DE1251283B - Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen einer Vielzahl von einkristallinen Halbleiterkörpern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOIj

Deutsche Kl.: 12 g-17/32

Nummer: 1 251 283

Aktenzeichen: M 50602 IV c/12 j

Anmeldetag: 16. Oktober 1961

Auslegetag: 5. Oktober 1967

In der Halbleitertechnik ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Germaniumschicht auf einen Germaniumkörper bekannt, bei welchem man über den in einer Kammer angebrachten Körper ein Germaniumhalogenid in Gasform leitet, wobei man die Kammer nebst Inhalt derart erhitzt, daß eine thermische Zersetzung des Halogenids stattfindet. Offensichtlich läßt sich dasselbe Verfahren auch für die Abscheidung anderer Halbleitermaterialien einschließlich von A_ni-B_v-Verbindungen und anderen halbleitenden Verbindungen anwenden.

Die beim bekannten Verfahren verwendete Apparatur besteht aus einem Quarzrohr, in welches von der einen Seite her die den Halbleiter liefernden Reaktionsgase, z. B. ein Gemisch aus Germaniumjodiden und Wasserstoff, eingeführt werden, alsdann über die im Innern des Rohres an dessen Boden angeordneten scheibenförmigen einkristallinen Germaniumkörper geführt werden und schließlich am anderen Ende des Rohres die Apparatur verlassen. Das Reaktionsrohr ist von den Windungen eines elektrischen Widerstandsheizers umgeben, dessen' Windungen in unterschiedlicher Weise von elektrischen Strömen durchflossen werden können. Auf diese Weise können die Germanium- oder sonstigen Halbleiterkristalle, welche mit einer Halbleiterschicht aus der Gasphase zu beschichten sind, erhitzt werden, so daß sie ihrerseits in der Lage sind, die für die Abscheidung erforderliche Wärme an das Reaktionsgas abzugeben. Das Verfahren ist vor allem dazu geeignet, einkristalline, epitaktische Schichten aus Halbleitermaterial auf einkristallinem Grundkörper des gleichen Materials zu erzeugen, wobei in der Regel das Verfahren zu dem Zweck angewendet wird, um Halbleiterschichten mit elektrischen Eigenschaften zu erzeugen, die von denen des Grundkörpers abweichen.

Bei dem bekannten Verfahren wirkt es sich als nachteilig aus, daß auch das Reaktionsgefäß sich auf hoher Temperatur befindet, was einerseits das Auftreten von unerwünschten Verunreinigungen durch aus den Wänden des Reaktionsgefäßes abdampfende Verunreinigungen, als auch zu einer unerwünschten Abscheidung von Halbleitermaterial an den Wänden des Reaktionsgefäßes führen kann.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen einer Vielzahl von einkristallinen Halbleiterkörpern mit mehreren durch eine Übergangszone getrennten Schichten unterschiedlichen Leitungstyps und/oder unterschiedlicher Leitfähigkeit durch Abscheiden von aktive Verunreinigungen enthaltendem Halbleitermaterial aus Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen einer
Vielzahl von einkristallinen Halbleiterkörpern

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
George Krsek, Los Angeles, Calif.;
Walter Charles Benzing,
Mountainside, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Oktober 1960 (65 100), vom 31. Januar 1961 (86 239)

einem Reaktionsgas, welches gasförmige Verbindungen des Halbleitermaterials und aktive Verunreinigungen enthält, die geeignet sind, in der sich abscheidenden Schicht eine von derjenigen der zu beschichtenden Halbleiterscheiben verschiedene Dotierung zu erzeugen, und schichtenweises Niederschlagen auf eine Vielzahl von auf die Abscheidetemperatur erhitzten einkristallinen Halbleiterscheiben vorgegebener Dotierung, über die das Reaktionsgas mit turbulenter Strömung in einem Reaktionsgefäß geleitet wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Halbleiterscheiben auf einem als Halterung dienenden und durch direkten Stromdurchgang zu beheizenden Träger angeordnet sind.

Ebenso wie bei bekannten Verfahren zur Herstellung von stabförmigen Halbleitereinkristallen, insbesondere von Silicium, durch thermische Zersetzung oder Reduktion auf einen erhitzten, aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehenden einkristallinen Trägerkörper wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Trägerkörper als Abscheidungsgrundlage für das aus der Gasphase anfallende Halbleitermate-r rial hoch erhitzt, ohne daß die Trägerkörper unmittelbar auf der Wandung des Reaktionsgefäßes aufliegen und die erforderliche Wärme durch die Wandung des Reaktionsgefäßes durch Strahlung oder Wärmeleitung zugeführt werden muß. Ebenso wird auch das Reaktionsgas turbulent über die Oberfläche des Trägerkörpers geführt. Andererseits aber werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zu beschichtenden Trägerkörper nicht unmittelbar vom

