CH416577A - Verfahren zum Herstellen eines stabförmigen, Halbleitereigenschaften aufweisenden chemischen Elementes - Google Patents

Description

  Verfahren     zum    Herstellen     eines        stabförmigen,        Halbleitereigenschaften          aufweisenden    chemischen Elementes    Die     Erfindung    .bezieht sich auf ein Verfahren zum  Herstellen eines     ,stabförmigen,    Halbleitereigenschaf  ten aufweisenden chemischen Elementes mit minde  stens einem für die Verarbeitung zu Halbleiteranord  nungen benötigten     Reinhests:grad.     



  Im     Hauptpatent    Nr. 358 411 wird ein Verfahren  zum     Herstellen    eines chemischen Elementes für       Halbleiteranordnungen    vorgeschlagen, bei Odem durch  thermische     Zersetzung    einer     Verbindung    des     herzu-          stellenden    Elements in Gasform das     freie    Element  ,auf ,einen durch     Stromfluss    erhitzten Träger abge  schieden     wind.     



  Zu Beginn des     Abscheideverfahrens    wird bei  spielsweise     ein;    aus     hochreinem    Silizium bestehender,       langges.treckter        ,draht-    oder fadenförmiger Trägerkör  per verwendet, der zunächst vorgewärmt und     an-          schliessend        zur        Durchführung    des     Abscheidevor-          gangs    .durch direkt in     :ihm    Messenden Strom weiter  erhitzt .und auf     Reaktionstemperatur    gehalten wird.  



  Die     Erfindung        :betrifft    eine weitere Ausgestaltung  dieses Verfahrens, um die Reinheit     ides,    Halbleiterma  terials,     Idas    durch dieses Verfahren gewonnen     wird,     zu .erhöhen.

   Es wird     erfindungsgemüss    vorgeschlagen,  dass     @die    thermische     Zersetzung    und das     Abschziden     des zu gewinnenden Stoffes     m    einer im wesentlichen  nur den Träger selbst enthaltenden Kammer des  Reaktionsgefässes durchgeführt wird, -die durch eine  aus Quarz     bestehende        Wand        vom    :einer Vorkammer  getrennt ist, die alle übrigen Teile     .des        Reaktionsge-          fässes.    .enthält.

   Unter Aden übrigen Teilen des Reak  tionsgefässes sind dabei vor allem die     Halterungen     und     die        Stromzuführungen    des Trägers sowie die  metallische Grundplatte des     Reaktio:nsgefässies    zu  verstehen. Die Haube des Reaktionsgefässes und die  Trennwand, also alle den eigentlichen Reaktionsraum  begrenzenden Flächen, können dabei aus reinem    Quarz bestehen.

   Die Teile :der Apparatur, die .aus  Materialien bestehen, aus     denen    bei den beim     Ver-          fahren    angewandten Temperaturen Stoffe, insbeson  dere Phosphor,     herausdampfen,    ;die zu     einer    Verun  reinigung :des     Halbleitermaterials    führen, können also  durch die aus     Quarz    bestehende Wand vom eigentli  chen     Reaktionsrauen    getrennt angeordnet sein.

   Auch  kann     Idas    beim Verfahren     anfallende    Abgas zunächst  durch     verhältnismässig    kleine Öffnungen in ;die mög  lichst alle     Teile    ausserdem Träger selbst :enthaltende  Vorkammer strömen, aus :der     es.    :dann     ;durch    ,ein     Ab-          flussrohr,    das vorzugsweise durch     .die        metallische     Grundplatte des Reaktionsgefässes     hindurchgeführt     ist,     abfliesst.    Die Trennwand     .enthält    möglichst enge  Bohrungen, :

  durch die die     Halbleiterstäbe    hindurch  geführt sind. Durch die so     :entstehende    Spalte kann  das Abgas vom Reaktionsraum     in    die Vorkammer  bzw.     Abgaskammer    zurückströmen und     weitgehend     die Diffusion von Verunreinigungen aus den Metall  teilen der     Vorkammer    in den     eigentlichen    Reaktions  raum verhindern.

