DE1191493B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-bauelements mit einer durch eine einen geschlossenen Linienzug bildende Vertiefung in zwei Teile geteilten Zone - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #fS PATENTAMT Int. α.:

HOIl

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1191493

Aktenzeichen: S 76830 VIII c/21 g

Anmeldetag: 25. November 1961

Auslegetag: 22. April 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, der mindestens zwei Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps enthält und dessen eine Zone durch eine einen geschlossenen Linienzug bildende Vertiefung in zwei Teile getrennt wird. Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren dadurch verbessert, daß die Vertiefung zuerst bis zu wenigstens 80% ihres Endvolumens mechanisch eingearbeitet wird und daß anschließend durch Ätzen die gestörte Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers in der Vertiefung entfernt wird.

Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung bekanntgeworden, bei dem ein Halbleiterkörper mit einer aufgeschmolzenen Elektrode, z. B. aus Indium, versehen und dann ein Teil des Elektrodenrandes auf mechanischem Wege weggenommen, eine anschließende Rille im Halbleiterkörper auf mechanischem Wege angebracht und schließlich weitere Teile des Elektrodenrandes und der Wand der Rille im Halbleiterkörper durch Ätzen entfernt werden. Durch diese Maßnahme werden Fehler des Kristallgitters am Rand der Elektrode entfernt und damit die elektrischen Eigenschaften des Bauelements verbessert, insbesondere die Durch-Schlagsspannung erhöht. Eine genaue Bemessung der Tiefe der Rille ist hierbei nicht notwendig.

Es sind auch bereits Halbleiterbauelemente bekanntgeworden, welche eine eingearbeitete Vertiefung aufweisen, die beispielsweise zur Trennung 3" von zwei Zonen dient. Beispielsweise werden Halbleiterkörper durch Erhitzen in einer Atmosphäre, welche einen Dotierungsstoff enthält, mit einer Oberflächenschicht versehen, welche nach der Behandlung ebenfalls diesen Dotierungsstoff enthält. Der Kern des Halbleiterkörpers bleibt unverändert. Durch entsprechende Auswahl des Dotierungsstoffs läßt sich erreichen, daß zwischen dem unverändert gebliebenen Kern und der dotierten Oberflächenschicht ein pn-übergang entsteht. Man kann z. B. einen Halbleiterkörper aus η-leitendem Germanium oder Silizium in einer Bor oder Aluminium enthaltenden Atmosphäre mit einer p-leitenden Oberflächenschicht oder einen p-leitenden Halbleiterkörper durch Eindiffusion von Phosphor mit einer n-leitenden Oberflächenschicht versehen.

Durch Einarbeitung eines Grabens kann diese Oberflächenschicht in verschiedene Zonen aufgetrennt werden, wodurch z. B. ein pnp- bzw. npn-Halbleiterkörper eines Transistors entsteht. Die Einarbeitung dieses Grabens erfolgte bisher durch Ätzen. Die Oberfläche des Halbleiterkörpers wird Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einer durch eine einen
geschlossenen Linienzug bildende Vertiefung
in zwei Teile geteilten Zone

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Kurt Raithel, Uttenreuth;

Rene Rosenheinrich, Ebermannstadt

mit einem gegen den Ätzangriff unempfindlichen Werkstoff bedeckt, anschließend wird in diesem Werkstoff an der Stelle, an welcher der Graben geätzt werden soll, eine Unterbrechung geschaffen und danach der gesamte Halbleiterkörper in eine Ätzlösung gelegt. Der Ätzangriff findet lediglich an der Unterbrechung statt, während die restliche Oberfläche durch den unempfindlichen Werkstoff geschützt bleibt.

So ist es beispielsweise bekannt, bei Halbleiterkörpern aus Silizium die Oberfläche mit Pizein zu bedecken, welches gegen die üblichen Ätzlösungen (z. B. CP) widerstandsfähig ist.

Dieses Verfahren weist gewisse Nachteile auf, die durch die Erfindung überwunden werden. So ist z. B. der Ätzangriff ungleichmäßig, da bereits die Entfernung des Pizeins ungleichmäßig erfolgt. Die Markierung der Stelle, an welcher der Graben entstehen soll, zeigt eine unterschiedliche Breite. Dies führt dazu, daß eine unterschiedliche Menge Ätzflüssigkeit den einzelnen Stellen des markierten Gebietes zugeführt wird. Hinzu kommt, daß während des Ätzvorgangs Gasblasen entstehen, welche den Ätzangriff örtlich behindern und damit ebenfalls zu einem ungleichmäßigen Ätzangriff führen. Schließlich greifen die bekannten Ätzlösungen das Halbleitermaterial bevorzugt an Gitterstörungen an, wodurch ebenfalls Abweichungen von der vorgeschriebenen Ätztiefe entstehen. Alle diese Ungleichmäßigkeiten führen

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dazu, daß man mit verhältnismäßig hohen Zuschlä- und führt zu einer Verlangsamung des Ätzangriffs.

gen zu den Ätzzeiten und -tiefen arbeiten muß, da Für diesen Zweck weiter geeignet sind Kali- bzw.

ja ein bestimmter Mindestwert der eingearbeiteten Natronlauge von Zimmertemperatur.

