DE1139812B - Vorrichtung zur Gewinnung stabfoermiger Halbleiterkoerper und Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung - Google Patents

Description

Zur Gewinnung kristalliner stabförmiger Halbleiterkörper sehr hoher Reinheit, ist es bekannt, eine hochgereinigte gasförmige Verbindung des Halbleitermaterial thermisch zu zersetzen und das reine Zersetzungsprodukt auf einem oder mehreren stabförmigen, insbesondere einkristallinen geheizten Trägern gleichen Materials abzuscheiden.

Zu Beginn des Abscheideverfahrens wird ein z. B. aus hochreinem Silizium bestehender langgestreckter draht- oder fadenförmiger Träger verwendet, der zunächst vorgewärmt und anschließend zur Durchführung des Abscheidevorgangs durch direkt in ihm fließenden elektrischen Strom weiter erhitzt und auf Reaktionstemperatur gehalten wird.

Es wurde gefunden, daß die Reinheit des Halbleitermaterials, das in einer Vorrichtung zur Gewinnung stabförmiger Halbleiterkörper sehr hoher Reinheit, mit der der Halbleiterkörper durch thermische Zersetzung einer hochgereinigten gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und Abscheiden des zu gewinnenden Stoffes auf einem oder mehreren stabförmigen, insbesondere einkristallinen geheizten Trägern gleichen Materials hergestellt wird, erhöht wird, wenn erfindungsgemäß der Reaktionsraum, in dem die thermische Zersetzung und das Abscheiden des zu gewinnenden Stoffes durchgeführt wird, einen U-förmigen Träger enthält und durch eine insbesondere aus Quarz bestehende Wand von einer Vorkammer getrennt ist, die alle übrigen Teile der Anordnung, insbesondere die Halterungen und die Zuführungen für den Heizstrom des Trägers, sowie die metallische Grundplatte des Reaktionsgefäßes enthält.

Die Haube des Reaktionsgefäßes und die Trennwand, also alle den eigentlichen Reaktionsraum begrenzenden Flächen, bestehen dabei insbesondere aus reinem Quarz. Die Teile der Apparatur, die aus Materialien bestehen, aus denen bei den beim Verfahren angewandten Temperaturen andere Stoffe, insbesondere Phosphor, herausdampfen können, die zu einer Verunreinigung des Halbleitermaterials führen, sind also durch eine Wand vom eigentlichen Reaktionsraum getrennt angeordnet.

Durch den U-förmigen Träger kann die Durchführung des oder der Stäbe auf der der Grundplatte gegenüberliegenden Seite des Reaktionsgefäßes vermieden werden, das ist günstig, da sonst, um auch die von diesen Durchführungen in den Reaktionsraum gelangenden Verunreinigungen weitgehend auszuschalten, im Reaktionsgefäß eine weitere Trennwand angebracht werden müßte. Der U-förmige Träger kann z. B. aus zwei als Ausgangsträger Vorrichtung zur Gewinnung stabförmiger

Halbleiterkörper und Verfahren zum Betrieb

dieser Vorrichtung

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Heinz Henker, Dr. Josef Grabmaier, München, Hans-Friedrich Quast, Freiburg (Breisgau),

und Dr. Theodor Rummel, München,

sind als Erfinder genannt worden

dienenden Schenkeln und einer aus dem gleichen ebenfalls hochreinem Halbleiterstoff bestehenden Brücke gebildet sein. Der U-förmige Träger liegt während des Abscheidens mit den freien Enden seiner Schenkel an einer elektrischen Spannung und wird durch den durch den U-Träger fließenden Strom auf der Zersetzungstemperatur der Halbleiterverbindung gehalten. Dabei reicht die normale Netzspannung infolge des hohen Reinheitsgrades des Trägers zunächst nicht aus, um die Träger von Zimmertemperatur auf die Zersetzungtemperatur zu erhitzen. Daher werden die freien Enden der beiden Schenkel zu Beginn des Verfahrens an eine Hodhspannuingsquelle angeschlossen. Mit zunehmender Erwärmung nimmt dann die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials, insbesondere des Siliziums, zu, und es kann die Umschaltung auf die normale Netzspannungsquelle erfolgen. Der Strom wird dabei über einen induktiven Widerstand leistungslos geregelt. Die Vorerwärmung des Stabes kann aber auch durch einen Ofen von außen erfolgen.

