DE1114170B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von extrem reinem Halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von extrem reinem Halbleitermaterial

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DE1114170B
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DE
Germany
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hydride
silicon
electrodes
extremely pure
coaxial
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Application number
DEI15038A
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English (en)
Inventor
Henley Frank Sterling
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International Standard Electric Corp
Original Assignee
International Standard Electric Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/027Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/029Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of monosilane
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00Boron; Compounds thereof
    • C01B35/02Boron; Borides
    • C01B35/023Boron

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von extrem reinem Halbleitermaterial Es ist bekannt, reinste Halbleiterelemente dadurch herzustellen, daß Hydride des Halbleiterelementes in einer Bogenentladung oder in einer Gasentladung thermisch zersetzt werden. Bei den bekannten Verfahren wird Gleichstrom oder niederfrequenter Wechselstrom zur Erzeugung der Entladung verwendet. Hierbei schlägt sich das entstehende Halbleitermaterial auf den Elektroden nieder, die im Laufe des Verfahrens zur Aufrechterhaltung der Entladung in definierter Weise voneinander entfernt werden müssen. Da die Leitfähigkeit des auf den Elektroden niedergeschlagenen Halbleitermaterials sehr stark von der Temperatur abhängt, sind weitere Maßnahmen erforderlich, um die Leitfähigkeit des niedergeschlagenen Halbleitermaterials auf einem. bestimmten Wert zu halten. Es besteht schließlich noch die Gefahr, daß das Halbleitermaterial durch das Material-der Elektroden verunreinigt wird.
  • Es wurde auch ein Verfahren zur Herstellung reinsten Siliziums vorgeschlagen, bei dem reiner Siliziumwasserstoff in geringer Konzentration in eine Zone gebracht wird, deren Temperatur über der Zersetzungstemperatur des Siliziumwasserstoffs liegt. Bei dem nach diesem Verfahren hergestellten Silizium lassen sich mit dem Spektographen keime Verunreinigungen mehr feststellen. Nach diesem Verfahren läßt sich auch einkristallines Silizium herstellen, jedoch ist die Wachstumsgeschwindigkeit so gering, daß es vorteilhafter ist, einen schneller wachsenden, polykristallinen Körper herzustellen, diesen zu schmelzen und aus der Schmelze einen Einkristall zu ziehen. Dabei müssen durch den Tiegel bedingte Verunreinigungen der Schmelze vermieden werden.
  • Der Durchmesser des auf diese Weise durch Ziehen aus der Schmelze hergestellten Stabes kann jedoch nicht beliebig groß gemacht werden.
  • Schließlich wurden Verfahren zur Herstellung anderer Halbleiter, wie Germanium, durch thermische Zersetzung des entsprechenden Hydrids vorgeschlagen.
  • Die Nachteile der bekannten Verfahren können vermieden und sehr reine Halbleiter mit einer größeren Ausbeute pro Zeiteinheit durch thermische Zersetzung der entsprechenden Hydride in einer Gasentladung und Niederschlagen des Reaktionsproduktes auf einen bewegbaren Träger hergestellt werden, wenn erfindungsgemäß eine mit Hochfrequenz zwischen zwei koaxial ineinander angeordneten Elektroden betriebene Gasentladung verwendet und das Hydrid in den Ringraum zwischen den Elektroden eingeleitet wird.
  • Durch die Verwendung von Hochfrequenz und die besondere Anordnung der Elektroden ist es möglich, den Zersetzungsraum außerhalb des Elektrodenzwischenraumes zu verlegen, so daß sich kein Halbleitermaterial auf den Elektroden niederschlägt und der Abstand sowie die Leitfähigkeit der Elektroden während des Verfahrens nicht verändert werden. Das Material für den Träger, auf dem sich das Halbleiterelement niederschlägt, kann daher so ausgewählt werden, daß das Halbleitermaterial nicht verunreinigt wird, ohne daß hierbei auf die elektrische Leitfähigkeit des Trägermaterials Rücksicht genommen werden muß.
  • Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt im Schnitt eine Vorrichtung zur Herstellung reinen Siliziums. Der äußere Leiter 1 der koaxialen Zuleitung 1, 2 für elektromagnetische Energie hoher Frequenz ist durch die Deckplatte 3 eines Zylinders 4 aus Siliziumdioxyd luftdicht hindurchgeführt. Die Koaxialleitung besteht vorzugsweise aus Silber, und der innere Leiter 2 ist rohrförmig ausgebildet. Durch ein Zuleitungsrohr 5, das im Innern des hohlen Leiters 2 angeordnet ist, und durch das Ableitungsrohr 6, das am oberen Ende des Leiters 2 abzweigt, zirkuliert Wasser. Der innere Leiter 2, der durch die Platte 3 hindurchführt, ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, geschlossen, um die Zirkulation des Wassers zu ermöglichen. Der innere Leiter 2 und der äußere Leiter 1 werden durch die Abstandsscheiben 7 und 8 aus Polytetrafluoräthylen in bestimmtem Abstand voneinander gehalten. Die Abstandsscheibe 7 schließt den Raum zwischen dem inneren Leiter 2 und dem äußeren Leiter 1 luftdicht ab. In diesen Raum strömt Siliziumwasserstoffgas durch das Zuleitungsrohr 9, durch die Abstandsscheibe 7. Die Abstandsscheibe 8 ist mit öffnungen versehen, durch die das Siliziumwasserstoffgas hindurchströmt.
  • Die Koaxialleitung 1, 2 wird von einem Generator, der bei 10 angedeutet ist und der mit dem inneren und äußeren Leiter einer Koaxialzuleitung 11, 12 verbunden ist, mit Hochfrequenzenergie versorgt. Diese Zuleitung ist an der Koaxialleitung 1, 2 im Abstand von einerViertelwellenlängevonderAbstandsscheibe7 angeschlossen. Die Frequenz kann zwischen 0,5 und 1000 MHz, vorzugsweise zwischen 500 und 1000 MHz, liegen. 5 kW stellen eine geeignete Leistung dar. Die Leitung ist so bemessen, daß das erste Spannungsmaximum am oder nahe dem Ende der Leitung 1, 2 innerhalb des Zylinders 4 auftritt.
  • Der Stab 13 aus Silizium ist auf der Unterlage 14 befestigt, die durch die untere Verschlußplatte 15 des Zylinders 4 luftdicht hindurchgeführt ist und mit Hilfe des Getriebes 16 auf und nieder bewegt werden kann. Das Schutzgas, z. B. Argon, strömt durch die Zuleitung 17 in den Zylinder 4 ein und entweicht durch das Auslaßrohr 18.
  • Während des Betriebes wird der zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter strömende Siliziumwasserstoff am Wellenbauch der an der Koaxialleitung entstehenden Welle in Silizium und atomaren Wasserstoff gespalten. Kurz danach vereinigen sich die Wasserstoffatome zu Molekülen und geben Wärme ab, wobei eine elektrodenlose Entladungsflamme 19 auftritt, durch die das aus der Zersetzung des Siliziumwasserstoffes stammende Silizium geschmolzen wird. Der Stab 13 ist so angeordnet, daß er von der Flamme erreicht wird und darin schmilzt, wodurch sich eine Kuppe 20 aus geschmolzenem Silizium bildet. Das bei der Zersetzung entstehende Silizium schlägt sich auf dieser Schmelzkuppe nieder.
  • Der Stab wird in dem Maße gesenkt, wie sich das Silizium an ihm niederschlägt, so daß das zuerst niedergeschlagene Silizium erstarrt.
  • Das auf der Unterlage 14 befestigte Silizium besteht zunächst nur aus einem Keim aus Silizium, aus dem sich im Verlauf des Verfahrens der Stab 13 bildet. Handelt es sich bei diesem Keim um einen Einkristall, so läßt sich der Stab 13 durch geeignete Regelung des Wachstums als Einkristall herstellen. Mit Hilfe der beschriebenen Apparatur und des Verfahrens können einkristalline Siliziumstäbe mit einem Durchmesser von mehr als 2,5 cm und schneller als durch die bekannten oder vorgeschlagenen Zersetzungsverfahren hergestellt werden. Die Wachstumsgeschwindigkeit ist genauso groß wie bei dem Kristallziehverfahren. Das Gefäß 4 ist mit Argon als Schutzgas gefüllt, wodurch eine Oxydation des wachsenden Kristalls verhindert wird.
  • Das Verfahren ist für die Herstellung aller Halbleiterelemente anwendbar, die flüchtige Hydride bilden, z. B. für Silizium, Germanium, Bor usw. Unter Halbleiterelementen werden dabei Elemente verstanden, die entweder selbst Halbleiter sind oder in Verbindung mit einem weiteren Element einen Halbleiter bilden. Zur Herstellung von Germanium kann wie bei Silizium das entsprechende Hydrid verwendet werden. Bor, Phosphor, Arsen und/oder Antimon können dazu verwendet werden, um dem Silizium oder Germanium Halbleitereigenschaften von einem bestimmten Leitungstyp (n- oder p-Typ) zu geben; sie werden daher vorzugsweise dünnen Schichten in einem Silizium-oder Germanium-Einkristall zugesetzt. Germanium oder Silizium vom n-Typ werden dadurch erzeugt, daß man an Stelle des Siliziumwasserstoffes eine Mischung aus Siliziumwasserstoff und Diboran im geeigneten Verhältnis oder aus Germanium-Hydrid und Diboran verwendet. Man läßt die Mischung nur so lange durch das Hochfrequenzfeld strömen, bis die gewünschte Menge des n-Typmaterials hergestellt ist. Danach folgt dann Siliziumwasserstoff oder Germaniumwasserstoff, je nachdem, ob eigenleitendes Silizium oder Germanium gewünscht wird, oder eine geeignete Mischung aus Siliziumwasserstoff oder Germaniumwasserstoff undPhosphorwasserstoff, wennMaterial vom p-Typ hergestellt werden soll.
