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.