Vertiefung unbedingt erreicht werden muß, wenn An Hand der Zeichnung sollen weitere Einzel-

der Zweck, nämlich die Auftrennung der Ober- 5 heiten und Vorteile der Erfindung beschrieben

flächenschicht in verschiedene Zonen, erreicht wer- werden.

den soll. Hieraus ergibt sich der Nachteil, daß an F i g. 1 zeigt einen Querschnitt eines nach dem be-

den bevorzugten Stellen des Ätzangriffs dieser ver- kannten Verfahren hergestellten Elementes;

hältnismäßig weit in das Halbleitermaterial eindringt F i g. 2 zeigt den Querschnitt eines Elementes, das

und damit zu einer ungewünschten mechanischen io nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt

Schwächung des Halbleiterkörpers führt. wurde;

Wenn nun gemäß der Erfindung die Vertiefung in F i g. 3 zeigt eine Abwandlung, während die
zwei Stufen in den Halbleiterkörper eingearbeitet F i g. 4 ein vollständiges Bauelement darstellt,
wird, und zwar zunächst mechanisch und an- Sämtliche Figuren sind in vergrößertem Maßstab schließend durch Ätzung, so läßt sich hierdurch er- 15 und der Deutlichkeit halber verzerrt, nämlich in den reichen, daß der größere Teil der Bearbeitung, näm- Dickenverhältnissen stärker vergrößert, dargestellt. lieh der mechanische Teil, vollkommen gleichmäßig Das Bauelement gemäß der F i g. 1 kann in fol- erfolgt, während nur bei der restlichen Nacharbeit gender Weise hergestellt werden:
durch Ätzen die eben geschilderten Nachteile ein- In eine Halbleiterscheibe des einen Leitfähigkeitstreten können. 20 typs wird ein den entgegengesetzten Leitfähigkeitsinsbesondere die geringe Dicke derartiger Halb- typ bewirkender Stoff durch einen Erwärmungsvor- leiterkörper führt zu den beschriebenen Schwierig- gang eindiffundiert. Nach einer gewissen Zeit ist die keiten. Es handelt sich meistens um Scheiben vop benötigte Eindringtiefe erreicht, und der Diffusions einigen Millimetern bis zu etwa 30 mm Durchmesser Vorgang wird abgebrochen, worauf die durch Ein- und mit einer Dicke von etwa 0,15 bis 0,4 mm. Die 25 diffusion von Fremdatomen umdotierte Oberflächen- Vertiefung muß etwa bis in die Mitte des Materials schicht durch Einätzung eines kreisringförmigen reichen, wobei die eine Seite der umdotierten Ober- Grabens in zwei Zonen aufgeteilt wird. Im Ergebnis flächenschicht restlos durchschnitten werden muß, ruhen auf dem unverändert gebliebenen Kern 2 der damit keine Überbrückungen zurückbleiben, und Halbleiterscheibe zwei durch einen Graben 3 ge- wobei andererseits die Vertiefung nicht bis in die 30 trennte Zonen 4 und 5. Wie man aus der Zeichnung gegenüberliegende Seite der Oberflächenschicht hin- klar erkennen kann, hat der Ätzgraben 3 eine unereinreichen darf. wünschte mechanische Schwächung des Halbleiter- Im letzten FaUe tritt ein Nachteil auf, der sich bauelements zur Folge, da der Graben fast bis zur auch dann einstellt, wenn die Halbleiterscheibe voll- Hälfte der Scheibendicke in die Scheibe hineinständig durchschnitten wird. Die verhältnismäßig 35 reichen muß.

dünne Mittelzone reicht dann nämlich bei der Ver- Die F i g. 2 zeigt eine Halbleiterscheibe, beispiels- wendung der so hergestellten Halbleiteranordnung weise aus hochohmigem (o = 100 Ohm · cm) n-lei- häufig nicht mehr aus, die im BetriebsfaU auf ver- tendem Silizium, in deren Oberfläche ein den ent schiedenem Potential liegenden beiden Oberflächen- gegengesetzten Leitfähigkeitstyp bewirkender Stoff, zonen voneinander zu isolieren. Es kommt an der 40 beispielsweise Aluminium, eindiffundiert wurde. Dies Oberfläche des Halbleiterkörpers zu Überschlagen kann beispielsweise so durchgeführt werden, daß die über die Mittelzone. Insbesondere dann, wenn Halbleiterscheibe, zweckmäßigerweise mit einer Spitzenwerte der Sperrspannungen bis zu 1000 V Reihe weiterer Halbleiterscheiben zusammen, und auftreten, ist der Kriechweg von der einen Ober- eine Aluminiumprobe in ein evakuiertes Quarzgefäß flächenzone zur anderen bei einer Dicke der Mittel- 45 eingeschmolzen werden und in diesem Gefäß auf- zone von beispielsweise 0,12 mm zu kurz und erfor- geheizt und längere Zeit, beispielsweise 30 Stunden dert zusätzliche Maßnahmen. Dagegen reicht eine lang, auf einer Temperatur von 1220 bis 1240° C Breite der Vertiefung von z. B. 0,5 bis 1 mm zwi- gehalten werden. Die Oberflächenschicht der HaIb- schen den Oberflächenzonen meistens aus, insbeson- leiterscheibe ist nach dieser Behandlung stark mit dere dann, wenn sie gemäß der Erfindung zum größe- 50 Aluminium dotiert, während der Kern 11 unverän- ren Teil mechanisch eingearbeitet wird und hier- dert η-leitend geblieben ist.

