DE1193486B - Verfahren zum Herstellen von n-leitendem Silicium - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von n-leitendem Silicium

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DE1193486B DES74391A DES0074391A DE1193486B DE 1193486 B DE1193486 B DE 1193486B DE S74391 A DES74391 A DE S74391A DE S0074391 A DES0074391 A DE S0074391A DE 1193486 B DE1193486 B DE 1193486B
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Description

  • Verfahren zum Herstellen von n-leitendem Silicium Es ist bekannt, elementares hochreines Silicium aus gasförmigem Silicochloroform (SiIHC4), das vorher in hohem Maße gereinigt wurde, herzustellen. Dabei wird gewöhnlich gasförmiges SiHCls im Gemisch mit reinem Wasserstoff mit einem auf Glühtemperatur erhitzten Trägerkörper in. Berührung gebracht, dessen Temperatur so eingestellt ist, daß sich durch Umsetzung des Reaktionsgases auf dem Trägerkörper elementares Silicium in kristallinem Zustand niederschlägt. In den meisten Fällen besteht der Träger selbst aus Silicium. Will man dotiertes Silicium herstellen, so werden dem Reaktionsgas bestimmte, an sich bekannte Mengen von Störstellen erzeugenden Stoffen, insbesondere von Denatoren und Akzeptoren beigemischt, welche sich entsprechend ihrer in der Gasphase anwesenden Konzentration in dem sich abscheidenden Silicium einbauen. Eine hohe Reinheit der Ausgangsmaterialien bildet dabei die Grundlage einer definierten Dotierung und damit definierter elektrischer Eigenschaften des erhaltenen Siliciums.
  • Handelsübliches Siliciumchloroform ist zwar in den meisten Fällen bereits hochgereinigt. Es enthält aber jedoch immer noch beträchtliche Mengen an dotierenden Stoffen. Stellt man aus einem solchen SiHC13 Silicium her, so wird man in den meisten Fällen zu einem n -leitenden Material gelangen, obgleich im allgemeinen auch Akzeptorverunreinigungen nachweisbar sind. Im einzelnen I"äßt sich dabei folgendes feststellen.
  • Wird eine vorgegebene Menge an handelsüblichem SiHCl" zur kontinuierlichen Verdampfung gebracht und das hierbei entstehende Reaktionsgas zur Abscheidung von kristallinem Silicium auf einem Träger verwendet, dessen Temperatur nicht über dem Schmelzpunkt von Silicium eingestellt ist, so beobachtet man immer, daß die zuerst abgeschiedenen Schichten einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand als die später abgeschiedenen Siliciumschichten besitzen, während der Leitungstyp des abgeschiedenen Materials durchweg n-leitend bleibt. Verwendet man extrem hochreines SiHCls, das man vorher mit geringen Mengen an PC13 oder PC15 versetzt hat, zur Siliciumabscheidung, so beobachtet man an dem erhaltenen Silicium ein ähnliches Verhalten des spezifischen Widerstandes, wie es in den meisten Fällen bei Verwendung von handelsüblichem SiHC13 festgestellt werden kann. Hochreines SiHCIs, welches dagegen mit anderen Verunreinigungen versetzt ist, läßt ein ähnliches Verhalten des aus ihm abgeschiedenen Siliciums nicht in merkbarem Ausmaß erkennen. Dasselbe gilt von technischem, noch im hohen Maße verunreinigungshaltigem SiHCls sowie einem SiHCla, das bis an die Grenze des Möglichen gereinigt wurde. Dies läßt vermuten, daß die in handelsüblichem SiHC4 noch vorhandenen, n-Lei tung erzeugenden Verunreinigungen mindestens zum großen Teil Phosphorverbindungen, insbesondere Phosphorchloride sind. Daneben lassen sich auch noch p-Leitung erzeugende Borchloride nachweisen.