Als Verbindungsbrücke für die stabförmigen Träger kann auch ein Graphit- oder Kohlestab verwendet werden. Die Reinheit des abgeschiedenen Halbleitermaterials ist dann aber insbesondere dadurch begrenzt, daß die Graphit- bzw. Kohlestäbe infolge ihrer Herstellungsart mit einem Bindemittel versehen sind, das bei Temperaturen von etwa 1100° C herausdampft und zu Einschlüssen bzw. Verunreinigungen im Halbleitermaterial Anlaß gibt.

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Außerdem hat die Kohle die Eigenschaft, an der Atmosphäre Gase aufzunehmen, die ebenfalls im späteren Glühprozeß Verunreinigungen im Halbleitermaterial hervorrufen.

Um die Gefahr von Fremdeinschlüssen im Halbleitermaterial zu verringern, ist es deshalb günstig, die Brücke aus demselben Halbleiterstoff wie die beiden Schenkel zu fertigen. Mit einer Brücke, die aus demselben hochreinen Halbleitermaterial wie die Schenkel besteht, erhält man durch thermische Zersetzung der hochreinen gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und Abscheiden des zu gewinnenden Stoffes auf dem U-förmigen Träger, der dadurch verdickt wird, ein besonders hochgereinigtes Halbleitermaterial.

Die Schenkel und die Brücke können auch aus einem Halbleiterteil bestehen, das dadurch hergestellt wird, daß das Silizium aus einer hochgereinigten gasförmigen Süiziumverbindung auf einem erhitzten, aus reinstem Silizium bstehenden Trägerkörper niedergeschlagen wird, wobei das Silizium auf einem dünnen drahtförmigen Träger aufwächst und diesen verdickt. Es wird ein gewendelter Siliziumdraht als Träger verwendet, der sich durch das aufgenommene Silizium zu einem gewundenen Siliziumstab verdickt. Ein Teil dieses Stabes, der durdh eine den gesamten Stab durchwandernde Schmelzzone beliebig gestreckt werden kann, kann als U-förmiger Träger verwendet werden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel zum Herstellen reinsten Halbleitermaterials, insbesondere von Silizium, dargestellt. Das Reaktionsgefäß besteht aus einer Quarzhaube 2 und einer Metallplatte 1, die z. B. mit Wasser gekühlt wird. Die Quarzhaube 2 und die aus Quarz bestehende Trennwand 3 sind mit der Metallplatte 1 vakuumdicht verbunden. Die Trennwand 3 kann aber auch nur aus einer Quarzscheibe bestehen, die auf die Halterungen des oder der Träger aufgesetzt wird. Durch die dann zwischen der Quarzhaube 2 und der Trennwand 3 vorhandene Öffnung können ebenfalls die Abgase in die Vorkammer abströmen. In den eigentlichen Reaktionsraum ragt nur der U-förmige aus Silizium 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 Fig.2 dargestellt, die Brücke 8 auf die beiden oben eingeschlitzten Schenkel aufgelegt sein. Die beiden Schenkel des U-förmigen Trägers sind durch möglichst enge Bohrungen 13 und 14 durch die Trennwand 3 hindurchgeführt. 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 Stromzuführungenil 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 sind durch 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.

