AT226649B

AT226649B - Verfahren zum Herstellen von einkristallinem Silizium

Info

Publication number: AT226649B
Application number: AT949660A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1960-01-15
Filing date: 1960-12-19
Publication date: 1963-03-25

Description

Verfahren zum Herstellen von einkristallinem Silizium
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Patentschrift Nr. 1. 125. 207SiHCl3 bestehenden, die Apparatur in gleichmässigem Fluss durchströmenden Reaktionsgas. Alle Abscheidungskurven münden mit wachsendem HCl-Gehalt in zunehmendem Masse steiler in die Temperaturachse ein. Ausserdem wächst die Temperatur To mit dem HCI-Gehalt des Reaktionsgases. Schliesslich nähern
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Schnittpunkt der Abscheidungskurven mit der Temperaturachse zu variieren und ausserdem auch die Steilheit der Tangente an die Abscheidungskurve in diesem Schnittpunkt zu verändern.

Wenn nun nach der Lehre der Erfindung derHalogenwasserstoff dem Reaktionsgas in einem solchen Anteil zugesetzt wird, dass die Siliziumabscheidung unterhalb einer mindestens bei 9000C liegenden Temperatur To der Abscheidefläche des Trägers vollkommen unterbunden wird, so erhält man im allgemeinen eine steile Abscheidungskurve, bei der eine relativ geringe Temperaturerhöhung eine wesentlich grössere Ausbeuteerhöhung bewirkt, als es die gleiche Temperaturerhöhung vermag, wenn das Reaktionsgas kein HCl enthält ; es wird dennoch bei einer Temperatur gearbeitet, welche sich von der zu einem Erliegen der Abscheidung führenden Temperatur nur praktisch wenig unterscheidet.

Anderseits wird, wenn der Arbeitspunkt, also die betriebsmässige Temperatur T, in eine stelle Abscheidungskurve verlegt wird, eine geringe Temperaturverminderung bereits ein merkbares Abnehmen der Abscheidung mit sich bringen, die im Gegensatz zur Kurve a auf den Wert Null und zu negativen Werten fortgeführt werden kann.

Um die Entstehung der bereits genannten Störungen des Kristallwachstums und damit die Wirkungsweise des gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens zu verstehen, sei darauf hingewiesen, dass der Träger elektrisch erhitzt wird. Dann werden sowohl bei Anwendung einer induktiven als auch bei einer mittels an den Enden des Trägers angelegten Elektroden erfolgten Energiezufuhr diejenigen Teile der Trägeroberfläche die niedrigste Temperatur besitzen, welche aus dem normalen Niveau der Trägerfläche herausragen, während umgekehrt zurückstehende Stellen der Trägeroberfläche am heissesten sind. Demnach müsste bereits durch die Anwendung einer elektrischen Überhitzung an den vorstehenden Stellen, z. B.

Warzen, Ausstülpungen usw., der Trägeroberfläche eine geringere Abscheidung erfolgen als an
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gas bestrichen werden, während die zurückstehendenstellen im allgemeinen eine wesentlich ungünstiger Zufuhr an Reaktionsgas erhalten. Es kann also das raschere Wachstum anAusstülpungen und ähnlichen Vorsprüngen der Trägeroberfläche auf diese Weise nur unvollkommen ausgeglichen werden.

Es wurde beobachtet, dass die Temperaturunterschiede zwischen der vorspringenden und der normalen Trägeroberfläche bis über 2000C betragen. Aus diesem Grund wird gemäss der Erfindung einmal dafür gesorgt, dass die Abscheidungskurve einen definierten Schnittpunkt To mit der Temperaturachse erhält.

Ferner wird die Abscheidungskurve so eingestellt, dass bereits geringe Temperaturerhöhungen über To hinaus zu einer relativ starken Ausbeute führen. Schliesslich wird die Arbeitstemperatur T der Trägeloberflache so gewählt, dass die vorspringenden also kalten Teile wenig Abscheidung erhalten, u. zw. so lange, bis sie eingeebnet sind und dadurch ihre Temperatur dem Sollwert T angeglichen ist. Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die Temperatur der kalten, also vorspringenden Stellen, unterhalb der Temperatur 1'0 zu liegen kommt, weil dann nicht nur die Abscheidung an diesen Stellen zum Erliegen kommt, sondern auch umgekehrt eine Abgleichung dieser Stellen und damit eine Beschleunigung der Nivellierung der Trägeroberfläche stattfindet.