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von n -leitendem Silicium mit konstantem spezifischem Widerstand aus einem durch allmähliches Abdampfen von donatorhaltigem flüssigem S1HC4 enthaltenden Verdampfergefäß unmittelbar in ein. Reaktionsgefäß eingeleiteten Reaktionsgas, das an der erhitzten festen, Oberfläche eines in dem Reaktionsgefäß angeordneten, insbesondere aus Silicium bestehenden Trägerkörpers unter Ankristal lisation von frei werdendem Silicium an der Oberfläche des Trägerkörpers thermisch umgesetzt wird. Gemäß der Erfindung werden dabei dem Reaktionsgas entweder gasförmige Phosphorchloride in. mit wachsender Dauer der Abscheidung abnehmender Menge oder gasförmige, Akzeptoren hervorrufende Verbindungen, z. B. BCIa in mit wachsender Dauer der Abscheidung zunehmender Menge zugeführt.
  • Unter technischem SiHCl. wird das bei der SiHCls Herstellung, die gewöhnlich durch Einwirken von gasförmigem HCl auf technisches Silicium bei etwa 400° C vorgenommen wird, entstehende Rohprodukt verstanden. Ein derartiges SiHCls würde zu einem Silicium führen, dessen Verunreinigungsgehalt so groß ist, daß zwar der spezifische Widerstand praktisch durchweg homogen ist, daß aber andererseits eine Verwendung für Halbleiterzwecke ausgeschlossen ist. Durch mehrmalige Destillation bzw. verschiedene andere in der chemischen Industrie übliche, an sich bekannte Maßnahmen läßt es sich jedoch so weit reinigen, daß ein Nachweis von Verunreinigungen durch chemische und auch spektralanalytische Methoden nicht mehr gelingt. Der Reinheitsgrad eines solchen SiHCIs wurde jedoch bisher nicht als ausreichend für Halbleiterzwecke gehalten, so daß man, um Halbleiterbauelemente mit definierten elektrischen Eigenschaften zu erhalten, das aus einem solchen SiHC13 gewonnene Silicium entweder durch tiegelloses Zonenschmelzen bis zum Verschwinden der auf natürlichen Verunreinigungen beruhenden Dotierung reinigte oder eine derait weitgehende Reinigung des SiHCI, vornahmen, daß das erhaltene Silicium einen ähnlich hohen Reinheitsgrad wie das durch Zonenschmelzen erhaltene Silicium aufweist. Diese Reinigungsprozesse sind jedoch sehr aufwendig.
  • Gemäß der Erfindung wird derjenige Anteil der natürlichen Verunreinigungen, die im SiHCl3 nach mehrmaliger Reinigung noch vorhanden sind und die die n-Leitung des aus diesem SiHC13 hergestellten Siliciums hervorrufen, mit als Dotierung verwendet. Dabei ist die Tatsache zu berücksichtigen, daß sich der Gehalt des Reaktionsgases an diesen natürlichen Dotierungssubstanzen auf Grund eines Destillationseffektes allmählich verändert. Falls die Vorreinigung des SiHC4 so weit durchgeführt ist, daß, wie man an Hand von Probeversuchen leicht feststellen kann, die verbleibenden Verunreinigungen das beschriebene Verhalten des spezifischen Widerstandes des abgeschiedenen Siliciums hervorrufen, dann ist auch, wie gemäß der Erfindung erkannt wurde, der totale Gehalt an Verunreinigungen bereits so weit gesunken, daß dieses Silicium ummittelbar für Halbleiterzwecke ohne weitere Reinigung verwendet werden kann. Dadurch wird die Verwendung des Zonenschmelzens zum Zwecke der Reinigung im Anschluß an das Verfahren gemäß der Erfindung überflüssig bzw. in stark eingeschränktem Maße höchstens zur Verbesserung der Kristallstruktur oder zur Korrektur des spezifischen Widerstandes des erhaltenen Siliciums notwendig. Darüber hinaus trägt die Erfindung auch noch der Tatsache Rechnung, daß der Gehalt des zur Siliciumherstellung verwendeten SiHC13 an diesen natürlichen Dotierungsstoffen von der Menge des bereits verbrauchten SiHCI, abhängt und gibt damit die Möglichkeit, die hierdurch bedingten Änderungen des spezifischen Widerstandes, z. B. durch Zugabe von entsprechend gewähltem Dotierungsmaterial, auszugleichen oder auf beliebige Weise reproduzierbar einzustellen.
