von Aluminium auf den Siliciumkörper 52 ist daher das mittels eines älektronenstrahles und ähnlicher Verfahren, bei aenen_/wenn überhaupt nur wenig Sauerstoff im Aluminium eingeschlossen sein kann.

Vor dem Bewegen des Drahtes wird der Körper 52 in einen geeigneten Ofen eingebracht, und für etwa 5 bis 30 Minuten auf 500 bis 55O°C erhitzt, um den Metalldraht an das Halbleitermaterial in den trogartigen Vertiefungen zu sintern. Eine bevorzugte Sintertemperatur ist 525°C +^ 5⁰C für eine Zeit von 20 Minuten. Hierbei erfolgt ein Verschmelzen eines Teiles des Metalles mit dem Halbleitermaterial der Oberfläche, mit dem sich das Metall in Berührung befindet.

Will man die Drähte gleichzeitig bewegen, dann ist dieses Sintern eine Notwendigkeit. -Ohne Sintern würde das Metall am Schnittpunkt der drei Drahtrichtungen sich als Ergebnis der Oberflächenspannung zusammenballen und die Drahtrichtungen unterbrechen. Die Regionen mit N-Leitfänigkeit in der Nähe einer solchen Zusammenballung wären daher nicht elektrisch voneinander isoliert. Auf Grund des Sinterns bleibt aber die Schmelze aus dem metallreichen Halbleitermaterial am Schnittpunkt sowie auch an anderen Stellen während

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der Wanderung aurcn den Körper d2 intakt.

üer Körper 52 wira nach dem Sintern in eine Vorrichtung zur Durchführung aer tnermischen Bewegung eingebracnt und die Metalldränte in üen Trögen 7b werden durcn das Zonenschmelzen unter einem tnermischen Gradienten durch den Kö-^rper 52 bewegt. Ein thermischer Gr-uaient von etwa 50°C pro cm zwischen der unteren Oberfläche 5ö, welche die heisse Pläcne ist, und der Oberfläche 5*1, welche die kalte Fläche ist, hat sich als geeignet erwiesen bei einer Durchschnittstemperatur aes Körpers 52 im Bereich von 500 bis 1350 C. Das Verfahren wird ausreichend lange ausgeführt, um alle Metalldränte durch den Körper 10 zu bewegen. Für Aluminiumdränte von 20 ,um Dicke, einen thermiscnen Gradienten von 50°C pro cm, eine Temperatur des Körpers 52 von 1100 C und bei einem Druck von 10 Torr ist eine Ofenzeit von 5 bis I5 Minuten erforderlich, um die Drähte durch eine Siliciumscheibe der Standarddicke von etwa 0,25 mm zu bewegen.

Das allgemeine Konzept des Zonenschmelzen unter einem Temperaturgradienten und die Vorrichtung zu dessen Durcnführung sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Weitere Informationen hinsichtlich des Zonenschmelzen unter einem Temperaturgradienten, wie es in der vorliegenden Erfindung angewendet wird, sowie hinsichtlich einer gründlichen Besenreibung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird auf die folgenden US-PS verwiesen: 3 901 736, 3 89Ö 106, 3 902 925 und 3 Ö99 361.

Nach der Beendigung des Zonenschmelzen wird das überschüssige Metall der bewegten Metalldrähte von der Oberfläche 56 entfernt,und zwar vorzugsweise durch selektives chemisches Ätzen. Die Oberflächen 5¹I und 56 werden selektiv geätzt und poliert und der dabei erhaltene Körper ist in den Figuren 2 und 6 gezeigt.

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- Vs -

Das thermiscae Bewegen der Metallarähte aus den Trögen 76 durcn den Körper ?2 fünrt zu einem Körper mit drei Gruppen im Abstand voneinander angeordneter planarer Hegionen 60, 62 und 64, von denen jede einen zweiten und dem des Körpers 52 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat. Die Regionen 60, 62 und 64 sind so angeordnet, dass die Konfiguration 50 geschaffen wird. Jede Region 60, ü2 und 64 besteht aus rekristallisiertem Material des Körpers 52, das in einem der festen Löslichkeit entsprechenden Maß von dem Metall enthält, das ausreicht, den gewünschten Leitfähigkditstyp und den gewünschten spezifischen Widerstand zu erzeugen. Die Konzentration des Verunreinigungsmetalles ist bestimmt durcn die Art des durch den Körper 52 bewegten Verunreinigungsmetalles, das üalbleitermaterial und die Temperatur,bei aer das Zonenschmelzen ausgeführt worden ist. Geeignete graphische Darstellungen zeigen die feste Löslicnkeit verschiedener Verunreinigungen in verschiedenen Halbleitermaterialien wie z.B. die aer Figur 3-7 auf Seite 45 des Buches "Physics and Technology of Semiconductor Devices" von A.S. Grove. Daraufhin kann man die erforderliche Bewegungstemperatur für eine Schmelze verscniedener Verunreinigungsmetalle durch einen Kö-rper aus festem Silicium bestimmen.