durch auch eine voUkommen gleichmäßige Breite Anschließend wird in die Halbleiterscheibe ein aufweist. kreisringförmiger Graben 13 eingefräst, durch den Zweckmäßig geht man so vor, daß die Vertiefung die aluminiumdotierte Oberflächenschicht in die bei- wenigstens zu 80% ihres Endvolumens, d.h. prak- 55 den Zonen 14 und 15 aufgeteilt wird. Zum Ein- tisch in ihrer ganzen Tiefe, mechanisch in den Halb- arbeiten des Grabens 13 kann ein an seiner Stirn leiterkörper eingearbeitet wird, und daß lediglich die fläche mit Diamanten besetzter Hohlzylinder dienen, durch die mechanische Bearbeitung gestörte Ober- es kann aber auch ein unbewehrter metallener Hohl flächenschicht danach noch durch Ätzen beseitigt zylinder, z. B. aus Messing, verwendet werden, aber wird. Hierbei wird vorteilhaft eine Ätzlösung ver- 60 in diesem Fall muß mit Hilfe von auf die Halbleiter wendet, die lediglich die gestörten Oberflächenschich- oberfläche aufgebrachten Schmirgelpulver für den ten angreift und deren Ätzangriff beim Erreichen nötigen Fräsangriff gesorgt werden.
von ungestörtem Halbleitermaterial praktisch zum Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ver Stillstand kommt. Zu diesem Zweck hat sich eine fahrens ist darin zu sehen, daß man in der Form der langsam wirkende Ätzlösung bewährt, welche aus 65 Vertiefung in keiner Weise beschränkt ist, da sich 1 Teil Flußsäure (40%ig), 1 Teil rauchender SaI- mit Hilfe des mechanischen Angriffs praktisch jede petersäure sowie mindestens 1 Teil Eisessig zusam- Form in das Halbleitermaterial einarbeiten läßt. Die mengesetzt ist. Die Essigsäure wirkt als Moderator Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine andere Art der Ver-

tief ung 13 α. In diesem Falle wurde der gesamte Rand der Halbleiterscheibe abgearbeitet. Hierdurch ergibt sich ein besonders langer Kriechweg an der Halbleiteroberfläche zwischen den Zonen 14 und 15.

Die F i g. 4 zeigt eine Vierschichtanordnung, wie sie z. B. aus dem Bauelement gemäß der F i g. 2 hergestellt werden kann. Die Zone 15 ist großflächig durch eine metallische Elektrode 16 kontaktiert, die 2. B. durch Auflegieren einer Gold-Bor-Folie (0,03 % B) erzeugt werden kann. Die Zone 14 ist durch eine kreisringförmige Elektrode 17 kontaktiert, die in der gleichen Weise hergestellt werden kann. Durch Einlegieren einer kleineren Kreisscheibe aus einer Gold-Antimon-Folie (0,5% Sb) wird ein Teil der p-leitenden Zone 14 zur η-Leitung umdotiert und bildet die Zone 18, die durch die Elektrode 19 kontaktiert ist.

Zweckmäßigerweise werden alle Legierungen in einem einzigen Erwärmungsvorgang durchgeführt. Die Folien können z. B. eine Stärke von 30 μ auf- ao weisen, und die Legierung kann bei etwa 700° C durchgeführt werden, jedenfalls oberhalb der eutektischen Temperatur von Gold und Silizium (etwa 370° C).

Es muß noch ein weiterer wichtiger Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgehoben werden, der darin besteht, daß die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte vertauscht werden kann, die zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, wie z. B. der gemäß der F i g. 4, benötigt werden. So kann z. B. die Einarbeitung der Vertiefung 13 ganz zum Schluß nach sämtlichen Diffusions- und Legierungsvorgängen durchgeführt werden, da eine Verschmutzung des Halbleiterbauelements durch Pizein od. dgl. nicht mehr auftreten kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, der mindestens zwei Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps enthält und dessen eine Zone durch eine einen geschlossenen Linienzug bildende Vertiefung in zwei Teile getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung zuerst bis zu wenigstens 80% ihres Endvolumens mechanisch eingearbeitet wird und daß anschließend durch Ätzen die gestörte Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers in der Vertiefung entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gestörte Oberflächenschicht mit Hilfe einer langsam wirkenden Ätzlösung entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die langsam wirkende Ätzlösung eine Mischung aus 1 Teil Flußsäure, 1 Teil rauchender Salpetersäure und mindestens 1 Teil Eisessig verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die langsam wirkende Ätzlösung Kalilauge verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1029 485;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 018 455, ^
1092131.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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