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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes,
bei dem auf einem Halbleiterkörper eine Siliziumschicht aufgewachsen wird und diese
an der Oberfläche mit einer Siliziumoxydschicht versehen wird.
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Die Erzeugung einer Siliziumschicht auf einem Halbleiterkörper durch
Niederschlagen von Silizium aus der Gasphase ist ein in der Halbleitertechnik übliches
Verfahren, mit dem aneinander angrenzende Halbleiterbereiche mit z. B. verschiedenen
spezifischen Widerständen und/oder verschiedenen Leitfähigkeitstypen hergestellt
werden können. Der Halbleiterkörper kann dabei aus einem anderen Halbleitermaterial
als Silizium bestehen.
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Die Siliziumschicht kann z. B. durch Aufdampfen von Silizium oder
durch thermische Zersetzung oder Reduktion einer gasförmigen Siliziumverbindung
in der Umgebung des Halbleiterkörpers auf diesen aufgebracht werden, wobei sich
Silizium bildet, das sich auf dem Halbleiterkörper niederschlägt.
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Die Siliziumschicht wird nach ihrer Aufbringung oft mit einer schützenden
Siliziumoxydschicht versehen. Diese Schutzschicht wird in vielen Fällen als Maskierungsschicht
verwendet. Zu diesem Zweck wird die Schutzschicht nach ihrer Aufbringung örtlich
wieder entfernt, wonach, z. B. durch Diffusion von Dotierungsmaterial, in der Siliziumschicht
unter anderem der spezifische Widerstand und/oder der Leitfähigkeitstyp örtlich
geändert werden kann.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Eigenschaften des herzustellenden
Halbleiterbauelementes vom Zustand der Oberfläche der Siliziumschicht abhängen,
auf der die Siliziumoxydschicht aufgebracht wird. Fremdatome und/oder -ionen auf
der Oberfläche der Siliziumschicht müssen möglichst gut entfernt werden, bevor die
Siliziumoxydschicht aufgebracht wird. Zu diesem Zweck wird bei bekannten Verfahren
die Oberfläche der Siliziumschicht nach ihrer Aufbringung gründlich, z. B. durch
Ätzen, gereinigt, bevor die Siliziumoxydschicht aufgebracht wird. Ein solches Reinigungsverfahren
ist beschrieben in dem Aufsatz >» Stabilization of Silicon Surfaces by Thermally
Grown Oxides« in »The Bell System Technical Journal«, Mai 1959, S. 749 bis 783.
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Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß trotz einer
solchen Reinigung dennoch eine geringe Konzentration an Fremdatomen und/oder -ionen
auf der Oberfläche der Siliziumschicht vorhanden ist, wenn die Siliziumoxydschicht
aufgebracht wird, und daß trotz ausgedehnter Vorkehrungen bei der Massenherstellung
die Konzentration und/oder die Art dieser Atome und/oder Ionen für jede Siliziumschicht
sich voneinander unterscheiden, weswegen sich HalbleiterbauelementemitgutreproduzierbarenEigenschaften
auf diese Weise sehr schwer herstellen lassen. ; Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zum
Herstellen eines Halbleiterbauelementes, bei dem auf einem Halbleiterkörper eine
Siliziumschicht aufgewachsen wird und diese an der Oberfläche mit einer Siliziumoxydschicht
versehen wird, zu schaffen, das möglichst einfach durchführbar und gut reproduzierbar
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Siliziumschicht
und die Siliziumoxyd- c Schicht ohne ätzende oder reinigende Zwischenbehandlung
nacheinander in derselben Vorrichtung erzeugt werden. Die mit der Erfindung erzielten
Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich durch den Wegfall der Reinigung zwischen
der Aufbringung der verschiedenen Schichten eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis
ergibt und gleichzeitig die Siliziumoxydschicht auf die jungfräuliche Siliziumschicht
aufgebracht wird. Mit einem solchen Verfahren werden bei der Massenherstellung Halbleiterbauelemente
mit gut reproduzierbaren Eigenschaften erhalten.
