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DE1137807B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase

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DE1137807B
DE1137807B DES74266A DES0074266A DE1137807B DE 1137807 B DE1137807 B DE 1137807B DE S74266 A DES74266 A DE S74266A DE S0074266 A DES0074266 A DE S0074266A DE 1137807 B DE1137807 B DE 1137807B
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semiconductor material
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heated
deposition
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DES74266A
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Dr Phil Nat Konrad Reuschel
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
S 74266 VHIc/21g
ANMELDETAG: 9. JUNI 1961
BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 11. OKTOBERJ1962
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die aus einem einkristallinen Grundkörper mit mehreren Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration bestehen, durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur. Erfindungsgemäß werden mehrere scheibenförmige Trägerkristalle derart übereinandergestapelt, daß ein stabförmiger Stapel entsteht, und dann wird dieser Stapel in einem strömenden Gemisch einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und eines gasförmigen Reaktionsmittels erhitzt. Die Erhitzung kann beispielsweise induktiv bzw. durch Strahlungsheizung erfolgen.
Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial auf erhitzten Trägerkristallen bekanntgeworden. Derartige Halbleiteranordnungen werden beispielsweise in der Mikrostromkreistechnik (microcircuitry) verwendet. Derartige Verfahren zur Abscheidung von Halbleitermaterial sind z. B. aus den deutschen Patentschriften 865 160 und 1 061 593 bekannt. Durch die Erfindung werden diese Verfahren weiter verbessert.
Vorzugsweise werden Halbleiterschichten aus demselben Halbleitermaterial wie der Trägerkristall auf diesem abgeschieden. Es kann aber auch für den Trägerkristall ein anderes Halbleitermaterial verwendet werden als das, welches durch Abscheidung aus der Gasphase niedergeschlagen wird. Scheidet man beispielsweise auf einem Siliziumträger Germanium ab, so ist auf den Germaniumschichten eine Kontaktierung schon bei tieferen Temperaturen und gegebenenfalls auch mit anderen Stoffen möglich.
Bei einer derartigen Abscheidung von unterschiedlichem Halbleitermaterial müssen selbstverständlich die Reaktionstemperaturen für das Abscheiden und Niederschlagen des Überzugsmaterials niedriger sein als die Schmelztemperatur des Trägerkristalls. Außerdem dürfen die Gitterkonstanten des Trägerkristalls und des abzuscheidenden Halbleitermaterials sich nur um etwa 5% unterscheiden. Es können demzufolge beispielsweise Germanium auf Silizium abgeschieden werden sowie Gallium-Arsenid auf Germanium, Aluminium-Arsenid sowohl auf Germanium als auch auf Silizium, Gallium-Arsenid auf Aluminium-Arsenid und umgekehrt, Aluminium-Phosphid auf Silizium, Gallium-Phosphid auf Silizium und Indium-Phosphid auf Germanium.
Die Übergänge von einem Material auf das andere können auch über Mischkristalle erfolgen. Man kann Verfahren zur Herstellung
von Halbleiteranordnungen
durch einkristalline Abscheidung
von Halbleitermaterial aus der Gasphase
Anmelder:
ίο Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr.phil.nat. Konrad Reuschel, Pretzfeld, ist als Erfinder genannt worden
also beispielsweise, wenn man Germanium auf einem Siliziumemkristall niederschlagen will, zunächst mit einer Abscheidung von Silizium, z. B. aus entsprechenden Siliziumverbindungen, wie Siliziumtetrachlorid (SiCl4) oder Silikochloroform (SiHCl3) beginnen. Durch allmähliches Beimischen der entsprechenden Germaniumverbindungen zu dem Gasstrom, der in die Reaktionskammer geleitet wird, sowie eine entsprechende Verminderung der Siliziumverbindung kann man schließlich zum reinen Germanium übergehen. Die Abscheidung von Halbleitermaterial kann zweckmäßigerweise aus den gasförmigen Verbindungen dieser Stoffe, z. B. ihren Halogeniden, durch chemische Reaktion, beispielsweise durch Reduktion mit Wasserstoff, erfolgen. Im allgemeinen wird mit einem hohen Wasserstoffüberschuß gearbeitet; der Wasserstoff dient also in diesem Falle auch als Trägergas.
In den Zeichnungen ist das Verfahren nach der Erfindung an einem Beispiel erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Längsschnitt,
Fig. 2 im Querschnitt.