   Das.     Zuführungsrohr    für das     Reak-          tionsgas        kann    durch die     Grundplatte    des     Reaktions-          gefässes    hindurchgeführt sein und vorzugsweise  durch :die Mitte der     Trennwand        hindurch    in das       Reaktionsgefäss    ragen.  



  Es ist günstig,     !die    Durchführung des oder der  Stäbe auf der .der     Grundplatte        gegenüberliegenden     Seite des     Reaktionsgefässes    zu     vermeiden,        @da    sonst,  um auch die von     ,diesen    Durchführungen in den  Reaktionsraum gelangenden     Verunreinigungen    weit  gehend auszuschalten, im     Reaktionsgefäss        eine    wei  tere Trennwand angebracht werden müsste.

   Deshalb       wird:        zweckmässigerweise    die     Verwendung    eines  U-förmigen Teils     vorgeschlagen,    der aus zwei als  Ausgangsträger dienenden Schenkeln und einer     aus     dem gleichen ebenfalls hochreinen Halbleiterstoff           bestehenden        Brücke    gebildet     :

  ist,    wobei der     U-förmige     Teil während des     Abscheidens        mit    den freien Enden  seiner     Schenkel    an     einer        Betriebsspannungsquelle          liegt    und durch den von:

   der     Spannungsquelle        ,durch     den     U-Teil        fliessenden    Strom auf ;der     Zersetzungstem-          peratur    gehalten     wird.    Dabei reicht die     normale          Netzspannung        infolge    des hohen     .Reinheitsgrades    des       Trägerkörpers        nicht    aus, um die Trägerkörper von       Zimmertemperatur    auf     die        Zersetzungstemperatur    zu  erhitzen.

   Daher werden     die    freien Enden der beiden  Schenkel zu Beginn des     Verfahrens    über eine Hoch  spannungsquelle geschlossen.     Mit        zunehmender    Er  wärmung     nimmt    dann :die     Leitfähigkeit    des.

   Halblei  termaterials,     insbesondere    des     Siliziums,    zu und es  kann die Umschaltung auf die     normale        Netzspan-          nungquelle        erfolgen.    Der     Strom        wind    dabei über  einen     induktiven    Widerstand     leistungslos    geregelt.  Die     Vorerwärmung    des     Stabes    kann aber auch     durch     einen Ofen von aussen erfolgen.  



  Es ist     besonders        günstig,    die     beiden        stabförmigen     Schenkel innerhalb ,des Reaktionsraums durch eine  aus dem     Halbleitermaterial    bestehende     Brücke    zu  verbinden. Auf diese Weise ist ,es natürlich     auch     möglich, mehr als zwei     Träger    im :selben Reaktions  raum     anzuordnen    und sie     untereinander        ;durch        eine     Brücke zu     verbinden.     



       Als        Verbindungsbrücke    für die     stabförmigen     Träger kann auch     ein        Graphit-    oder     Kohlestab    ver  wendet werden. Die Reinheit des abgeschiedenen       Halbleitermaterials    ist dann aber     insbesondere    da  durch     begrenzt,        dass    die Graphit- bzw.

   Kohlestäbe       infolge    ihrer     Herstellungsart        mit    einem     Bindemittel     versehen     sind,    das bei     Temperaturen    von ca. 1100  C       herausdampft    :und     zu        Einschlüssen    bzw.     Verunreini-          gungen    im     Halbleitermaterial        .Anlass    geben kann.