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Bemerkt wird noch, daß aus der USA.-Patentschrift 2 748 325 ein Verfahren
bekannt ist, bei dem ein bereits mit den pn Übergängen des herzustellenden Bauelementes
versehener Halbleiterkörper mit einer Isolierschicht versehen wird, um Verunreinigungen
auf der Oberfläche des Körpers in die Isolierschicht aufzunehmen und so z. B. Kurzschlüsse
aufzuheben. Mit diesem, stark von dem Verfahren nach der Erfindung abweichenden
Verfahren erzeugte Bauelemente haben jedoch keine über einen längeren Zeitraum konstante
Eigenschaften.
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Die Siliziumschicht und/oder die Siliziumoxydschicht können z. B.
durch Aufdampfen aufgebracht werden. Zu diesem Zweck wird der Halbleiterkörper z.
B. in einer Aufdampfvorrichtung angeordnet, in der sich weiterhin eine Menge festen
Siliziums und eine Menge festen Siliziumoxydes befinden, die nacheinander durch
Erwärmung verdampft werden.
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Vorzugsweise jedoch wird der Halbleiterkörper nacheinander von zwei
verschiedenen Gasströmen umspült; wobei sich aus dem ersten Gasstrom, der eine gasförmige
Siliziumverbindung enthält, auf dem erwärmten Halbleiterkörper Silizium niederschlägt
und wobei mit Hilfe des zweiten Gasstromes Siliziumoxyd gebildet wird. Im Gegensatz
zu dem mit einer Aufdampfvorrichtung durchgeführten Verfahren werden bei einem so
durchgeführten Aufdampfen keine Vakuumpumpen benötigt, so- daß der Vorgang schneller
und einfacher verläuft.
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Nach der Erzeugung der Siliziumschicht kann die Siliziumoxydschicht
in einfacher Weise durch Oxydation der Oberfläche der Siliziumschicht erhalten werden,
wobei der zweite Gasstrom z. B. feuchten Sauerstoff enthält. Ein solches Verfahren
hat aber den Nachteil, daß infolge der Bildung der Siliziumoxydschicht die Stärke
der Siliziumschicht geändert wird.
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Eine diesen Nachteil nicht aufweisende einfache und zweckmäßige Ausbildung
des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der
Siliziumoxydschicht, außer einer Silizium-Halogen-Verbindung, C02 und H2 in die
Vorrichtung eingebracht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine Anordnung zum Durchführen
des Verfahrens nach der Erfindung, F i g. 2 schematisch im Querschnitt einen Halbleiterkörper,
der mit einer niedergeschlagenen Siliziumschicht versehen ist, auf der sich eine
Siliziumoxydschicht befindet, und F i g. 3 schematisch im Querschnitt eine Anzahl
mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung hergestellter Diodenstrukturen veranschaulicht.
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In F i g. 1 bezeichnet 1 ein am oberen Ende verschlossenes Quarzrohr
1 mit einem Einlaß 2. Das Rohr ist am unteren Ende mittels z. B. eines abnehmbaren
Bodenstückes 4 verschlossen, das mit einem
Halter 7, auf der sich
eine Tragevorrichtung 8 befindet, und mit einem Auslaß 3 versehen ist. Das Bodenstück
4 und der Halter 7 können gleichfalls aus Quarz bestehen; die Tragevorrichtung 8
ist z. B. aus Silizium oder Kohlenstoff hergestellt. Auf der Tragevorrichtung 8
wird eine Halbleiterplatte 9, z. B. aus Silizium, angeordnet.
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Auf die Siliziumplatte 9 soll eine Halbleiterschicht 13 aufgebracht
werden, welche andere Eigenschaften, z. B. einen anderen Leitfähigkeitstyp, als
die Platte 9 aufweist, wonach diese Schicht mit einer Siliziumoxydschicht 14 überzogen
werden soll. Diese Schichten werden unmittelbar nacheinander in derselben Apparatur,
bei dieser Ausführungsform im Quarzrohr 1, auf die Platte 9 aufgebracht, wobei die
Platte 9 zwischen den Aufbringungsvorgängen der Schichten nicht der Umgebungsatmosphäre
ausgesetzt wird. Dadurch wird die Siliziumoxydschicht 14 unmittelbar auf die reine,
soeben gebildete Oberfläche der Halbleiterschicht 13 aufgebracht, so daß sich nicht
nur ein einfaches, wenig Zeit beanspruchendes und billiges Verfahren ergibt, sondern
auch sehr reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden.