Die Regionen 60, 62 und 64 enthalten eine im wesentlichen konstante gleichmässige Verunreinigungskonzentration durch die ganze planare Region, da der angewendete Temperaturgradient und die Abhängigkeit der festen Löslichkeit der angewendeten Metalle von der Temperatur derart sind, dass die Zusammensetzung nicht merklich beeinflusst wird. Die Dicke jeder der Regionen 60, 62 und 64 ist im wesentlichen konstant für die ganze Region. Die periphere Oberfläche jeder der Planarregionen 60, 62 und 64 unu'asst teilweise die obere Oberfläche 54 und die untere Oberfläche 56.

Ausserdem wird der Körper 52 in viele im Abstand voneinander angeordnete Regionen 66 unterteilt, welche den gleichen ersten Leitfähigkeitstyp wie der Körper 52 aufweisen. Durch die aneinander-

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stossencien überflächen, jedes Paares der Kegionen öü und 66, 62 und 66 sowie 64 und 66 mit jeweils entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp werden die P-iM-übergänge öO, o2 una 84 gebildet. Jeder aieser P-N-Übergänge ist sehr abrupt und dies fünrt zu einem steilen übergang. Jeaer aer P-N-Übergänge 80, 82 una 84 nat eine Dicke von etwa Ib ,um. Bei einer Behandlung^temperatur von 9OO°C wird das Profil jeaes der übergänge 80, b2 und 84 auf etwa 0,3 /Um reduziert .

Die Planarregionen 6ü, 02 und 64 können einen spezifischen Widerstand aufweisen, der von dem des Körpers 52 verschieden ist. Dies wird mittels eines Zonenschmelzen erreicht, bei dem das Material aer Metallschicht 78 geeignet ist, Regionen 60, 62 und 64 rekristallisierten Materials des Körpers 52 zu bilden, uie in fester Löslichkeit das Metall der Schicht 78 enthalten und dem N-leitenden Körper 52 den gewünschten spezifiscnen Widerstand verleihen.

Unter Bezugnahme auf Figur 7 Kann aber auch die Konfiguration 50 gebildet weraen, bei dem die Scnicht 78 des aie zu bewegenden Drähte umfassenden Metalles an die ungeätzten freigelegten Teile der Oberfläche 5^ gesintert wird. Man muss dann jedocn ein seitliches Fliessen an der Grenzfläche zwiscnen der Schicht 68 und den Oberflächen 5^ in der unmittelbaren Nähe aer Fenster 74 gestatten.

In gleicher Weise kann man das neue Sinterverfahren für planare Orientierungen der Oberfläche 54 der Scheibe 52 in der (100)- und der (HO)-Ebene benutzen, um Drähte δ\χ bewegen, die sich entweder schneiden oder nicht schneiden. Die entsprechenden stabilen Drahtrichtungen sind in der nun folgenden Tabelle angegeben. Das selektive Ätzen der Oberfläche 54 ist jeaoch zum Bewegen von Drähten auf einer planaren Oberflächenorientierung in der (HO)-iibene mit einer Drahtrichtung -ίΊΪΟ τ' noch erforderlich.

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<<110

( + ) b) «£112 <211

	bewegungs richtung	TABELLE	Stabile Drant- grössen
Scheiben- eoene	<100>	Stabile Draht- ri chtungen	*έ 100 /um
(100)		<roil ~y *	<£. 100 -um
	.110.	^r Oil ·> *	-έ-VjQ ,um
(110)	-'-CU! 7	< 110 -7 4f
(111)	a) ^011->

500 ^ um

.um

c) irgendeine andere Richtung in der (lll)-Ebene * <500 _/um

Die Stabilität des wandernden Drahtes hängt von der Ausrichtung des tnermischen Gradienten mit der -^100"?·-, <I11Q*>- bzw. <:ill>-Achse ab.

+ Die Gruppe a ist.stabiler als die Gruppe b, die wiederum stabiler ist als die Gruppe c.