    Ausserdem hat     (die    Kohle die     Eigenschaft,    an oder       Atmosphäre    Gase     aufzunehmen,    die     ebenfalls.        im     späteren Glühprozess     Verunreinigungen    im Halblei  termaterial     hervorrufen.    Um die     Gefahr    von Fremd  einschlüssen     in        Halbleitermaterial    zu     verringern,    ist  es     ;deshalb        günstig,    die Brücke aus ;

  demselben Halb  leiterstoff wie die beiden Schenkel zu     fertigen.    Mit       einer    Brücke, die     aus.    demselben     hochreinen        Halblei-          termaterial    wie die Schenkel besteht, erhält man  durch     thermische    Zersetzung der hochreinen gasför  migen Verbindung des Halbleitermaterials, und Ab  scheiden :des zu gewinnenden     Stoffes    auf ;dem     U-för-          miger    Träger,     rder        ;dadurch        verdickt    wird, ein beson  ders hochgereinigtes Halbleitermaterial.  



  Die     Schenkel        und    die Brücke     können    auch aus  einem Halbleiterteil bestehen. Zur     Herstellung        eines     solchen     Halbleiterteils    wurde     bereits    ein     Verfahren     vorgeschlagen, bei dem (das Silizium aus     einer    hoch  gereinigten     gasförmigen        Siliziumverbindung    auf       einem    erhitzten,

   aus reinstem     Silizium    bestehenden       Trägerkörper        niedergeschlagen        wird,    wobei das Sili  zium auf einem dünnen     drahtförmigen    Träger auf  wächst und diesen verdickt.

   Es     wird    ein     gewendelter          Siliziumdraht    als Träger     verwendet,    der sich durch       das    aufgenommene     -Silizium    zu     einem        gewundenen            Siläziumstab        verdickt.    Ein     Teil    dieses Stabes, der  durch eine     den    gesamten Stab     durchwandernde    Zone  hoher     Temperatur    beliebig     gestreckt    werden kann,

         kann        als        insbesondere    U-förmiger Träger     verwendet     wenden.  



       In        Figur    1 ist ein     Ausführungsbeispiel        zum    Her  stellen:     reinsten        Halbleitermaterials,        insbesondere    von       Silizium,    gemäss der     Erfindung    dargestellt. Das       Reaktionsgefäss    besteht aus einer Quarzhaube 2 und  einer.     Metallplatte    1, die     während    des     Verfahrens     z. B. mit Wassergekühlt wird.

   Die Quarzhaube 2 und  die aus Quarz bestehende Trennwand 3     sind        mit    oder  Metallplatte 1 vakuumdicht verbunden. Die Trenn  wand 3 kann aber auch nur aus einer     Quarzscheibe     bestehen,     die    auf die Halterungen ödes oder     oder    Trä  ger aufgesetzt     wird..    Durch die     dann        zwischen    oder       Quarzhaube    2 und oder Trennwand 3 vorhandene  Öffnung können     ebenfalls    die Abgase in     (die        Vor-          kammer    abströmen.

   In Aden     eingentlichen    Reaktions  raum ragt nur ,der U-förmige .insbesondere aus Sili  zium bestehende     Trägerkörper,        ,der    aus den beiden  Schenkeln 7 und 6 und der Brücke 8     gebildet        wird.     Er     kann,    wie bereits weiter oben ausgeführt, aus  einem Stück bestehen oder es     kann,    wie in Figur 2       dargestellt,        -die    Brücke 8 auf die beiden, oben     einge-          schlitzten        Schenkel        aufgelegt    sein.

   Die beiden     Scheu-          kel    des     U-förmigen    Trägers sind durch möglichst enge  Bohrungen 13 und 14     durch    die     Trennwand    3 hin  durchgeführt. Ausserdem ragt     die        Einströmdüse    4     für     das     Reaktionsgasgemisch,    :das aus einer gasförmigen       Verbindung        des        Siliziums,    z. B.     Siliziumchloroform,     und     einem        Trägergas,    z. B.

   Wasserstoff, besteht,     in     den Reaktionsraum. In der     Vorkammer        sind        die     Stromzuführungen 11 und 12 für :die beiden     Schenkel     und ihre     Halterungen    9 und 10, die aus Kohle oder       niederohmigem        Silizium.    bestehen oder mit Silizium  überzogen     sind,    angeordnet.