  • Um festzustellen, in welchem Bereich der n-Dotierung mit einem gegebenen Material gearbeitet werden kann, wird z. B. die in F i g. 1 dargestellte Apparatur verwendet, wobei man den Dampf des in den Verdampfer Y eingefüllten flüssigen SiHCI, über ein Verteilerrohr V, in eine Anzahl parallelgeschalteter Kammern K 1, K2, K3, K4... einleitet, von denen jede mit einem Siliciumkristall S1, S2 ... 54, der auf die auch später beim eigentlichen Abscheidungsverfahren beabsichtigte Temperatur erhitzt wird, bestückt ist.
  • Die Kammern bleiben unterschiedlichen Zeitdauern an die Gasströmung angeschlossen, wobei die erste Kammer abgeschaltet wird, nachdem beispielsweise 10 Volumprozent, die zweite, nachdem beispielsweise 20 Valumprozent des in dem Verdampfer V eingefüllten SiHC4 verbraucht sind, während die letzte Kammer so lange angeschlossen bleibt, bis der letzte Rest an SiHC13 verdampft ist. Es empfiehlt sich auch, die übrigen Abscheidebedingungen bei dem Vorversuch möglichst an die später bei dem eigentlichen Abscheideverfahren beabsichtigten Verhältnisse, insbesondere auch bezüglich der Verwendung eines Trägergases, wie Wasserstoff, anzugleichen.
  • Nach Beendigung des Abscheideverfahrens werden die spezifischen Widerstände an den Oberflächen der auf den verschiedenen Trägern abgeschiedenen Siliciumschichten bestimmt und in Abhängigkeit von den im Zeitpunkt der jeweiligen Beendigung der Abscheidung verbrauchten Volumprozenten an flüssigem SiHCl., im Diagramm aufgetragen. Dabei erhält man bei entsprechendem Reinheitsgrad des SiHCI, eine Abhängigkeit, wie sie in F i g. 2 graphisch dargestellt ist. In. dem in dieser Figur dargestellten Diagramm sind als Abzisse die bereits verbrauchten Volumprozent des zur Verfügung gestellten SiHC4, als Ordinate der Logarithmus des spezifischen Widerstandes dargestellt. Handelsübliches SiHC13 hat in den meisten Fällen das Verhalten, daß der spezifische Widerstand des abgeschiedenen Siliciums mit steigendem Verbrauch an SiHCl, abnimmt.
  • So ermittelt man aus handelsüblichem SiHC13, das aus technischem Rohsilicochloroform unter Anwendung der bei der Herstellung üblichen Vorreinigungsmethoden gewonnen wurde, im Durchschnitt folgende Werte. Beim Verbrauch von einem Drittel des im Verdampfer eingefüllten SiHC13 erhält man auf den Trägern eine n-leitende Siliciumschicht, deren mittlerer spezifischer Widerstand etwa 500 52 cm beträgt. Verwendet man das zweite Drittel, so sinkt der spezifische Widerstand der aus diesem Drittel hergestellten n-leitenden Siliciumschichten auf etwa 100 52 cm. Der Verbrauch des letzten Drittels führt zu einem n-leitenden Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 15 62 cm. Verfeinert man die Aufteilung, so erhält man qualitativ ein ähnliches Verhalten, während die Zahlenwerte mit zunehmender Verfeinerung der Aufteilung immer größere Unterschiede aufweisen. Teilt man z. B. die im Verdampfer eingefüllte SiHCl3 Menge in Zehntel ein, so erhält das Silicium, das aus dem ersten Zehntel hergestellt ist, einen spezifischen Widerstand von etwa 4000 S2 cm, während das aus der dem letzten Zehntel entsprechenden Fraktion hergestellte Silicium einen spezifischen Widerstand von etwa 0,5 52 cm besitzt.