  • So kann man im Halbleitereinkristall n- und p-Schichten oder n-, eigenleitende und p-Schichten aufeinanderfolgen lassen.
  • Bei dem Verfahren kann die Temperatur der Flamme dadurch herabgesetzt werden, daß dem gasförmigen Hydrid ein einatomiges Gas, z. B. Argon, beigemengt wird und so die Spaltung und nachfolgende Wiedervereinigung langsamer vor sich geht. Zu diesem Zwecke kann der durch den Zylinder 4 fließende Argonstrom verändert werden.
  • Mischt man dem gasförmigen Hydrid ein anderes Gas bei, so wird die Menge des erzeugten festen Stoffes im Verhältnis zu einer bestimmten Menge Gas kleiner. Dies kann bei der Herstellung von einkristallinem Material notwendig sein, damit die Wachstumsgeschwindigkeit die Herstellung eines Einkristalls zuläßt.
  • Das bei diesem Verfahren verwendete gasförmige Hydrid, z. B. der Siliziumwasserstoff, kann mit Wasserstoff gemischt werden, wenn die Wachstumsgeschwindigkeit des festen Halbleitermaterials vermindert werden soll, ohne daß die Temperatur der Flamme geringer wird. So strömt in diesem Fall ein Gemisch von Wasserstoff und Siliziumwasserstoff durch das Rohr 9.
  • Der Wasserstoff muß jedoch vollkommen rein sein, damit jede Verunreinigung des Halbleitermaterials vermieden wird.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung extrem reiner Halbleiterelemente durch thermische Zersetzung der entsprechenden Hydride in einer Gasentladung und Niederschlagen des Reaktionsproduktes auf einen bewegbaren Träger, dadurch gekennzeich- net, daß eine mit Hochfrequenz zwischen zwei koaxial ineinander angeordneten Elektroden (1, 2) betriebene Gasentladung verwendet und das Hydrid in den Ringraum zwischen den Elektroden eingeleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzstrom mit einer Frequenz von 0,5 bis 1000 MHz verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei welchem dem extrem reinen Halbleiterelement während seiner Herstellung ein Dotierungsstoff zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zeitweise dem Hydrid des Halbleiterelements Hydride von Dotierungsstoffen zugesetzt werden.
  4. 4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, bestehend aus einem Quarzgefäß mit Zu- und Ableitungsrohren, kühlbaren Elektroden und einem bewegbaren Träger für den Kristallkeim, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß aus einem beiderseits durch Deckplatten (3,15) dicht abgeschlossenen Zylinder (4), wobei durch die Deckplatten die Zu- bzw. Ableitungsrohre (17, 18) für das Schutzgas gehen, besteht, daß durch die untere Deckplatte der bewegbare Träger (14) in den Reaktionsraum ragt und gegenüber durch die obere Deckplatte zwei koaxial ineinander angeordnete Rohre (1, 2), vorzugsweise aus Silber, in den Reaktionsraum ragen, daß das innere Rohr (2) der beiden koaxialen Rohre unten geschlossen und von innen mit Wasser gekühlt ist, daß in den Raum zwischen den Rohren die Zuleitung (9) für das zu zersetzende Hydrid mündet und an die beiden koaxialen Rohre (1, 2) seitlich eine koaxiale Stromzuleitung (11, 12) angeschlossen ist, die durch eine Isolierstoffscheibe gasdicht gegen die Stromquelle hin abgeschlossen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift S 44074 VIII c/ 21g (bekanntgemacht am 31. 10. 1956); französische Patentschrift Nr. 1131422.
DEI15038A 1957-07-03 1958-06-27 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von extrem reinem Halbleitermaterial Pending DE1114170B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1263714B (de) * 1963-09-19 1968-03-21 Ass Elect Ind Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer Schicht aus Halbleitermaterial

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1131422A (fr) * 1954-06-13 1957-02-21 Siemens Ag Procédé pour la préparation de matériaux cristallisés particulièrement purs, dispositif pour sa mise en oeuvre et produits obtenus

Patent Citations (1)

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