DE1268599B

DE1268599B - Process for the production of monocrystalline rods by growth from the gas phase

Info

Publication number: DE1268599B
Application number: DE19631268599
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Goetz Von Bernuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-03-27
Filing date: 1963-03-27
Publication date: 1968-05-22

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

BOIjBOIj

Deutsche Kl.: 12 g-17/32 German class: 12 g -17/32

Nummer: 1268 599Number: 1268 599

Aktenzeichen: P 12 68 599.3-43File number: P 12 68 599.3-43

Anmeldetag: 27. März 1963 Filing date: March 27, 1963

Auslegetag: 22. Mai 1968Open date: May 22, 1968

Es ist bekannt, Halbleiterstäbe durch Abscheidung von Halbleitermaterial aus einer dieses Material enthaltenden chemischen Verbindung auf eine auf die Zersetzungstemperatur der Verbindung aufgeheizte einkristalline Seele zu erzeugen. Dabei ergeben sich in der Regel polykristalline Stäbe, die erst durch Zonenschmelzen in monokristalline Stäbe umgeformt werden müssen.It is known to produce semiconductor rods by depositing semiconductor material from a material containing this material chemical compound heated to the decomposition temperature of the compound to produce single crystalline soul. As a rule, this results in polycrystalline rods that only come through Zone melts must be transformed into monocrystalline rods.

Im Zusammenhang mit einem derartigen Verfahren wurde auch schon eine geeignet orientierte einkristalline Seele verwendet. Es werden jedoch keine genauere Angaben darüber gemacht, welche besondere Bedingungen eingehalten werden müssen, damit sich das Halbleitermaterial in monokristalliner Form auf der Seele niederschlägt.In connection with such a process, a suitably oriented monocrystalline has already been used Soul used. However, no details are given as to which particular Conditions must be met so that the semiconductor material is in monocrystalline form is reflected on the soul.

Derartige Bedingungen hat ein älterer Vorschlag zum Gegenstand. Danach soll einer z. B. durch Zonenschmelzen gewonnenen Seele durch eine mechanische Bearbeitung die Form eines regelmäßigen sechskantigen Prismas gegeben werden, dessen Achse parallel zur (111)-Richtung des Kristallgitters liegt und von dem eine Kante mit der (221)-Richtung des Kristallgitters zusammenfällt. Wenn man die so gewonnene Seele vor dem Aufwachsen ätzt, läßt sich ein praktisch über die gesamte Stablänge störungsfreies, monokristallines Wachstum erzielen.Such conditions are the subject of an earlier proposal. Then a z. B. by Zone melting obtained soul through a mechanical processing the shape of a regular hexagonal prism whose axis is parallel to the (111) direction of the crystal lattice and one edge of which coincides with the (221) direction of the crystal lattice. When you get the Soul etches before growing up, a practically interference-free, achieve monocrystalline growth.

Die so gewonnenen Stäbe werden durch Schnitte senkrecht zur Stabachse in Scheiben zersägt und diese, zertrennt in weitere Stücke, oder im ganzen zu Halbleiterbauelementen verarbeitet. Dabei wirkt es sich nachteilig aus, daß der von der gezogenen Seele stammende Kern der Fläche einen anderen spezifischen Widerstand hat als das um diesen Kern herum aufgewachsene Material. Dieser Sachverhalt stört vor allem dann, wenn die gesamte Querschnittsfläche für ein einziges Hochleistungsbauelement verwendet werden soll, weil sich dann unterschiedliche Stromdichten ergeben.The rods obtained in this way are sawn into disks by making cuts perpendicular to the rod axis these, divided into further pieces, or processed as a whole into semiconductor components. It works disadvantageous from the fact that the core of the surface originating from the drawn soul is another specific one Has resistance than the material grown around this core. This fact disturbs especially when the entire cross-sectional area is used for a single high-performance component should, because then there are different current densities.