  • Die F i g. 2 kann aber auch noch folgendermaßen gelesen werden: Wird nur ein geringer Teil des in den Verdampfer eingefüllten SiHCI, verbraucht, so verbleiben die im SiHCI, noch vorhandenen, n-Leitung erzeugenden Verunreinigungen vorwiegend in der flüssigen Phase. Mit zunehmendem Verbrauch des SiHC13 werden in zunehmendem Maße auch solche Verunreinigungen in das verdampfte SiHCl, gelangen, bis schließlich mit dem Rest des SiHC13 auch die höchste Konzentration an solchen Verunreinigungen in das Reaktionsgas gelangt und in das abgeschiedene Silicium eingebaut wird. Bezeichnet man die spezifische Konzentration des zur Verfügung gestellten SiHCI, an solchen Verunreinigungen mit C und die Konzentration, die in dem abgeschiedenen Silicium eingebaut wird, wenn von dem zu verdampfenden SiHC4 der Volumenanteil /3 verbraucht ist, mit C (,B), so wird offensichtlich zu Beginn der Abscheidung C (ß) C Z7, am Schluß der Abscheidung, d. h. wenn der letzte Rest des zur Verfügung gestellten SiHC13 verdampft wird, dagegen C (ß) > C sein. Damit läßt sich aus dem im Verdampfer zur Verfügung stehenden SiHC1, ein Silicium herstellen, welches einen kleineren mittleren Dotierungsgrad besitzt als sie dem Dotierungsgrad des in den Verdampfer eingefüllten SiHC4 entspricht, wenn von dem in den Verdampfer eingefüllten SiHC4 nur so viel verbraucht wird, daß der mittlere, .insbesondere auch der höchste Dotierungsgrad des abgeschiedenen Siliciums kleiner als der mittlere Gehalt des zur Verfügung gestellten SiHC13 an dotierenden Verunreinigungen bleibt. Dementsprechend wird auch der spezifische Widerstand des abgeschiedenen Siliciums um so größer, je geringer das Verhältnis vom verbrauchten, zu dem zur Verfügung gestellten SiHC13 bleibt. Statt dessen kann man auch die Schwankung des spezifischen Widerstandes in der auf dem Träger abgeschiedenen Siliciumschicht festlegen und die Abscheidung so rechtzeitig beenden, daß eine vorgegebene Toleranz eingehalten wird. Die Abscheidung wird dabei in erster Linie auf Grund der verbrauchten Volumenanteile des im Verdampfer eingefüllten SiHCl;, und damit an Hand der bei den bereits beschriebenen Vorversuchen gewonnenen Eichkurve, die der Kurve nach F i g. 2 entspricht, überwacht. Die Ergebnisse einer solchen Eichkurve sind um so verbindlicher für den endgültigen Abscheidevorgang, je besser die Abscheidungstemperatur und das Trägergas beim endgültigen Abscheidungsvorgang den während der Vorversuche angewendeten Bedingungen entsprechen. Es wird ohne weiteres verständlich, daß man auch dicke Siliciumschichten mit beliebiger Gleichmäßigkeit ihrer spezifischen Wider- ; stände niederschlagen kann, wenn man die Menge an zur Verfügung gestelltem SiHC13 entsprechend groß wählt.
  • Es ist aber auch möglich, die Eichkurve, des verwendeten SiHC13 die natürlich, statt die spezifischen Widerstände bzw. Leitfähigkeiten als Ordinate zu verwenden, auch auf spezifische Dotierungskonzentrationen des abgeschiedenen Siliciums umgerechnet werden kann, bei der Zugabe zusätzlicher Dotierungsmittel zu berücksichtigen, insbesondere zu dem Zweck, gleichförmig dotierte Siliciumschichten auf dem Träger zu erhalten. Hierzu werden Dotierungsstoffe am besten erst dem Reaktionsgas nach seiner Herstellung in gasförmigem Zustand und nicht dem flüssigem Siliciumchloroform zugemischt, wobei bevorzugt gasförmige Phosphorchloride, PCl, oder PCls, Verwendung finden. Es bereitet auf Grund der Eichkurve keine Schwierigkeiten, den Gehalt dieser Dotierungsstoffe so zu bestimmen, daß die Dotierungskonzentration in dem abgeschiedenen Silicium konstant bleibt, wozu bei Dotierungsstoffen mit Donatoreigenschaften die Menge an Dotierungsstoff mit steigendem Verbrauch an SiHCls sukzessive erniedrigt, bei Verwendung von Akzeptoren, z. B. BCI3, entsprechend erhöht werden muß.