   Die     Stromzuführungen     bestehen insbesondere aus     Kupfer        und        sinddurch        die     Isolation 15 vakuumdicht ,durch die Metallplatte 1  hindurchgeführt.     Ausserdem    ist auch das Rohr 5 für  die Abgase ;durch diese     Metallplatte        hindurchgeführt.     Die Abgase strömen also durch die     notwendigerweise     vorhandenen     Spalte    in die Vorkammer.  



  Es .ist wesentlich für     Idas    Verfahren,     .dass    die  Enden des Trägers     während    der     Abscheidung    kühl,  d.     h-.    auf einer     Oberflächentemperatur,    bei der prak  tisch keineRTI ID="0002.0224" WI="20" HE="4" LX="1311" LY="2110">  Abscheidung    mehr erfolgt, gehalten wer  den, so dass die Enden während des     Ab.scheidevor-          gangs        nicht    oder nur sehr     .wenig        verdickt    wenden,  während der     grössere    zwischen,

   diesen Enden     lie-          gende        Teil    des Trägers auf einer hohen, über     einen     grossen Teil des Stabes im wesentlichen etwa glei  chen zur     Zersetzung    und     Abscheianlng    dienenden  Temperatur     gehalten    wird.

   Ein Teil der durch den       Stromfluss        entstehenden    Wärme wird an den     Staben     den durch     die    Halterungen     abgeführt.    Reicht diese       Wärmeabfuhr    nicht aus, so ist es     günstig,        um        ein    Zu  wachsender     in    der     insbesondere    aus Quarz bestehen  den     Trennwand    3 vorgesehenen     Öffnungen    13 und  14 zu vermeiden, dass, wie in     Figur    1     dargestellt,

      die           Halterungen    9 und 10 etwas in den Reaktionsraum  hineinragen. Die freien Enden des Trägers können  aber auch bis     in.    die Vorkammer hineinragen, wenn  während des Verfahrens ein Gasstrom, z. B. Argon  oder insbesondere Wasserstoff an den Enden. des  Trägers     vorbeigeleitet    wird.

   Dieser     Gasstrom    wirkt  erstens kühlend und umgibt     ausserdem    die Endendes  Trägers, insbesondere an den     Durchführungen    :durch  die     Quarzplatte,    mit     .einer    sogenannten Gasschürze,  die verhindert,     dass    die     gasförmige    Halbleiterverbin  dung an diese Stellendes Trägers     gelangt.     



  Ein weiteres günstiges     Ausführungsbeispiel    zum  Herstellen hochreinen     Halbleitermaterials,    insbeson  dere zum Herstellen von     Silizium,    gemäss der Erfin  dung soll     anhand    der Figur 3 beschrieben werden.  Bei diesem Verfahren werden alle in die Vorkammer       hineinragenden    Teile von     einem    ;durch die Vorkam  mer bis in     d        @ie    im wesentlichen nur den Träger 6 ent  haltende Kammer strömenden Gasstrom umspült.  Das Gas, insbesondere Wasserstoff, das auch mit der  zu zersetzenden     Halbleiterverbindung,    z.

   B.     Silizi-          umchloroform,    vermischt in das Reaktionsgefäss un  mittelbar einströmt, wird durch ein Rohr 16, das  durch die     Grundplatte    1     hindurchgeführt    ist, direkt in  die Vorkammer geleitet :und zwar ohne     Beimischung     der     Halbleiterverbindung    z. B.     SiCl,    oder     SiHCIs.     Bei dieser Anordnung werden die abströmenden  Gase durch ein     Abflussrohr    5'     unmittelbar,        d.    h. ohne  vorheriges Durchströmen der Vorkammer, aus der  im wesentlichen nur den, Träger enthaltenden Kam  mer (Reaktionsraum) abgeführt.