Zweck der Erfindung ist es, einen monokristallinen Stab durch Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase zu gewinnen, der in allen Querschnittsbereichen den gleichen spezifischen Widerstand hat. The purpose of the invention is to make a monocrystalline rod by deposition of semiconductor material of the gas phase, which has the same specific resistance in all cross-sectional areas.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Herstellen einkristalliner Stäbe durch Aufwachsen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium, aus der Gasphase einer dieses Material enthaltenden chemischen Verbindung auf eine auf die Zersetzungstemperatur der Verbindung aufgeheizte einkristalline Seele, die zuvor nach dem gleichen Verfahren gewonnen wurde.The invention thus relates to a method for producing monocrystalline rods by growth of semiconductor material, in particular of silicon, from the gas phase of a material containing this material chemical compound heated to the decomposition temperature of the compound monocrystalline soul that was previously obtained using the same process.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Seele ein prismatischer Stab mit parallel zur (Hl)-Verfahren zum Herstellen einkristalliner Stäbe
durch Aufwachsen aus der GasphaseThe invention is characterized in that the core is a prismatic rod with parallel to the (Hl) process for producing single-crystal rods
by growing out of the gas phase

Anmelder:Applicant:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and Munich, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dipl.-Phys. Götz von Bernuth, 8000 MünchenDipl.-Phys. Götz von Bernuth, 8000 Munich

Richtung liegender Achse dient, der aus der monokristallin aufgewachsenen Randzone eines dickeren Stabes so herausgeschnitten ist, daß sich als Querschnittsfläche ein gleichseitiges Sechseck ergibt, von dem entweder eine Ecke oder die Mitte einer Seite in der (221)-Richtung des Kristallgitters liegt.The direction of the lying axis is used, that of the monocrystalline grown edge zone of a thicker one Rod is cut out so that the cross-sectional area is an equilateral hexagon, of which has either a corner or the center of a side in the (221) direction of the crystal lattice.

Zum Stand der Technik gehört zwar der Vorschlag, für den Abscheidungsprozeß eine einkristalline Seele zu verwenden, die selbst ebenfalls durch Abscheidung von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einen anderen Trägerkörper gewonnen wurde. Mangels eines anderen Hinweises muß man annehmen, daß dieser Trägerkörper nach einem der damals bekannten Verfahren, z. B. durch Kristallziehen aus der Schmelze, durch das Lichtbogenverfahren oder durch Zonenschmelzen hergestellt wurde. Damit läßt sich aber der mit der Erfindung angestrebte homogene Querschnitt des durch Aufwachsen erhaltenen Gesamtstabes nicht erreichen.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand der Figuren erläutert.The prior art includes the proposal to use a monocrystalline core for the deposition process, which core itself was also obtained by deposition of semiconductor material from the gas phase onto another carrier body. In the absence of any other reference, it must be assumed that this carrier body was made by one of the methods known at the time, e.g. B. by crystal pulling from the melt, by the arc process or by zone melting. In this way, however, the homogeneous cross-section of the entire rod obtained by growth, which the invention strives for, cannot be achieved.
Details of the invention are explained below with reference to the figures.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in zwei einander entsprechenden Rissen einen einkristallinen, noch stabförmigen Körper von kreisflächenförmigem Querschnitt, z. B. aus Silicium, wie er aus einem polykristallinen Siliciumstab unter Benutzung eines einkristallinen Keimlings an einem seiner Enden durch einen Zonenschmelzprozeß oder unter Benutzung eines einkristallinen Siliciumkörpers durch Ziehen aus einer Schmelze eines Tiegels jeweils in der (111)-Richtung der Kristallgitterstruktur erzeugt worden ist. An diesem Stab sind auch die jeweils bei der Erzeugung eines solchen Stabes an dessen Oberfläche, um 120° in der Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, sich zeigenden Facetten la wiedergegeben.Figs. 1 and 2 show two corresponding ones Cracks a monocrystalline, rod-shaped body with a circular cross-section, z. B. of silicon, as he would from a polycrystalline silicon rod using a single crystal Seedling at one of its ends by a zone melting process or using a single crystal Silicon body by pulling from a melt of a crucible in each case in the (111) direction the crystal lattice structure has been created. On this rod are also the respective ones during the creation such a rod on its surface, offset from one another by 120 ° in the circumferential direction, itself showing facets la reproduced.

Um einen solchen einkristallinen Stab so vorzubereiten, daß er als ein Niederschlagskörper benutzt werden kann, an welchem in seiner Querschnittsrich-To prepare such a single crystal rod to be used as a precipitation body can be, at which in its cross-sectional direction