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elektrischen Strom durchflossen, so daß eine Kontaktierung der Trägerkörper nicht erforderlich ist. Vielmehr dient ein besonders für diesen Zweck vorgesehenes Heizelement dieser Aufgabe, und es besteht keine Schwierigkeit, dieses Heizelement so auszugestalten, daß es einerseits die Reinhaltung des herzustellenden Halbleitermaterials nicht beeinträchtigt, während es andererseits so ausgestaltet werden kann, daß die niederzuschlagenden Schichten mit höchstem Gleichmaß bezüglich ihrer Stärke über ihre gesamte Ausdehnung anfallen. Zu diesem Zweck ist in einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung der Träger mit Ausnehmungen versehen, deren Größe den Abmessungen der zu beschichtenden Halbleiterscheiben entspricht und in denen die einzelnen Scheiben während des Abscheidungsprozesses eingelegt sind.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen. Dabei ist in Fig. 1 und 2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Sie besteht aus einer Glocke 10, die abdichtend mit der Grundplatte 11 verbunden ist und mit ihr zusammen eine geschlossene Reaktionskammer bildet. Eine geeignete Anzahl von elektrisch leitenden Trägern 12 von verhältnismäßig hohem spezifischem Widerstand, welche Fassungen 13 für die Platten 14 aufweisen, ist in der Glocke angeordnet. Die Träger 12 sind an ihren unteren Enden in die elektrisch leitenden Klemmen 15 eingesetzt, und zwischen den Trägern ist eine elektrisch leitende Brücke 16 vorgesehen. Elektrische Leitungen 17 führen von den elektrisch leitenden Klemmen 15 über die Anschlüsse 18 zu einer (nicht dargestellten) elektrischen Stromquelle, die auf diese Weise angeschlossen werden kann, um einen elektrischen Strom durch die Träger 12 fließen zu lassen, so daß diese erhitzt werden. Eine Eintrittsöffung für die Reaktionsgase ist mit einer Düse 19 versehen, die über der Grundplatte 11 ins Innere der durch die Glocke 10 gebildeten Reaktionskammer hineinragt. Die Austrittsöfföffnung 21 erstreckt sich durch die Grundplatte 11 hindurch und dient zum Abzug der verbrauchten Reaktionsgase aus der Kammer. Die Düse 19 steht durch die Grundplatte 11 hindurch mit der Leitung 22 in Verbindung. Die Leitung 22 ist an die Vorratsbehälter für die in die Reaktionskammer einzuführenden Dämpfe angeschlossen. Leitung 23 verbindet die Leitung 22 mit einem Vorratsbehälter für ein Trägergas 24. Leitung 25 verbindet die Leitung 22 mit einem Vorratsbehälter für das dampfförmige Ausgangsgut für das Halbleitermaterial 26. Leitung 27 verbindet die Leitung 22 mit einem Vorratsbehälter für die Atome der aktiven Verunreinigung 28, und Leitung 29 verbindet die Leitung 22 mit einem Vorratsbehälter für ein Spülgas 30. Die Ventile 31, 32, 33 und 34 dienen zum Öffnen und Schließen der einzelnen Leitungen.

Die Anwendung der Vorrichtung wird folgendermaßen durchgeführt: Die Träger 12 bestehen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff von hohem spezifischem Widerstand, der durch den Stromdurchgang erhitzt wird. Hierfür eignen sich Stoffe, wie Silicium, leitende keramische Stoffe, wie Siliciumcarbid, Graphit, hitzebeständige Metalle, wie Tantal, Molybdän cder Titan. Natürlich müssen die Träger aus einem Werkstoff bestehen, der keine Verunreinigungsatome enthält oder doch wenigstens in das System keine Verunreinigungsatome einführt. Die Abmessungen der Träger sollen ausreichen, damit in ihrer Oberfläche Fassungen oder Aufnahmebehälter für die zu behandelnden Platten angebracht werden können. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden normalerweise mehrere Aufnahmebehälter verwendet, die z. B. einen Durchmesser von je 25,4 mm und eine Tiefe von je 1,27 mm aufweisen können. Die Platten 14 können in beliebiger geeigneter Weise, z. B. durch Abschneiden von im Handel erhältlichen, durch Zonenraffination hergestellten Halbleiter-Einkristallen, hergestellt werden. Die Platten werden derart geschnitten, daß die Oberfläche der zu behandelnden Platte in einer bestimmten kristallographischen Ebene orientiert ist. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist die kristallographische Ebene an der Oberfläche der zu behandelnden Platte eine (lll)-Ebene. Man kann auch andere Orientierungen von Ebenen anwenden, auf denen das Kristallwachstum stattfindet, z.B. (100), (110), (211). Die Oberfläche der Platte, auf der das Kristallwachstum stattfindet, wird durch Schleifen, Polieren und Ätzen sorgfältig vorbereitet.

Die einzelnen Platten werden in die entsprechenden Aufnahmebehälter 13 in den Trägern 12 eingesetzt und die Träger in der Reaktionskammer angeordnet.