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Die Tragevorrichtung 8 kann mit Hilfe der Hochfrequenzinduktionsspule
12 erwärmt werden, wodurch auch die Siliziumplatte 9 erwärmt wird. Die Siliziumplatte
9 wird nun nacheinander von zwei verschiedenen Gasströmen, die durch den Einlaß
2 in das Quarzrohr 1 eingeführt und durch den Auslaß 3 wieder aus dem Rohr 1 abgeführt
werden, umspült. Der erste Gasstrom enthält z. B. eine Siliziumverbindung, aus der
sich an der erwärmten Platte 9 Silizium bildet, das sich als Siliziumschicht 13
auf die Siliziumplatte niederschlägt; mit Hilfe des zweiten Gasstromes wird dann
Siliziumoxyd gebildet, das sich auf der bereits gebildeten Halbleiterschicht 13
als Schicht 14 niederschlägt.
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Der zweite Gasstrom kann z. B. eine thermisch zersetzbare Verbindung
enthalten, aus der bei thermischer Zersetzung in der Umgebung der erwärmten Platte
9 Siliziumoxyd sich bildet, das sich auf diese Platte niederschlägt. Geeignete Verbindungen
sind z. B. Methyl- und Äthylsilikat und die Alkoxysilane u. dgl. Indem nach der
Aufbringung der Siliziumschicht und vor der Aufbringung der Siliziumoxydschickt
ein inertes Spülgas, wie z .B. Wasserstoff, durch das Rohr 1 geführt wird, wird
die Qualität der Siliziumoxydschicht verbessert.
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Besteht, wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel, die niedergeschlagene
Halbleiterschicht aus Silizium, ist ein einfacheres Verfahren vorzuziehen.
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Da der erste Gasstrom eine Siliziumverbindung enthält, kann der zweite
Gasstrom in einfacher Weise dadurch erhalten werden, daß dem ersten Gasstrom Sauerstoff
zugesetzt wird, wodurch sich Siliziumoxyd bildet, das sich auf die Siliziumschicht
13 niederschlägt. Um eine geeignete Anwachsgeschwindigkeit der Siliziumoxydschicht
zu erzielen, kann dabei ebenfalls der Gehalt an der Siliziumverbindung im Gasstrom
geändert werden.
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Die Siliziumverbindung im ersten Gasstrom ist z. B. eine Silizium-Halogen-Verbindung,
wie SiCl4 oder SiHC13, das mit Wasserstoff als Trägergas gemischt ist. Durch thermische
Reduktion wird aus diesem Gasstrom Silizium niedergeschlagen. Durch Zusatz von Sauerstoff
zum ersten Gasstrom wird der zweite Gasstrom erhalten; der Sauerstoff bildet mit
dem vorhandenen Wasserstoff Wasserdampf und dieser seinerseits mit der Silizium-Halogen-Verbindung
Siliziumoxyd.
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Der Sauerstoff wird z. B. in Kohlendioxyd gebunden dem ersten Gasstrom
zugesetzt. Kohlendioxyd reagiert bei höherer Temperatur mit Wasserstoff, so daß
sich nur in der Umgebung der erwärmten Siliziumplatte 9 Siliziumoxyd bildet. Das
Kohlendioxyd kann daher in großem Abstand von der Platte 9 dem noch kalten Gasstrom
zugesetzt werden.
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Das Verfahren wird z. B. wie folgt durchgeführt. Die Siliziumplatte
9 mit einer Stärke von z. B. 300 1, und einem Durchmesser von etwa 25 mm, einem
spezifischen Widerstand von etwa 0,0019 - cm und vom n-Leitfähigkeitstyp
wird auf den Träger 8 gelegt und Wasserstoff vom Gaszylinder 20 her über den Gasmesser
21, die Gasreinigungsanlage 22 und den Auslaß 2 der Röhre 1 zugeführt und dann während
etwa 10 Minuten durch den Auslaß 3 wieder abgeführt, so daß das Rohr saubergespült
werden kann. Es wird z. B. 11 Wasserstoff je Minute bei einem absoluten Druck von
etwa 1 at hindurchgeführt. Dabei sind die Hähne 23, 24 und 25 geschlossen.