809 550/432809 550/432

tung ein einkristallines Aufwachsen weiteren Werkstoffes durch thermische Dissoziation einer als Dampfstrom zugeführten chemischen Verbindung stattfindet, wird der Körper 1 mindestens über denjenigen Teil seiner gesamten Länge, an welchem dieses Aufwachsen stattfinden soll, durch Oberflächenbearbeitung in die Form einer regelmäßigen sechskantigen Säule bzw. eines regelmäßigen Prismas gebracht, von welchem drei seiner um 120° gegeneinander in der Umfangsrichtung versetzten Kanten in den genannten Facettenteilen la liegen, und zwar etwa symmetrisch zu deren beiden seitlichen Begrenzungskanten, wie es die einander entsprechenden Risse nach den F i g. 3 und 4 zeigen, in denen diese regelmäßige sechskantige Säule mit 2 bezeichnet ist.If a monocrystalline growth of further material takes place by thermal dissociation of a chemical compound supplied as a vapor stream, the body 1 is at least over that part of its entire length on which this growth is to take place, by surface processing in the form of a regular hexagonal column or a regular prism brought, of which three of its edges offset from one another by 120 ° in the circumferential direction lie in said facet parts la , approximately symmetrically to their two lateral boundary edges, as the corresponding cracks according to FIGS. 3 and 4 show in which this regular hexagonal column is designated 2.

Diese sechskantige Säule wird nunmehr in das Reaktorgefäß gebracht, in welchem an ihr als auf die Zersetzungstemperatur der chemischen Verbindung beheiztem Körper, z. B. indem durch sie als Widerstandskörper ein entsprechender elektrischer Strom hindurchgeschickt wird, das Aufwachsen z. B. weiteren Siliciums durch thermische Dissoziation einer siliciumhaltigen chemischen Verbindung stattfindet. Am Ende dieses Niederschlagsprozesses bzw. Dissoziationsprozesses hat sich dann ein gewachsener einkristalliner Körper 3 nach den einander entsprechenden Rissen der F ig. 5 und 6 aus dem ursprünglichen Kernteil 2, welcher durch Ziehen aus der Schmelze eines Tiegels oder im Verlauf eines Zonenschmelzprozesses erzeugt worden war, und aus dem neuen einkristallinen, aus einer chemischen Verbindung durch deren thermische Dissoziation aufgewachsenen Mantelzonenteil 5 ergeben. Dieser neue Mantelzonenteil 5 ergibt sich an seiner Oberfläche wieder mit der Form eines Prismas bzw. einer regelmäßigen sechskantigen Säule. Die Kanten dieser sechskantigen Säule sind jedoch gegenüber denjenigen des Kernkörpers 2, der noch in seiner Ausgangsform an den Stümpfen 4, an denen kein Material in der Querschnittsrichtung aufwachsen konnte, vorhanden ist, um 30° in der Umfangsrichtung versetzt.This hexagonal column is now brought into the reactor vessel in which it is heated to the decomposition temperature of the chemical compound, z. B. by a corresponding electric current is sent through it as a resistance body, growing z. B. further silicon takes place by thermal dissociation of a silicon-containing chemical compound. At the end of this precipitation process or dissociation process, a grown monocrystalline body 3 has developed according to the mutually corresponding cracks in FIG. 5 and 6 result from the original core part 2, which was produced by drawing from the melt of a crucible or in the course of a zone melting process, and from the new monocrystalline cladding zone part 5 grown from a chemical compound through its thermal dissociation. This new cladding zone part 5 results on its surface again with the shape of a prism or a regular hexagonal column. However, the edges of this hexagonal column are offset by 30 ° in the circumferential direction compared to those of the core body 2, which is still present in its original shape on the stumps 4 on which no material could grow in the cross-sectional direction.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun der Mantelzonenkörper 5 in Körper von der Form sechskantiger regelmäßiger Prismen zerschnitten, welche die Länge des Mantelzonenkörpers 5 haben. Das veranschaulicht in vergrößertem Maßstab gegenüber den vorausgehenden Figuren die F i g. 7 in einer Draufsicht, z. B. auf die obere Stirnfläche von 3 bzw. (4-5) für denjenigen Fall, daß diese Körper 6 mit einem Querschnitt ausgeschnitten werden sollen, der gleich demjenigen des Ausgangskörpers 4 ist. Als Leitkörper für das richtige Legen des entsprechenden Sägeschnittes wird der sechskantige Ausgangskörperstumpf 4 a benutzt. According to the method according to the invention, the shell zone body 5 is now shaped into a body hexagonal regular prisms cut which have the length of the cladding zone body 5. This illustrates on an enlarged scale compared to the preceding figures, FIG. 7 in one Top view, e.g. B. on the upper face of 3 or (4-5) in the event that this body 6 with a cross-section is to be cut out which is the same as that of the starting body 4. as Guide body for the correct placement of the corresponding saw cut, the hexagonal starting body stump 4 a is used.