Für den Betrieb der Vorrichtung ist es wesentlich, daß die Enden des Trägers während der Abscheidung kühl, d. h. auf einer Oberflächentemperatur, bei der praktisch keine Abscheidung mehr erfolgt, gehalten werden, so daß die Enden während des Abscheidevorgangs nicht oder nur sehr wenig verdickt werden, während der größere zwischen diesen Enden liegende Teil des Trägers auf einer hohen, über einen großen Teil des Stabes im wesentlichen etwa gleichen zur Zersetzung und Abscheidung dienenden Temperatur gehalten wird. Ein Teil der durch den Stromfluß entstehenden Wärme wird an den Stabenden durch die Halterungen abgeführt. Reicht diese Wärmeabfuhr nicht aus, so ist es günstig, um ein Zuwachsen der in der insbesondere aus Quarz bestehenden Trennwand 3 vorgesehenen Öffnungen 13 und 14 zu vermeiden, daß wie in Fig. 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 die Enden des Trägers, insbesondere an den Durchführungen durch die Quarzplatte, mit einer sogenannten Gasschürze, die verhindert, daß die gasförmige Halbleiterverbindung an diese Stellen des Trägers gelangt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Herstellen hochreinen Halbleitermaterials, insbesondere zum Herstellen von Silizium, wird an Hand der Fig. 3 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden alle in die Vorkammer hineinragenden Teile von einem durch die Vorkammer bis in die im wesentlichen nur den Träger 6 enthaltenden Kammer strömenden Gasstrom umspült. Das Gas, insbesondere Wasserstoff, das in das Reaktionsgefäß unmittelbar 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. SiCl₄ oder SiHCl₃. 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 Kammer (Reaktionsraum) abgeführt. Da die Wasserstoffschürze alle durch die Trennwand 3 hindurchgeführten Teile an dieser Stelle umgibt, können keine Abgase mehr in die Vorkammer gelangen, sondern nur das durch das Rohr 16 einströmende Gas. Ein Hauptvorteil der hierbei angewandten Gas- insbesondere Wasserstoffschürze ist, daß die dünnen Stäbe bis in die Vorkammer geführt werden können, ohne daß sie 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 außerdem vermieden, daß der bei der Zersetzung frei werdende Chlorkohlenwasserstoff mit dem Abgas in die Vorkammer gelangt und die dort vorhandenen Metallteile angreift, und somit dotierende Stoffe frei werden können. Auch alle in der Vorkammer vorhandenen Teile, insbesondere die Elektrodenanschlüsse (Halterungen und Stromzuführungen) und jede Gaszu- oder -abführung, sind von der Wasserstoffschürze umgeben, so daß ein Herausdampfen von Verunreinigungen aus den Metallteilen verhindert wird.

Der in der Figur angedeutete Druckring 18 sichert die Verbindung zwischen den einzelnen Teilen des Reaktionsgefäßes. Es ist außerdem gegebenenfalls günstig, den Teil des Gaszuführungsrohrs 4, der in den Reaktionsraum hineinragt, mit einer Quarzhaube 17 abzudecken oder ganz aus Quarz herzustellen und ebenso alle Gasabführungsrohre, soweit sie in den Reaktionsraum hineinragen.

Bei den bisher bekannten Verfahren zum Abscheiden des Siliziums aus der Gasphase erhält man η-leitendes Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 30 Ohm · cm. Die noch vorhandenen Verunreinigungen sind jedoch für die weitere Verarbeitung des Siliziums oft sehr störend. Mit der erfindungsgemiäßen Vorrichtung wird eine erhebliehe Verringerung der im Silizium eingebauten Verunreinigungen erzielt. Man erhält Siliziumstäbe mit einem spezifischen Widerstand von 600 bis 1000 Ohm · cm.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten, insbesondere aus Silizium bestehenden Halbleiterstäbe sind wegen ihrer hohen Reinheit zur Weiterverarbeitung, insbesondere für Transistoren und Riahtleiter, sehr geeignet.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Gewinnung stabförmiger Halbleiterkörper sehr hoher Reinheit mittels welcher der Halbleiterkörper durch thermische Zersetzung einer hochgereinigten gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und Abscheiden des zu gewinnenden Stoffes auf einem oder mehreren stabförmigen, insbesondere einkristalllinen geheizten Trägern gleichen Materials hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum, in dem die thermische Zersetzung und das Abscheiden des zu gewinnenden Stoffes durchgeführt wird, einen U-förmigen Träger enthält und durch eine insbesondere aus Quarz bestehende Wand (3) von einer Vorkammer getrennt ist, die alle übrigen Teile der Anordnung insbesondere die Halterung (9, 10) und die Zuführungen (U, 12) für den Heizstrom des Trägers sowie die metallische Grundplatte (1) des Reaktionsgefäßes enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem U-förmigen Teil besteht, das aus zwei als Ausgangsträger dienenden Schenkel (6, 7) und einer aus dem gleichen ebenfalls hochreinen Halbleiterstoff bestehenden Brücke (8) gebildet ist.

3. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgasgemisch durch das Zuführungsrohr (4) unmittelbar in die im wesentlichen nur den Träger enthaltende Kammer des Reaktionsgefäßes eingeführt wird.

4. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abströmenden Gase durch verhältnismäßig kleine, durch die Armaturen bedingte Öffnungen in die Vorkammer und von dort durch ein in der metallischen Grundplatte (1) angebrachtes Abflußrohr (5) abgeführt werden.

5. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spülgas durch ein Rohr (16) in die Vorkammer eingeführt die abströmenden Gase durch ein Abflußrohr (5) unmittelbar aus der den Träger enthaltenden Kammer abgeführt werden (Fig. 3).

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2556 711.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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