Es wurde experimentell festgestellt, dass der von der Erfindung angestrebte Zweck vollkommen erreicht wird, wenn die Temperatur To nicht unter 900-1000 C und die Arbeitstemperatur T nicht höher als 2000C oberhalb der Temperatur To zu liegen kommt. Es empfiehlt sich aus technologischen Gründen der Herstellung, dass der als Träger verwendete einkristalline Stab oder drahtförmige Träger kristallographisch so orientiert ist, dass beispielsweise die Achse des Trägers die (l l -Richtung hat.

Die in der Praxis anzuwendende Arbeitstemperatur T sowie der anzuwendende Zusatz an HCI od. dgl. richtet sich im einzelnen nach der Art der zur Verwendung gelangenden Reaktionsgase. Handelt es sich dabei z. B. um mit SiHCl vermischten Wasserstoff (10 Mol-lo SiHCI,), so e npflehlt es sich, T gleich 1100-1200 C, vorzugsweise 1150 C, zu wählen. Durch die Zugabe von 10 Mol-% HCI wird eine Temperatur To von etwa 9500C festgelegt.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung beispielsweise beschrieben. In einem Quarzgefäss 1 Ist ein dünner, aus einkristallinem hochreinem oder dotiertem Silizium bestehender Siliziumstab 2 aufgespannt, auf den hochreines bzw. dotiertes Sili-

zium aus der Gasphase zum einkristallinen Wachstum gebracht werden. 011. Zur Halterung des Stabes dienen Elektroden 3 und 3'aus möglichst reinem hitzebeständigem Material, wie Graphit, Molybdän od. dgl.

Der Siliziumstab 2 wird durch elektrischen Strom, der über einen regelbaren Stabilisierungswiderstand 4
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nahme der Abscheidung an der Stelle 7. Zur Erzeugung des Reaktionsgases dient ein Verdampfungsgefäss 8 aus Quarz, in welchem sich hochgereinigtes SiCI. oder SIHCL, in flüssigem Zustand befindet. In dieses Verdampfungsgefäss ragt eine Tropfpipette 9, die mit hochreinem destilliertem Wasser gefüllt ist und lässt dieses Wasser mit regelbarer Geschwindigkeit in das SiCI bzw. SiHClg tropfen. Hiedurch wird etwas von der im Verdampfungsgefäss 8 befindlichenSiliziumhalogenidverbindung hydrolysiert, wobei HCI und Kieselsäure entstehen.

Der in regelbarem Strom an der Stelle 10 in den Verdampfer 8 eingeleitete hochgereinigte Wasserstoff belädt sich im Verdampfungsgefäss 8 mit dem Dampf der im Überschuss vorhandenen Siliziumverbindung und dem gleichzeitig entwickelten HCl und gelangt, eventuell unter Zugabe weiteren Wasserstoffs, über eine Kühlfalle 12 (zum Ausfrieren des enthaltenen Wasserdampfes) in das Abscheidungsgefäss 1. Gegebenenfalls kann dem Verdampfer ein weiteres Verdampfungsgefäss, welches mit SiCl oder SiHCl3 beschickt ist, parallel-bzw. nachgeschaltet werden, welches sich von dem Verdampfungsgefäss 8 dadurcn unterscheidet, dass in ihm keine HCI-Entwicklung vorgenommen wird.

Der bzw. die Verdampfer sind in einem Temperaturbad 11 angeordnet, mit dessen Hilfe die Verdampfungsquote derSiliziumverbindung geregelt werden kann. Durch Einstellung der Temperatur im Verdampfer, der Geschwindigkeit des Wasserstoffstroms und der Tropfgeschwindigkeit des aus der Pipette 9
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die Abscheidungskurve so weit verschoben, dass sie im Zusammenwirken mit der Oberflächentemperatur T des Trägers die Lehre der Erfindung erfüllt.