Es kann jedoch nach der Erfindung auch derart vorgegangen werden, daß die aus der Mantelzone 5 geschnittenen säulenartigen Körper 6 eine kleinere oder eine größere Querschnittsfläche als 4 haben. So veranschaulicht z.B. die Fig. 8 das Ausschneiden säulenartiger Körper 7 mit einem gegenüber dem Querschnitt des Ausgangskörpers von 4 bzw. 4 a senkrecht zur Längsachse kleinerem Querschnitt.According to the invention, however, it is also possible to proceed in such a way that the columnar bodies 6 cut from the jacket zone 5 have a smaller or larger cross-sectional area than 4. For example, FIG. 8 illustrates the cutting out of columnar bodies 7 with a smaller cross section than the cross section of the starting body of 4 or 4 a perpendicular to the longitudinal axis.

Diese Körper 6 bzw. 7 werden nach diesem Schneiden durch einen Schleif- oder/und Ätzbehandlungsprozeß in die Form des regelmäßigen sechskantigen Prismas gebracht, auf welchem als Niederschlags-Ausgangskörper nunmehr wieder durch thermische Dissoziation aus einer chemischen gas- bzw. dampfförmigen Verbindung reiner Halbleiterwerkstoffe durch Niederschlag in der Querschnittsrichtung des einkristallinen Stabes aufgewachsen werden kann.These bodies 6 and 7 are after this cutting by a grinding and / or etching treatment process brought into the shape of the regular hexagonal prism, on which as a precipitation starting body now again by thermal dissociation from a chemical gas or vapor Connection of pure semiconductor materials by precipitation in the cross-sectional direction of the single crystal rod can be grown.

Das gesamte Volumen eines so gewonnenen Stabes ist nun nach dem gleichartigen einkristallinen Aufwachsprozeß erzeugt worden. Aus diesem Stab können nunmehr senkrecht zu seiner Längsachse plattenförmige Halbleiterkörper geschnitten werden, welche praktisch mit der gesamten Querschnittsfläche des Stabes ausgenutzt und z. B. für Dioden und Thyristoren verwendet werden können. Es ist damit die Gewähr gegeben, daß diese Halbleiterkörper über ihre gesamte Querschnittsfläche in der Durchlaßrichtung des Stromes einer solchen Halbleiteranordnung zwischen ihren Elektroden mit gleichmäßiger Aufteilung des gesamten Stromes auf ihre Querschnittsflächeneinheit arbeiten und diese Gleichmäßigkeit der spezifischen Belastung somit eine hohe Belastbarkeit der steuerbaren Halbleiterelemente bestimmt. Das ist offensichtlich ein wesentlicher Fortschritt gegenüber denjenigen plattenförmigen Halbleiterkörpern, welche bei gleichartiger Entstehung ihrer einkristallinen Struktur sonst nur gemäß F i g. 6 aus der Mantelzone 5 geschnitten werden könnten, oder wofür ein Aufwachsprozeß an einem Stab gemäß den F i g. 5 und 6 von wesentlicher größerer Querschnittsausdehnung bedingt sein würde. The entire volume of a rod obtained in this way is now after the similar monocrystalline growth process has been generated. This rod can now be plate-shaped perpendicular to its longitudinal axis Semiconductor bodies are cut, which practically with the entire cross-sectional area of the Rod exploited and z. B. can be used for diodes and thyristors. So it is the one Guaranteed that these semiconductor bodies over their entire cross-sectional area in the forward direction of the current of such a semiconductor arrangement between its electrodes with an even distribution of the entire flow work on their unit cross-sectional area and this uniformity the specific load thus determines a high load capacity of the controllable semiconductor elements. This is obviously a significant advance compared to those plate-shaped semiconductor bodies, which otherwise only according to FIG. 6 off the cladding zone 5 could be cut, or for what a growth process on a rod according to the F i g. 5 and 6 would be caused by a significantly larger cross-sectional dimension.

Claims

Patent claims:

1. Process for producing single-crystal rods by growing semiconductor material, in particular of silicon, from the gas phase of a chemical compound containing this material on a monocrystalline core heated to the decomposition temperature of the compound, which was previously obtained by the same process, characterized in that as Soul is a prismatic rod with a parallel to the (111) direction of the crystal lattice Axis is used, which from the monocrystalline grown edge zone of a thicker rod so is cut out that the cross-sectional area is an equilateral hexagon from which either a corner or the center of a side in the {221} direction of the crystal lattice.

2. The method according to claim 1, characterized in that from a single thicker one Several hexagonal souls with the same cross-sectional area can be cut out from the rod.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1102117.

1 sheet of drawings