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Dann wird die Platte 9 während etwa 10 Minuten mit Hilfe der Hochfrequenzinduktionsspule
12 auf etwa 1300° C erhitzt. Dadurch werden auf der Oberfläche der Platte 9 vorhandene
Oxyde durch Reduktion entfernt.
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Dann wird die Temperatur der Platte 9 auf etwa 1250 bis 1260° C herabgesetzt,
die Hähne 24 und 25 werden geöffnet, und der Gasmesser 27 wird auf einen Gasstrom
von 30 cm3 Gas je Minute eingestellt, während der Gasmesser 21 noch immer 11 Wasserstoff
je Minute durchläßt. Es strömen somit 30 cm3 Wasserstoff je Minute durch den Verdampfer
28, in dem Siliziumchlorid verdampft wird. Der Verdampfer 28 wird z. B. auf
20° C gehalten. Der durch den Einlaß 2 in das Rohr hineinströmende Wasserstoff von
etwa 1 at absolutem Druck enthält dann etwa 1 Volumprozent Siliziumchlorid und bildet
den ersten Gasstrom.
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Die Anwachsgeschwindigkeit der Siliziumschicht 13 auf der Siliziumplatte
9 ist unter den erwähnten Bedingungen etwa 1 g/min.
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Wenn die für die Siliziumschicht 13 gewünschte Stärke, z. B. 14 g,
erreicht ist, wird Sauerstoff, in Kohlendioxyd gebunden, dem Gasstrom zugesetzt,
wodurch der zweite Gasstrom erhalten wird, aus dem sich Siliziumoxyd auf der Halbleiterschicht
niederschlägt. Das Kohlendioxyd wird vom Gaszylinder 29 her über den Gasmesser 30
zugeführt, indem der Hahn 23 geöffnet wird. Der Gasmesser 30 ist z. B. auf einen
Gasstrom von 20 em3 Kohlendioxyd je Minute eingestellt. Dabei wird der Gasmesser
27 auf einen Gasstrom von 20 cm3/Min. eingestellt, so daß der Wasserstoff, dem das
Kohlendioxyd zugesetzt wird, eine geringere Menge (etwa 1/2 Volumprozent) an Siliziumchlorid
enthält und eine günstige Anwachsgeschwindigkeit für die Siliziumoxydschicht erzielt
wird. Der zweite Gasstrom hat gleichfalls etwa den atmosphärischen Druck.
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Die Menge an zugesetztem Kohlendioxyd beträgt vorzugsweise mindestens
das Zweifache der Menge an Siliziumchlorid und weniger als die Menge an Wasserstoff.
Bei großen CO.-Mengen wird die Qualität der Siliziumoxydschicht schlechter, da Wasser
in störendem Übermaß sich bildet.
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Die Anwachsgeschwindigkeit der Siliziumoxydschicht beträgt etwa 0,2
g;/Min.
Wenn die gewünschte Stärke für die Oxydschicht 14, z. B.
eine Stärke von 1 #t erzielt ist, wird nach Abkühlung die Siliziumplatte 9 aus dem
Rohr 1 entfernt.
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Die fertige Halbleiterplatte 40 ist in F i g. 2 in vergrößertem Maßstab
schematisch im Querschnitt dargestellt und besteht aus der ursprünglichen Siliziumplatte
9 vom n-Leitfähigkeitstyp mit einer Stärke von 300 #t, einem Durchmesser von 25
mm und einem spezifischen Widerstand von 0,019 - cm, aus der niedergeschlagenen
Siliziumschicht 13, z. B. gleichfalls vom n-Leitfähigkeitstyp, jedoch mit einem
spezifischen Widerstand von 1 S2 - cm und einer Stärke von etwa 14 R,, und aus der
Siliziumoxydschicht 14 mit einer Stärke von etwa 1l..