In einem Rohr 2, welches in zweckmäßiger Weise oben und unten abgedichtet bzw. mit Ein- und Auslässen versehen sein kann, befinden sich drei Stifte 3, welche in einem Dreieck angeordnet sind. In dem durch diese drei parallel zueinander angeordneten Stifte umgrenzten Raum werden Halbleiterscheiben 4 gestapelt. Die Stifte 3 dienen sowohl zur Erleichterung des Stapeins als auch als Halt für den Stapel. Sie
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können beispielsweise mit ihren unteren Enden in einer Graphitplatte befestigt sein. Zweckmäßigerweise bestehen die Stifte 3 ebenfalls aus hochreinem Halbleitermaterial, z. B. Silizium, wodurch eine Verunreinigung der zwischen ihnen gestapelten Halbleiterscheiben sicher vermieden werden kann. Das Rohr 2 kann beispielsweise aus Quarz bestehen.
Die aus dem Rohr und den Stiften 3 bestehende Vorrichtung kann senkrecht bzw. nahezu senkrecht angeordnet sein. Bei einer schrägen Anordnung wurden beispielsweise zwei Stifte 3 ausreichen, um den Halbleiterscheibenstapel in seiner Lage zu halten. Eine Induktionsheizspule umgibt das Rohr 2 und ist in Längsrichtung gegen den Halbleiterstapel verschiebbar. Die Spule 5 ist an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen, welcher z. B. mit einer Frequenz von 3 bis 5 MHz arbeiten kann.
Wird nun durch die Ein- und Auslässe des Rohres 2 ein Reaktionsgasgemisch zu- und abgeführt, so
sein. Die Halbleiterscheiben können selbstverständlich auch jede andere Form besitzen; in gewissen Fällen müssen dann die Haltestifte 3 in anderer Form angeordnet werden.
Bei der Abscheidung von Halbleitermaterial auf den Halbleiterscheiben 4 entstehen Halbleiterscheiben, welche in der Mitte aus dem ursprünglichen Material, z. B, p-leitendem Silizium, bestehen und welche auf der Ober- und Unterseite Schichten von abgeschiedenem Halbleitermaterial, beispielsweise von n-leitendem Silizium, besitzen. Die so entstandene Anordnung stellt also einen npn-Transistor dar. In entsprechender Weise können pnp-Transistoren hergestellt werden. Für die Verwendung als Gleichrichter muß eine n-leitende Schicht wieder entfernt werden, z.B. durch Abläppen, Sandstrahlen oder Abätzen. Die Teile der Halbleiteranordnung, welche nicht geätzt werden sollen, können beispielsweise mit Pizein abgedeckt werden.
Während der Abscheidung des Halbleitermaterials
kann durch entsprechende Erwärmung des Stapels 20 aus der Gasphase liegen die scheibenförmigen HaIbvon Halbleiterscheiben eine Abscheidung von Halb- leiterkörper mit ihren Flachseiten aufeinander. Sie
leitermaterial auf diesen Scheiben bewirkt werden.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird eine Glühzone ähnlich wie die Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen durch den Stapel aus Halbleiterscheiben 4 hindurchgeführt. Die Abscheidung von Halbleitermaterial findet hauptsächlich an der Stelle statt, an der sich diese Glühzone befindet. Man kann diese Glühzone mit derart langsamer Geschwindigkeit durch den Stapel hindurchführen, daß eine genügend dicke Schicht von abgeschiedenem Halbleitermaterial beim ersten Durchgang der Glühzone niedergeschlagen wird, wie sie für die Herstellung der gewünschten Halbleiteranordnungen nötig ist. Man kann auch die Glühzone mehrfach durch den Halbleiterstapel hindurchführen und hierdurch eine mehrfache Abscheidung von Halbleitermaterial erreichen. Welches Verfahren man wählt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von dem Aufbau der gewünschten Halbleiteranordnungen und von den verwendeten Materialien.
Damit eine Stromaufnahme des hochreinen Halbleitermaterials möglich ist, muß eine Vorheizung des Stapels aus Halbleiterscheiben 4 vorgenommen werden. Man kann beispielsweise mit Hilfe von Strahlungsquellen, z. B. Bogenlampen, eine derartige Vorheizung vornehmen. Man kann auch die Stromaufnahme des Halbleitermaterials dadurch erreichen, daß man an einer Stelle des Stapels aus Halbleiterberühren einander theoretisch in drei Punkten, praktisch in drei oder mehr Punkten oder einer Linie und einem Punkt. Die gasförmigen Reaktionspartner dringen in die engen Spalte zwischen den Halbleiterscheiben bei der Reaktionstemperatur leicht ein und führen zu einer Abscheidung auf den Flachseiten wie auf den Mantelflächen der Scheiben. An den Berührungspunkten der Halbleiterscheiben wachsen diese durch abgeschiedenes Halbleitermaterial zusammen und weisen Fehlerstellen auf. Durch Aufteilen der Halbleiterscheiben in kleinere Halbleiteranordnungen lassen sich diese Fehlerstellen leicht aussortieren. Der Verbrauch an Halbleitermaterial durch Aussortieren der Fehlerstellen ist in jedem Falle wesentlich geringer als der Verbrauch an Halbleitermaterial bei bisher bekannten Verfahren, bei denen Halbleiterscheiben fiachliegend auf einem Band aus Halbleitermaterial erhitzt werden, beispielsweise durch direkten Stromdurchgang durch dieses Band aus Halbleitermaterial. Im Falle der Verwendung von anderem Material zur Herstellung dieser Heizbänder kann eine Verunreinigung niemals vollständig ausgeschlossen werden.