   Da die Wasserstoff  schürze alle durch die Trennwand 3 hindurchgeführ  ten Teile an dieser Stelle umgibt, können in die Vor  kammer keine Abgase mehr gelangen, sondern nur  das durch das Rohr 16 einströmende Gas. Ein  Hauptvorteil :der bei :diesem Verfahren angewandten  Gas- insbesondere Wasserstoffschürze ist, :dass     :die     Dünnstäbe bis in die Vorkammer geführt werden  können, ohne dass sie während ödes Verfahrens an  den     Durchführungsstellen    durch :die Innenwand 3  verdickt werden, da, wie bereits weiter oben erläutert  wurde, durch die Wasserstoffschürze .an den durch  die Trennwand durchgeführten Enden des Trägers       :das        Abscheiden    von Halbleitermaterial, :

  das an dieser       Stelle    unerwünscht ist, vermieden wird. Es wird aus  serdem     vermieden,        dass        ider    bei der     Zersetzung    frei  werdende Chlorkohlenwasserstoff mit dem Abgas in  die Vorkammer gelangt und die dort vorhandenen  Metallteile angreift, so     dass        dotierend,    Stoffe frei  werden.

   Auch alle in der     Vorkammer    vorhandenen  Teile, insbesondere die     Elextrodenanschlüsse    (Halte  rungen und     Stromzuführungen)    und jede     Gas-Zu-          oder    -Abführung, werden von ,der Wasserstoffschürze  umgeben, so dass ein     Herausdampfen    von Verunrei  nigungen aus den Metallteilen verhindert wird.  



  Der in: :der Figur angedeutete Druckring 18       sichert        die    Verbindung     zwischen    den einzelnen Teilen  des     Reaktionsgefässes.    Es ist     ausserdem    gegebenen  falls günstig, den Teil des     Gaszuführungsrohrs    4, .der  in den     Reaktionsraum        hineinragt,    mit einer Quarz-         haube    17 abzudecken oderganz aus Quarz herzustel  len und ebenso alle     Gasabführungsrohre,    soweit sie  in     "den    Reaktionsraum     hineinragen.     



  Bei den bisher bekannten Verfahren: zum Ab  scheiden ;des     Siliziums    aus der Gasphase erhält man       n-leitendes        Silizium    mit     einem    spezifischen     Wider-          stand    von 10-30 Ohm. cm. Die noch vorhandenen  Verunreinigungen sind für die weitere Verarbeitung  des     Siliziums    sehr störend. Mit dem     erfindungsge-          mässen    Verfahren     wird    eine erhebliche     Verringerung     der     im        Silizium    eingebauten Verunreinigungen er  zielt.

   Man erhält     Siliziumstäbe        mit    einem     spezifischen     Widerstand von 600-1000 Ohm. cm..  



  Die mit dem     erfindungsgemässen    Verfahren her  gestellten, insbesondere aus     Silizium        bestehenden     Halbleiterstäbe sind wegen     ihrer    hohen Reinheit zur  Weiterverarbeitung insbesondere für Transistoren  und     Richtleitern    sehr geeignet.

   In     Figur    4 ist ein Aus  führungsbeispiel eines Transistors .dargestellt bei dem  die n- bzw.     p-leitende    Zone 19 aus dem durch Zer  schneiden eines .nach dem     erfindungsgemässen    Ver  fahren hergestellten     Siliziumstabes    gewonnenen     Kri-          stall    gebildet ist, während .die p- bzw.     n-Zone    z. B.  durch     Einlegieren    von als Akzeptor, bzw.     Donator     wirksamen     Dotierungsstoffen,    insbesondere     Indium,     bzw.     Gold-Antimon        gebildet    ist.

   Durch     Einlegieren     der     Legierungspillen    20     (Kollektorelektrode)    und 21       (Emitterelektrode)    in     ;den        Siliziumkörper    19     bildeben     sich indem zunächst n- bzw.     p-leitenden        Silizium        p-          bzw.    n -leitende     Rekristallisationszonen    22 und 23  aus.