  • Teilt man. eine im Verdampfer zur Verfügung gestellte Menge an SiHCl3 mit der entsprechend der Lehre der Erfindung zu verwendenden Reinheit in Fraktionen ein, die nacheinander zur Verdampfung gebracht werden, so entsprechen die verschiedenen Fraktionen, je nach der Reihenfolge in der sie zur Verdampfung gebracht wurden, einem unterschiedlichen Gehalt an n-Leitung erzeugenden Verunreinigungen. Wenn man das aus den Fraktionen erhaltene Reaktionsgas in getrennten Abscheidungsgängen zur Abscheidung auf verschiedene Träger verwendet, so erhält man auf den einzelnen Trägern Siliciumschichten mit unterschiedlichem mittlerem Verunreinigungsgehalt und. dementsprechend unterschiedlichem spezifischem Widerstand. Dies gilt auch, wenn die zur Verdampfung gebrachten Fraktionen vor ihrer Weiterverwendung kondensiert und gegebenenfalls zusammen mit ihnen entsprechenden. Fraktionen von gleichem Verunreinigungsgehalt, die aus anderen, in gleicher Weise zum fraktionierten Verdampfen und Kondensieren gebrachten SiHC13 Mengen gewonnen wurden, zur Abscheidung einer Siliciumschicht auf einem Träger verwendet werden. Dabei empfiehlt es sich, den Nachlauf sehr reichlich zu machen und eine Kolonne mit möglichst vielen theoretischen Böden zu verwenden und mit guter Wärmeisolation zu arbeiten. Die bei der fraktionierten Destillation einer vorgegebenen flüssigen SiHCI.-Menge erhaltenen Chargen besitzen teils eine genas gere, teils eine größere Konzentration an n-Leitung erzeugenden Verunreinigungen als das zur Herstellung der Chargen verwendete SiHC13. Bezeichnet man die einzelnen Chargen in der Reihenfolge, in der sie aus der angewendeten SiHC4-Menge gewonnen werden, mit fortlaufenden Nummern, so wird der Gehalt der Chargen an solchen Verunreinigungen mit wachsender Chargennummer steigen. Demzufolge erhält man aus den einzelnen Chargen ein Silicium, dessen gemittelter spezifischer Widerstand um so höher ist je niedriger die Chargennummer ist. Ferner ist der Verunreinigungsgehalt der zuerst abdestillierten Charge mit Sicherheit kleiner als der Verunreinigungsgehalt des ursprünglichen SiHCII,. Da außerdem die Eichkurve um so flacher verläuft, je geringer die Konzentration des SiHC13 an solchen n-Leitung erzeugenden Verunreinigungen ist, kann eine Charge um so mehr verbraucht werden, ohne daß dabei der spezifische Widerstand des aus ihr abgeschiedenen Siliciums über einen vorgegebenen Bereich hinausschwankt, je niedriger ihre Chargennummer ist.