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Als eine weitere Ausfünrungsform der Erfindung können die Regionen 66 aucn von aem boden aes Körpers 52 elektrisch isoliert sein. In uer Figur b ist eine Region 90 des gleichen Leitfähigkeitstyps wie dem der Regionen ou, o2 und 64 gezeigt, die in geeigneter Weise Hergestellt ist, um die erforderliche elektrische Isolation zu scnaffen. Die Region 90 kann durcn Diffusion eines geeigneten Dotierungsmaterials durch die untere Uberfläcne 56 des Körpers 52, durcn epitaxiales Aufwachsen einer geeigneten iialbleitermaterialschicht und auf ännlicne //eise hergestellt werüen. Durcn die gegeneinander^ toss enden Überflächen des Materials mit entgegengesetztem Leitfänigkeitstyp der jeweiligen Regionen mit der Region 90 wird ein P-w-übergang 92 gebildet, der integral mit den entsprechenden P-N-Übergängen bü und b2 ausgebildet ist, ebenso wie mit dem P-N-Übergang b4 (Figur 2), um die elektrische Isolation für jede regionale Zelle 66 zu schaffen. Die Region 90 kann vor oder nacn aem Bewegen aer Drähte gebildet weraen.

Mit dem erfindungs gernäss en Verfahren können aucn anaere geometriscne Konfigurationen hergestellt weraen. So können scheibenförmige Metallschicnten auf aie Oberfläche 5^ aufgebracnt werden. Das ßewegen einer Schmelze aus solchen scheibenförmigen Metallschichten führt zu säulenförmigen Regionen aus rekristallisiertem iialbleitermaterial des Körpers 52, die an Ort und Stelle in dem Körper 52 gebildet werden.

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Claims (19)

Patentansprüche

1.!Verfahren zum Bewegen einer Schmelze aus metallreichem HaIbleitermaterial aurcn einen festen Körper aus dem Halb leitermaterial, gekennzeichnet durch folgenae Stufen:

(a) Auswählen eines Körpersaus einkristallinem Halbleitermaterial mit swei gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere und die untere Oberfläche bilden, einer vorbestimmten Leitfähigkeitsart, einem vorbestimmten spezifischen Widerstand, einer bevorzugten kubischen Diamantkristallstruktur, einer bevorzugten planaren Kristallorientierung für mindestens die Hauptoberflächen, einer Vertikalachse, die im wesentlichen senkrecht zu den gegenüberliegenden Hauptoberflächen verläuft und einer ersten bevorzugten Kristallachse, die im wesentlichen parallel zu der Vertikalachse verläuft und im wesentlichen senkrecht zu den gegenüberliegenden Hauptoberflächen,

(b) Aufdampfen einer Metallschicht auf die nauptoberfläche mit der bevorzugten planaren Kristallorientierung, wobei die Schicht eine bevorzugte Breite und eine bevorzugte Dicke aufweist und so orientiert ist, dass sie mindestens einen Metalldraht mit einer Längcjacnse bildet, aie im wesentlichen parallel mit einer zweiten bevorzugten Kristallachse der Kristallstruktur des Materials des Körpers ausgerichtet ist,

(c) Erhitzen des Körpers und der Metallschicht auf eine Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer, die ausreicht, miiiaestens einen Teil der Metallschicht an einen Teil des Halbleitermaterials der Hauptoberfläche des Körpers zu sintern,

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-Seid) Erhitzen von gesintertem Körper und Metalldraht auf eine vorbestiminte Temperatur, aie ausreicht, eine Schmelze aus metallreichem Halbleitermaterial auf der Oberfläche des Körpers zu bilden,

(e) einrichten eines Temperaturgradienten im wesentlichen parallel zur Vertikalachse des Körpern und aer ersten Achse der Kristallstruktur und

(f) Bewegen der Schmelze aus metallreichem halbleitermaterial durch den festen Körper im wesentlicnen ausgerichtet mit der ersten Achse der Kristallstruktur'bis in eine vorbestimmte Tiefe unterhalb der uauptoberfläche zur Bildung einer Planarregion rekristallisierten Materials des Körpers, die in fester Löslichkeit das Metall enthält.

2. Verfahren nach Ansprucn 1, dadurcn gekennzeichnet , dass vor dem Aufbringen der Metallschicht auf aie Oberfläche des Körpers eine Maske auf dieser Oberfläche gebildet wird, um eine bevorzugte geometrische Konfiguration für die Metallschicht zu ernalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung ausgewählt ist aus (111), (100) und (110).