   Werden .die nach dem erfindungsgemässen Ver  fahren     hergestellten        Siliziumsbäbe    in einer     Zonenzieh-          apparatur    weiter     behandelt,    so erhält man     Silizium-          stäbe,    die im     wesentlichen,    nur noch Bor     als        Verunrei-          nigung        enthalten,    also Stäbe aus     p-leitendem    Sili  zium.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zum Herstellen eines stabförmigen, Halbleitereigenschaften aufweisenden chemischen Elementes mit mindestens einem für die Verarbei tung zu Halbleiteranordnungen benötigten Reinheits grad nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, :dass die thermische Zerset zung und das Abscheidendes zu gewinnenden Stoffes in einer im wesentlichen nur den Träger selbst ent haltenden Kammer des Reaktionsgefässes, die durch eine aus Quarz bestehende Wand (3) von einer Vor kammer getrennt ist, die alle übrigen Teile :

   des Reak- tionsgefässes enthält, durchgeführt wird. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren, nach Patentanspruch, gekennzeich net durch die Verwendung eines U-förmigen Trägers, der aus zwei als Ausgangsträger dienenden Schenkeln (6, 7) und einer aus dem gleichen;

   ebenfalls hochrei nen Halbleiterstoff bestehenden Brücke (8) gebildet ist, und dadurch gekennzeichnet, !dass der U-förmige Teil während des Abscheidens mit den freien Enden seiner Schenkel an einer Betriebsspannungsquelle liegt und durch den von der Spannungsquelle durch das U-Teil fliessenden Stromauf der Zersetzungstem- peratur gehalten, wird. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch und Unteran spruch, 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel mit der Brücke aus einem einzigen hochreinen Halb- leiterteil bestehen. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch und Unteran spruch 1, .dadurch gekennzeichnet, .dass mehrere stabförmige Träger innerhalb des Reaktionsraums durch eine .aus deem Halbleitermaterial bestehende Brücke miteinander zu einer U-Form verbunden wer den. 4.

   Verfahren nach Patentanspruch und den Un teransprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgasgemisch durch --das Zuführungsrohr (4) unmittelbar in: ,das Reaktionsgefäss eingeführt wird.

   5. Verfahren nach Patentanspruch und den Un teransprüchen 1-4., dadurch gekennzeichnet, dass die abströmenden Gase zunächst durch verhältnismässig kleine Öffnungen in:

   die Vorkammer und von dort durch ein in ,der metallischen Grundplatte (1) ange brachtes Abflussrohr (5) abströmen. 6. Verfahren nach Patentanspruch und den Un- teransprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die abströmenden Gase durch ein Abflussrohr (5') un- mittelbar aus der im wesentlichen nur den Träger enthaltenden Kammer abgeführt werden. 7.

   Verfahren nach Patentanspruch und den Un teransprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Trägers während der Abscheidung kühl gehalten wenden, während der grössere zwischen die sen Enden liegende Teil des Trägers auf einer hohen, über einen grossen Teil des Stabes im: wesentlichen etwa gleichen, zur Zersetzung und Ab@scheidung die nenden Temperatur gehalten wind. B.

   Verfahren nach Patentanspruch und den Un teransprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden, des Trägers ein Gasstrom vorbeigeleitet wird. 9. Verfahren nach Patentanspruch und:

   den Un teransprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass alle in idie Vorkammer hineinragenden Teile von einem idurch die Vorkammer bis in die im wesentli chen nur den Träger selbst enthaltende Kammeer strömenden Gasstrom umspült werden. 10.

   Verfahren nach Patentanspruch und den Un teransprüchen 1-9, ;dadurch gekennzeichnet, dass als Gasstrom ein. Stoff, insbesondere Wasserstoff, ver wendet wird, oder auch mit .der zu zersetzenden Halb- leiterveribändung vermischet in das Reaktionsgefäss einströmt.