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Der Leitfähigkeitstyp und der spezifische Widerstand der aus der Gasphase
niedergeschlagenen Siliziumschicht 13 können in einer in der Halbleitertechnik üblichen
Weise dadurch eingestellt werden, daß im Verdampfer 28 gleichzeitig Verbindungen
von Dotierungsmaterialien verdampft werden; die Halbleiterschicht 13 kann dann gewünschtenfalls
auch einen anderen Leitfähigkeitstyp als die Platte 9 aufweisen.
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Aus der so hergestellten Halbleiterplatte 40 können z. B. Diodenkörper
hergestellt werden. Zu diesem Zweck werden z. B. in der Siliziumoxydschicht 14 auf
eine in der Halbleitertechnik übliche Weise, z. B. mit Hilfe eines photohärtenden
Lackes und eines Ätzmittels, Löcher 41 angebracht (s. F i g. 3). Dann wird durch
die Löcher 41 Dotierungsmaterial vom p-Typ, z. B. Bor, in die Schicht 13 vom n-Typ
eindiffundiert, wodurch die Bereiche 42 vom n-Typ und die pn-übergänge 43
entstehen. Durch Teilung längs der gestrichelten Linien 44, z. B. durch Ritzen mit
einem Diamanten und Brechen, werden Diodenkörper mit einem pn-übergang 43 erhalten,
welche an den Stellen, an denen dieser pn-übergang an die Oberfläche der Schicht
13 tritt, gegen die umgebende Atmosphäre durch den noch vorhandenen Teil der Siliziumoxydschicht
14 abgeschlossen ist, was die elektrischen Eigenschaften der Diodenstruktur günstig
beeinfiußt. Die erhaltenen Diodenkörper können auf eine in der Halbleitertechnik
übliche Weise mit Anschlußleitern versehen werden.
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Mit Hilfe ähnlicher Techniken, wie sie für die Diodenkörper beschrieben
wurden, können auch z. B. Transistorkörper hergestellt werden.
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Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt ist und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann
viele Abänderungen möglich sind. So kann z. B. der Sauerstoff statt in Kohlendioxyd
gebunden auch in reiner Form zugesetzt werden (vorzugsweise weniger als 4 Volumprozent).
Auch kann der Sauerstoff in Form von Wasserdampf z. B. durch Einspritzen von Wasserdampf
in die unmittelbare Umgebung der Platte 9 zugesetzt werden. Weiterhin kann der Sauerstoff
in Form von S02, Methanoldampf, ja im Prinzip in jeder mit Wasserstoff bei höherer
oder niedrigerer Temperatur Wasserdampf liefernden Form zugesetzt werden. Die Siliziumverbindung
kann z. B. auch aus einem Silan bestehen; hierbei kann der Wasserstoff völlig durch
ein Edelgas ersetzt werden. Weiter kann auf die Siliziumplatte 9 eine aus einem
anderen Halbleitermaterial als Silizium bestehende Halbleiterschicht aus der Gasphase
niedergeschlagen werden; auch können die Platte 9 und die Schicht aus verschiedenen
Halbleitermaterialien bestehen. Zum Beispiel kann durch Reduktion gasförmigen Germaniumchlorids
mit Wasserstoff eine Germaniumschicht auf eine Siliziumplatte niedergeschlagen werden.
Bevor in diesem Falle die Siliziumoxydschicht, z. B. durch thermische Zersetzung
eines Alkoxysilans, aufgebracht wird, wird vorzugsweise erst mit Wasserstoff oder
einem Edelgas oder einem anderen gegenüber den verwendeten Halbleitermaterialien
inerten Gas gespült. Bei einem Verfahren nach der Erfindung braucht der Halbleiterkörper
nicht auf einem stillstehenden Träger angeordnet zu werden, sondern kann auch z.
B. auf ein zu erwärmendes endloses Band gesetzt und mittels dieses Bandes durch
verschiedene Bereiche eines Reaktionsraumes geführt werden, in denen Gasströme verschiedener
Zusammensetzungen aufrechterhalten werden. Diese Bereiche des Reaktionsraumes können
dabei gegebenenfalls mittels Schleusentürsysteme voneinander getrennt werden.