Als Reaktionsgas kann auch das aus einer gleichartigen oder ähnlichen, zur Herstellung von Siliziumkristallen aus Siliziumhalogenverbindungen bzw. Halogensilanen dienenden Abscheidungsapparatur austretende Abgas verwendet werden. Das der ersten Apparatur entnommene Reaktionsgas besitzt in manchen Fällen, vorausgesetzt, dass es beim Einleiten in die erste Apparatur in hochreinem Zustand vorgelegen hat, infolge der Umsetzung im ersten Abscheidungsgefäss einen natürlichen Gehalt an dem betreffenden Halogenwasserstoff. so dass unter Umständen das Abgas des ersten Gefässes von sich aus die Forderungen erfüllt, die gemäss der Erfindung an das Reaktionsgas zu stellen sind. Vielfach ist jedoch der Gehalt an HCI zu
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der HCl durch HBr ersetzt werden.
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Claims

<Desc/Clms Page number 5> gensilan, enthält, über einen in einem Reaktionsgefäss gehalterten, elektrisch erhitzten, einkristallinen Trägerkörper aus reinem oder dotiertem Silizium geleitet und das aus dem Reaktionsgas infolge thermischer bzw. elektrothermischer Umsetzung freiwerdende Silizium auf den Träger niedergeschlagen und zum einkristallinen Aufwachsen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsgas vor dem Einleiten in das den erhitzten Trägerkörper enthaltende Reaktionsgefäss eine das Reaktionsgleichgewicht zugunsten des gebundenen Siliziums verschiebende - insbesondere eine sich auch während des Abscheidungsvorganges im Reaktionsgas bildende - Halogenverbindung, vorzugsweise ein Halogenwasserstoff, in einem solchen Anteil zugemischt wird, dass bei der während des Abscheidevorganges einzustellenden Trägertemperatur (T)

Siliziumabscheidung an der Trägeroberfläche erfolgt, dass aber bei einem Absinken der Trägertemperatur auf eine höchstens 2000C unterhalb des eingestellten Wertes (T) liegende Trägertem- peratur (Tg) die Siliziumabscheidung vollkommen unterbunden und bei einem noch weiteren Absinken der Trägertemperatur Auflösung von bereits vorhandenem elementarem Silizium erfolgen würde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, für den Fall der Beimischung von Halogenwasserstoff, dadurch ge- kennzeichnet, dass derHalogenwasserstoffgehalt des Reaktionsgases durch entsprechend gesteuerte partielle Umsetzung einer im Reaktionsgas vorhandenen hochreinen, halogenhaltigen Siliziumverbindung, insbesondere auch wasserstoffhaltigen Siliziumverbindung, hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundlage für das Reaktionsgas die halogenwasserstoffhaltigen Abgase einer vorgeschalteten, zur Herstellung von hochreinem Silizium aus einer Siliziumhalogenverbindung dienenden Apparatur verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gereinigter Wasserstoff einem mit einer flüssigen Siliziumhalogenverbindung gefüllten Verdampfungsgefäss zugeführt wird, in welchem durch Eintropfen von destilliertem gereinigtem Wasser Halogenwasserstoff erzeugt wird und dass dann der mit dem Halogenwasserstoff und dem Dampf der Siliziumverbindung beladene Wasserstoff in das Abscheidungsgefäss geleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein frisches Gemisch aus Siliziumhalogenverbindung und Wasserstoff vor der Siliziumabscheidung durch eine schichtstabilisierte Hochspannungs- gasentladung unter Bildung von Siliziumsubchloriden und HCI partiell umgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man durch geeignete Zusammensetzung des Gasgemisches, das man dem den erhitzten Trägerkörper enthaltenden Reaktionsgefäss zuführt, dafür sorgt, dass die Temperatur (T bei der die Siliziumabscheidung vollkommen unterbunden und unterhalb der Auflösung von bereits vorhandenem elementarem Silizium erfolgen würde, mindestens 9000C beträgt.