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Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Halbleiterkörpern Zum
Herstellen von Stäben, insbesondere aus hochreinem Silizium, ist es bekannt, einen
langgestreckten, dünnen, an seinen Enden durch Elektroden gehalterten, aus hochreinem
Halbleitermaterial bestehenden Trägerkörper nach einer Vorerwähnung durch einen
über die Elektroden zugeführten elektrischen Strom auf hohe Temperatur zu erhitzen.
Die Siliziumverbindung wird dabei thermisch zersetzt, und das entstehende elementare
Silizium kristallisiert auf dem Träger an und verdickt ihn. Dabei wird der Träger
z. B. durch Strahlung oder mittels Hochspannung zunächst vore:rwärmt und dann durch
elektrischen Strom weiter erhitzt.
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Bisher wurde beim Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase
angestrebt, möglichst große Einkristalle zu erzielen, und gegebenenfalls wurden
die Halbleiterstäbe einem Zonenschmelzverfahren zur Einkristallherstellung unterworfen.
Die Halbleiterkörper für Transistoren, Gleichrichter u. dgl. wurden dann aus dem
Halbleiterstab durch Zersägen gewonnen, was aber einen nicht unerheblichen Verlust
an Halbleitermaterial zur Folge hat.
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Um vor allem diese Verluste möglichst gering zu halten, wird bei der
Herstellung von einkristallinen Halbleiterkörpern zur Verwendung in Richtleitern,
Transistoren u. dgl., bei der der Halbleiterstoff inssondere das Silizium, durch
Zersetzung einer oder mehrerer gas- oder dampfförmiger Verbindungen des Halbleiters,
die, mit einem reduzierenden Gas, insbesondere Wasserstoff, verdünnt, an einem aus
dem gleschen Stoff bestehenden erhitzten Träger entlangströmen, unter kristalliner
Abscheidung des Zersetzungsprodukts auf dem Träger gewonnen wird, erfindungsgemäß
bei Verwendung eines polykristallinen Halbleiterkörpers als Träger die Oberflächentemperatur
des Trägers, die Verdünnung der gasförmigen Verbindung des Halbleiters und die Geschwindigkeit,
mit der das Reaktionsgasgemisch am Träger entlaus strömt, so wählt, daß die Abscheidegeschwindigkeit
auf höchstens etwa 0,03 g/cm2 - h gehalten wird. Auf der Oberfläche des polykristallinen
Trägers wachsen dann mehrere kleine Halbleitereinkristalle auf.
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Es wird also angestrebt, kleine Kristalle zu erzeugen, die man zur
Weiterverarbeitung nicht mehr wesentlich mechanisch bearbeiten muß. Auch hat es
sich gezeigt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kristalle
praktisch keine inneren mechanischen Spannungen aufweisen, die zu Versetzungen führen
und damit die Legierungsbildung erschweren würden. Beim Einlegieren von Elektrodenmaterial
in einen Kristall, dessen Kristallguter Versetzungen aufweist, erhält man Legierungsfronten
mit unregelmäßigen Ausbuchtungen. Dadurch werden die Kennwerte des Halbleiterbauelements
nachteilig beeinftußt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat der hochreine Träger polykristalline
Struktur, insbesondere mit einer durchschnittlichen Kristallgröße von mehreren Millimetern
Durchmesser. Die einzelnen Kristallite des polykristallinen Stabes bilden die Keime
für die Halbleiterkristalle, die während des Verfahrens aufwachsen.
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Die Abscheidung wird unterbrochen, wenn die aufgewachsenen Halbleitereinkristalle
eine für ihre Verwendung in Halbleiterbauelementen ausreichende Größe erlangt haben.
Danach werden diese Einkristalle vom Träger entfernt und zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
verwendet. Man muß natürlich darauf achten, daß das Zusammenwachsen der Einkristalle
weitgehend vermieden wird.
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Das Verfahren hat den Vorteil, daß man eine Vielzahl von Einkristallen
erhält, die nun ohne wesent-liche mechanische Bearbeitung und damit praktisch
ohne Materialverlust zu Halbleiterbauelementen weiterverarbeitet werden können.
Es ist außerdem günstig, daß der Träger nach dem Ablösen der einzelnen aufgewachsenen
Einkristalle wieder für den nächsten Aufwachsvorgang verwendet werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß
die absolute Oberflächentemperatur des Trägers während der Abscheidung weit unter
der Schmelztemperatur des Halbleiters gehalten werden kann, insbesondere bei etwa
zwei Dritteln bzw. drei Vierteln der Schmelztemperatur, bei Silizium also z. B.
auf etwa nur 900 bis 1000°C.