Für die Herstellung größerer Halbleiteranordnungen kann es zweckmäßig sein, zwischen den einzelnen Halbleiterscheiben Abstandsstücke vorzusehen, damit die Halbleiterscheiben nur an bestimmten Punkten aufliegen und Fehlerstellen erhalten. Diese Abstands-
scheiben 4, z. B. am oberen bzw. unteren Ende, eine 50 stücke können beispielsweise bei runden Halbleiter-Scheibe aus einem Material einlegt, welches sofort scheiben die Form einer Kreisringscheibe besitzen, den Strom aufnehmen kann. Man kann beispielsweise Zweckmäßigerweise bestehen sie ebenfalls aus dem eine Molybdän- oder Wolframscheibe einlegen, wie gleichen Halbleitermaterial, wodurch eine Verunsie als Trägerplatte für Halbleiteranordnungen ver- reinigung sicher vermieden wird, und wodurch wendet wird. Von dieser Stelle ausgehend, kann dann 55 gleichzeitig die induktive Stromaufnahme gefördert
wird.
die Glühzone leicht durch den gesamten Stapel geführt werden.
Die Heizung kann auch in gewissen Fällen lediglich durch Strahlung bewirkt werden. In diesem Falle sind Mittel zur Bündelung der Strahlen, z. B. Hohlspiegel, notwendig. Man wird auch hierbei nicht den gesamten Halbleiterstapel im ganzen erwärmen, sondern eine erwärmte Zone durch den Stapel hindurchführen, z. B. durch eine Verschiebung der gesamten, aus dem Rohr 2 und den Stiften 3 bestehenden Vorrichtung relativ zur Strahlungsheizeinrichtung.
Die Form der Halbleiterscheiben und damit der Querschnitt des Stapels kann, wie dargestellt, rund Selbstverständlich können nicht nur Gleichrichter und npn- bzw. pnp-Transistoren, sondern auch beliebige andere Halbleiteranordnungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise Fotodioden oder Vierschichtanordnungen. Die Abscheidung von Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps kann nacheinander durch Beimischen entsprechender Dotierungsstoffe zu dem Reaktionsgemisch erfolgen. So kann man beispielsweise Borchlorid (BCL3) und Phosphortrichlorid (PCl3) zur Herstellung von p- bzw. η-Schichten dem Reaktionsgemisch zugeben.
Zur Vermeidung von Strukturstörungen beim Aufwachsen kann es vorteilhaft sein, jeweils zu Beginn eines Abscheidungsprozesses das Molverhältnis der Reaktionsgase oder/und die Reaktionstemperatur kurzzeitig so zu ändern, daß zunächst etwas Halbleitermaterial abgetragen wird, und so eine ungestörte Oberflächenbeschaffenheit sicherzustellen, welche anschließend ein einkristallines Aufwachsen der abgeschiedenen Schichten ermöglicht. Gegebenenfalls kann während des Abscheidungsprozesses die Konzentration der zugesetzten gasförmigen Verbindung eines Dotierungsstoffes verändert und somit eine kontinuierliche Veränderung der Dotierungskonzentration des abgeschiedenen Halbleitermaterials bewirkt werden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, die aus einem einkristallinen Grundkörper mit mehreren Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps oder unterschiedlicher Dotierungskonzentration bestehen, durch einkristallines
Abscheiden von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem erhitzten Trägerkristall aus Halbleitermaterial gleicher Gitterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere scheibenförmige Trägerkristalle derart übereinander gestapelt werden, daß ein stabförmiger Stapel entsteht, und daß dann dieser Stapel in einem strömenden Gemisch einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und eines gasförmigen Reaktionsmittels erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Trägerkristallen bestehende Stapel durch Strahlungsheizung erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Trägerkristallen bestehende Stapel induktiv erhitzt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 443 422;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 046 196;
Zeitschrift »Electronics«, 1960, Juli 8, S. 66 und 68.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DES74266A 1961-06-09 1961-06-09 Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen durch einkristalline Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase Pending DE1137807B (de)

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