4. Verfahren nach Ansprucn 3, dadurcn gekennzeichnet , dass nach dem Bilden der Maske und vor dem Aufbringen der Metallschicht die hauptoberfläche des Körpers selektiv geätzt wird, um mindestens eine trogartige Vertiefung mit einer vorbestimmten Tiefe darin zu bilden.

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5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung die (lOO)-Ebene ist, die erste bevorzugte

die
Kristallachse /<1OO> -Richtung ist und die zweite bevorzugte Kristallachse mindestens eine ist, ausgewählt ist aus und <oll>-Richtung.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, ciadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung (111) ist und die erste bevorzugte Kristallachse < 111"?" ist.

7. Verfanren nach Anspruch 3 oder 4, daaurcn gekennzeichnet , dass die Hauptoberfläche eine bevorzugte planare Kristallorientitrung in der (HO)-Ebene hat und axe erste bevorzugte Kristallachse -ClIO7" ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte geometrische Konfiguration mindestens zwei sich schneidende Linien aufweist, von denen eine Linie im wesentlichen parallel zu der ersten bevorzugten Kristallachse orientiert ist und die zweite Linie im wesentlichen parallel zu einer dritten bevorzugten Kristallachse des Materials des Körpers orientiert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3, ^ oder δ, dadurch gekennzeichnet , dass der Temperaturgradient im Bereich von 50 bis 200⁰C pro cm liegt und die Wanderung bei einer Temperatur von 700 bis 135O⁰C ausgeführt wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung (100) ist und die erste bevorzugte Kristallachse "ClQQy- ist und die zweite bevorzugte Kristallachse ^.Qliy ist und die uritte bevorzugte Kristallachse <CQ11~7 ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung (111) ist, die erste bevorzugte Kristallachse -<ülll>" ist, die zweite bevorzugte Kristallachse irgendeine Krislallachse ist, die im wesentlichen parallel zu der (Hl)-Ebene verläuft und die dritte bevorzugte Kristallachse irgendeine verbleibende Kristallachse ist, die im wesentlichen parallel zu der (lll)-Ebene verläuft.

12. Verfahren nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung (111) ist, die erste bevorzugte Kristallachse

<11Γ7 ist, die zweite bevorzugte Kristallachse eine ausge- - wählt aus <Ql±y, <1017- \ind<llQ^ und die dritte bevorzugte Kristallachse irgendeine der verbleibenden Achsen ist, die im wesentlichen parallel zu der (lll)-Ebene verlaufen.

13· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte Kristallorientierung (111) ist, die erste bevorzugte Kristallachse <111~7 ist, die zweite bevorzugte Kristallachse eine der folgenden ist: <112> , <211"7 und «£1217 und die dritte bevorzugte Kristallachse irgendeine der übrigen Achsen ist, die parallel zu der (lll)-Ebene verlaufen.

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14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugte planare Kristallorientierung (111) ist und die geometrische Konfiguration der Maske mindestens drei Linien begrenzt, von denen jede Linie im wesentlichen parallel zu einer Kristallachse orientiert ist, die im wesentlichen parallel zu der (lll)-iibene verläuft.

15. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das rialbleitermaterial des Körpers ausgewählt ist aus Silicium, Siliciumcarbid, Germanium und Galliumarsenid.

16. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Halbleitermaterial Silicium mit N-Leitfähigkeit ist und dass das Metall des Drahtes Aluminium ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , dass die geometrische Konfiguration ein Sechseck definiert.

18. Verfahren nach Anspruch i oder 17, gekennzeichnet durch die zusätzliche Verfahrensstufe der Bildung einer planaren Region mit zwei gegenüberstehenden

. Hauptoberflächen in dem Körper, die so orientiert sind, dass diese beiden gegenüberstehenden Hauptoberflächen im wesentlichen parallel zu den beiden gegenüberstehenden Hauptoberflächen des Körpers verlaufen und eine der gegenüberstehenden Hauptoberflächen der Planarregion an eine der gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Körpers anstösst und die gleiche Ausdehnung aufweist.

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19. Verfahren nacn Anspruch Ib, dadurch gekennzeichnet , dass jede der Planarregionen eine zweite und gegenüber aer aes Körpers entgegengesetzte Leitfähigkeits-

hat
art/und aass die sich schneidenden Planarregionen den Körper

in eine Vielzahl von Regionen aus nalbleitermaterial der gleichen Leitfähigkeitsart wie aer des Körpers unterteilen und
aass jeae davon elektriscn von den anderen isoliert ist.

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