Die Abscheidegeschwindigkeit wird dabei
zweckmäßig auf etwa 0,005 bis 0,012 g/cm2 - h gehalten.
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Die zu zersetzende Halbleiterverbindung durchströmt, in an sich bekannter
Weise mit einem reduzierenden Gas, insbesondere Wasserstoff, vermischt, das Zersetzungsgefäß,
in dem der erhitzte Träger angeordnet ist, mit einer zur Einkristallbildung ausreichenden
geringen Geschwindigkeit. Hierbei ist etwa 1 cm3 der flüssigen Form der Halbleiterverbindung
in Dampfform mit mehreren, insbesondere etwa 5 bis 101 Wasserstoff vermischt. Ausführungsbeispiel
In der Anlage, wie sie zur Abscheidung von Silizium aus der Gasphase verwendet wird,
ist in einem Reaktionsgefäß, dessen Länge etwa 43 cm bei einem Innendurchmesser
von etwa 5,5 cm beträgt, als Träger ein polykristalliner Stab von 20 cm Länge und
1 cm Durchmesser angeordnet. Die beiden Stabhalterungen bilden dabei zugleich die
Stromanschlüsse zum Erhitzen des Trägers auf die Zersetzungstemperatur. Das Silizium
wächst sehr langsam und bei relativ niedrigen Temperaturen auf die polykristalline
Unterlage auf. Die Abscheidegeschwindigkeit ist auf etwa 0,4 g/h eingestellt, das
entspricht, bezogen auf die Staboberfläche von etwa 60 em2, einer Abscheidegeschwindigkeit
von etwa 0,007g/cm-h. Bei dem bisher bekannten Verfahren wird für die gleichen Abmessungen
des Stabes und des Zersetzungsgefäßes eine Abscheidegeschwindigkeit von 4 bis 8
g/h angestrebt. Das sind, auf die Staboberfläche umgerechnet, etwa 0,067 bis 0,134
g/cm2-h, also das Zehn- bis Zwanzigfache der Abscheidegeschwindigkeit gegenüber
dem beanspruchten Verfahren. Die Temperatur des Trägers liegt dabei sehr tief, bezogen
auf die Schmelztemperatur des Halbleitermaterials. Sie liegt für Silizium möglichst
unter 1000°C, etwa bei 900° C, auf alle Fälle aber unter 1100° C.
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An dem erhitzten Stab strömt das Reaktionsgas entlang, das aus einer
mit Wasserstoff stark verdünnten gasförmigen Halbleiterverbindung, z. B. Silicochloroform
(SiHCl3), besteht. In 17 Stunden werden 300 cm3 Silichloroform, vermischt mit 20001
Wasserstoff, an dem Stab entlanggeführt, auf dem sich das Silizium in Form wohlausgebildeter
Kristalle von etwa 2 bis 3 cm Größe abscheidet. Die so aufgewachsenen KristaIlite
zeichnen sich besonders durch eine hohe Lebensdauer der in ihnen fließenden Ladungsträger
aus.
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Durch Zugabe von Dotierungsstoffen zum Reaktionsgasgemisch, z. B.
Antimonchlorid (SbCl3) oder Borehlorid (BCI3), kann man bekanntermaßen homogen dotierte
Einkristalle oder auch durch intermittierende Zugabe von p- bzw. n-dotierenden Stoffen
Einkristalle, die Schichten mit verschiedenem Leitungstyp aufweisen, herstellen.
Die Einkristalle können dann durch Abschleifen weiter zu Halbleiterbauelementen
verarbeitet werden.
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In Fig. 1 ist ein Einkristall dargestellt, wie er auf der polykristallinen
Unterlage aufwächst, aus dem durch Schneiden in der Ebene 1 und durch Abschleifen
der Spitze 2 ein Halbleiterkörper hergestellt werden kann, der die mit ausgezogenen
Linien umrissene Form aufweist. Aus dem Teil 3 des Einkristalls kann natürlich der
gleiche Halbleiterkörper hergestellt worden.
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Aus diesem Halbleiterkörper kann durch Eindiffundieren und Einlegieren
z. B. ein Transistor hergestellt werden, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die Kollektorelektrode
4 ist unter Bildung eines p-n-Übergangs in den Halbleiterkörper 5 einlegiert und
die dünne Basisschicht 6 durch Diffusion hergestellt. 7 sind die linienförmigen
Basiskontakte, die sperrfrei mit der Basisschicht verbunden sind, und S ist die
mit Emitterelektrode, die unter Bildung eines p -n-Übergangs, gegebenenfalls nach
dem Doppeldiffussionsverfahren, in - die Basisschicht 6 einlegiert ist.