Die Träger 12 mit den Platten 14 werden in die Klemmen 15 in der Reaktionskammer 10 eingesetzt, worauf sie durch die elektrisch leitende Brücke 16 verbunden werden. Nun werden die Träger erhitzt, indem die (nicht dargestellte) elektrische Stromquelle an die Anschlüsse 18 angeschlossen wird, so daß der elektrische Strom durch die Träger 12 und die Brücke 16 fließt. Hierdurch werden die Träger 12 erhitzt. Da Silicium einen negativen Widerstand-Temperatur-Koeffizienten hat und daher in der Kälte dem Durchgang der elektrischen Energie einen hohen Widerstand entgegensetzt, werden Siliciumträger vorzugsweise zu Anfang z. B. durch eine durch die Wandungen der Reaktionskammer hindurch wirkende Quelle strahlender Energie erhitzt. Aus Gründen der Einfachheit ist diese Wärmequelle in F i g. 1 fortgelassen.

Durch fortgesetztes Erhitzen der Träger 12 werden die Platten 14 infolge der Wärmeleitung ebenfalls erhitzt. Durch diese Art der Erhitzung wird dem wichtigen Erfordernis Rechnung getragen, daß die Platten in der Reaktionskammer gleichmäßig erhitzt werden.

Der Stromfluß wird fortgesetzt, bis die Platten zunächst auf eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 1250° C erhitzt sind. (Alle hier angegebenen Temperaturen wurden durch Beobachtung der Platten mit Hilfe eines optischen Pyrometers bestimmt.) Nun wird das Ventil 31 geöffnet, so daß Trägergas durch die Leitungen 23 und 22 und die Düse 19 ins Innere der Reaktionskammer in Form eines freien Gasstrahles einströmt, wobei Turbulenz des Gases in der Reaktionskammer entsteht.

Als Trägergas wird Wasserstoff verwendet.

Nach einer zur Erzeugung einer reinen Oberfläche ausreichenden Zeitspanne, normalerweise 30 Minuten bis 1 Stunde, wird die Temperatur der Platten auf eine solche Höhe eingestellt, daß eine thermische Zersetzung des dampfförmigen Ausgangsgutes für Halbleiteratome stattfindet. Bei Verwendung von Silicochloroform beträgt die günstigste Temperatur der Keimkristalle etwa 117O⁰C. In der nächsten

Verfahrensstufe wird das Trägergas, nämlich der Wasserstoff, der aus dem Vorratsbehälter 24 ausströmt, mit Silicochloroform aus dem Vorratsbehälter 26 gemischt, indem das letztere durch das Ventil

32 in die Leitung 22 eingeführt wird. Der Wasserstoff mischt sich mit dem Silicochloroform, und das Gemisch wird durch die Leitung 22 und die Düse 19 in die Reaktionskammer 10 eingeleitet. Gleichzeitig werden in allen denjenigen Fällen, in denen die in Entstehung begriffene Schicht eine aktive Verunreinigung enthalten soll, entsprechende Mengen eines dampfförmigen Ausgangsgutes für Atome der betreffenden aktiven Verunreinigung aus dem Vorratsgefäß 28 durch Leitung 27 und Ventil

33 dem Strom aus Wasserstoff und Silicochloroform in der Leitung 22 beigemischt.

Etwa 240 g Silicochloroform je Stunde werden von einem Gesamtgasstrom von 5,5 l/Min, durch das Reaktionsgefäß mitgeführt. Dieses Gemisch führt zu einem Molverhältnis von Silicochloroform zu Wasserstoff von etwa 0,12. Unter diesen Bedingungen werden etwa 11g Silicium je Stunde abgeschieden.

Die Abscheidung wird fortgesetzt, bis die aus der Dampfphase niedergeschlagene Schicht die gewünschte Dicke erreicht. Der entstandene Halbleiterkörper kann dann zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, oder es können weitere Schichten von unterschiedlichen Leitfähigkeiten darauf erzeugt werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen einer Vielzahl von einkristallinen Halbleiterkörpern mit mehreren durch eine Übergangszone getrennten Schichten unterschiedlichen Leitungstyps und/oder unterschiedlicher Leitfähigkeit durch Abscheiden von aktive Verunreinigungen enthaltendem Halbleitermaterial aus einem Reaktionsgas, welches gasförmige Verbindungen des Halbleitermaterials und aktive Verunreinigungen enthält, die geeignet sind, in der sich abscheidenden Schicht eine von derjenigen der zu beschichtenden Halbleiterscheiben verschiedene Dotierung zu erzeugen, und schichtenweises Niederschlagen auf eine Vielzahl von auf die Abscheidetemperatur erhitzten einkristallinen Halbleiterscheiben vorgegebener Dotierung, über die das Reaktionsgas mit turbulenter Strömung in einem Reaktionsgefäß geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Halbleiterscheiben auf einem als Halterung dienenden und durch direkten Stromdurchgang zu beheizenden Träger angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mit Ausnehmungen versehen ist, deren Größe den Abmessungen der zu beschichtenden Halbleiterscheiben entspricht.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß senkrecht und der als Halterung dienende Träger annähernd senkrecht, vorzugsweise mit einer geringen Neigung angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen so tief ausgebildet sind, daß die Oberseite der zu beschichtenden Halbleiterscheiben mit der Oberfläche des Trägers abschließt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch Strahlung vorheizbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 865 160;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 041 700,
048 638, 1 057 845, 1 061 593.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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