  • Wie bereits angedeutet, können einander entsprechende, aus verschiedenen Destillationsprozessen stammende Chargen miteinander vereinigt werden und zur Abscheidung größerer Siliciummengen auf einem Träger verwendet werden. Unter der Voraussetzung, daß für die bei diesen Destillationsprozessen angewendeten SiHCls-Mengen verbindliche Eichkurven vorliegen, bereitet es keine Schwierigkeiten, die bezüglich ihres Verunreinigungsgehaltes einander gleichwertigen Chargen ausfindig zu machen. Durch Verunreinigung von mehreren bezüglich ihres Verunreinigungsgehaltes äquivalenten Chargen aus verschiedenen der beschriebenen Destillätionsprozesse erhält man größere Fraktionen von SiHCls mit abgestuftem Verunreinigungsgehalt, der entweder kleiner oder größer als der des zur Herstellung der Chargen verwendeten SiHCls ist. Es empfiehlt sich dann, von jeder Chargennummer eine Eichkurve aufzunehmen und die Abscheidungsprozesse entsprechend den Aussagen der für die einzelnen Chargennummern verbindlichen Eichkurven zu steuern.
  • Die zur Abscheidung und auch in den Vorversuchen. verwendete Apparatur ist im Prinzip bekannt. Sie besteht zweckmäßig aus Quarz. Die eigentliche Abscheidungsapparatur kann nach dem in F i g. 3 dargestellten Prinzip aufgebaut sein. In dieser Figur bedeutet 1 den mit flüssigem SiHC13 gefüllten Verdampfer, der zweckmäßig mit einer Vorrichtung versehen ist, welche den Verbrauch an SiHCly abzulesen gestattet. Der Verdampfungsprozeß wird zweckmäßig durchgeführt, indem gereinigtes Wasserstoffgas als Trägergas über das im Verdampfer befindliche flüssige SiHCls geleitet wird. Das Reaktionsgas gelangt dann in das eigentliche Abscheidungsgefäß 2, in welchem sich ein oder mehrere, insbesondere stabförmige und aus Silicium bestehende Träger 3 befinden, die durch elektrischen Stromdurchgang auf Abscheidungstemperatur erhitzt werden. Es empfiehlt sich, den Verdampfungsvorgang so vorzunehmen, daß die Flüssigkeit im Verdampfungsgefäß möglichst in Ruhe bleibt oder zumindest keine Zerstäubung dieser Flüssigkeit stattfindet. Insbesondere ist ein heftiges Sieden des SiHCls zu vermeiden.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von n-leitendem Silicium mit konstantem spezifischem Widerstand aus einem durch allmähliches Abdampfen von donatorhaltigem flüssigem Silicochloroform hergestellten und aus dem das flüssige SiHC13 enthaltenden Verdampfergefäß unmittelbar in ein Reaktionsgefäß eingeleiteten Reaktionsgas, das an der erhitzten festen Oberfläche eines in dem Reaktionsgefäß angeordneten, insbesondere aus Silicium bestehenden Trägerkörpers unter Ankristallisation von frei werdendem Silleium an der Oberfläche des Trägerkörpers thermisch umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsgas entweder gasförmige Phosphorchloride in mit wachsender Dauer der Abscheidung abnehmender Menge oder gasförmige, Akzeptoren hervorrufende Verbindungen, z. B. BCls in mit wachsender Dauer der Abscheidung zunehmender Menge zugeführt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verdampfer zur Verfügung gestellte Menge an SiHCls in Fraktionen zur Verdampfung gebracht und das aus den Fraktionen erhaltene Reaktionsgas zur Abscheidung auf unterschiedliche Träger verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verdampfung gebrachten Fraktionen vor ihrer Weiterverarbeitung getrennt kondensiert und - gegebenenfalls nach Vereinigung mit ihnen entsprechenden Fraktionen von etwa gleichem Verunreinigungsgehalt aus ähnlichen Prozessen - zur Abscheidung von Silicium mit gleichmäßigerem Verunreinigungsgehalt verwendet werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1125 207.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1125207A (fr) * 1954-05-18 1956-10-26 Siemens Ag Procédé de préparation de substances très pures de préférence pour emploi comme semi-conducteurs, dispositif pour sa réalisation et produits conformes à ceux obtenus

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1125207A (fr) * 1954-05-18 1956-10-26 Siemens Ag Procédé de préparation de substances très pures de préférence pour emploi comme semi-conducteurs, dispositif pour sa réalisation et produits conformes à ceux obtenus

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