DE1286512B

DE1286512B - Verfahren zur Herstellung von insbesondere stabfoermigen Halbleiterkristallen mit ueber den ganzen Kristall homogener oder annaehernd homogener Dotierung

Info

Publication number: DE1286512B
Application number: DE1963S0087768
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Dietrich; Eckardt; Belfi Renato
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-10-08
Filing date: 1963-10-08
Publication date: 1969-01-09
Also published as: CH432479A; NL6406894A; GB1031494A; AT253566B

Description

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Zum Herstellen von reinstem Silicium ist ein Ver- man beispielsweise durch die Einstellung der Temfahren bekannt, bei dem eine Siliciumverbindung in peraturverhältnisse in der Hand. Ein niedriger Dotier-Gasform thermisch unter Bildung von freiem Silicium grad z.B. wird erreicht, wenn die Verbindung des zersetzt und das aus der Gasphase anfallende Silicium Dotierstoffes auf einer Temperatur gehalten wird, auf einen erhitzten Siliciumträgerkörper abgeschieden 5 bei der der Dampfdruck der Verbindung klein ist. wird. Dabei wird ein langgestreckter, draht- oder Wird bei sonst konstantbleibenden Bedingungen

fadenförmiger Trägerkörper aus Silicium mit einem die dem Reaktionsraum zuzuführende Menge an gas-Reinheitsgrad, der mindestens dem Reinheitsgrad des förmiger Verbindung des Halbleitermaterials erhöht, zu gewinnenden Siliciums entspricht, verwendet; der z. B. kontinuierlich, wird auch der aus der Zu-Trägerkörper wird zunächst vorgewärmt und an- io führungsleitung abgezweigte Teil der Verbindung schließend zur Durchführung des Abscheidevorgan- des Halbleitermaterials proportional vergrößert, so ges durch direkten Stromdurchgang weiter erhitzt daß auch die in der Abzweigung mitgeführte Menge und auf Reaktionstemperatur gehalten. der gasförmigen Verbindung des Dotierstoffes proin einer Abänderung des Verfahrens werden zum portional vergrößert wird. Dadurch läßt sich das Ver-Herstellen dotierten Siliciums während der Reaktion 15 fahren gemäß der Erfindung vor allem in wirtschaftaus der Gasphase Zusatzstoffe, die Störzentren her- licher Hinsicht besonders vorteilhaft gestalten. Die zu vorrufen, beispielsweise Donatoren, Akzeptoren, zersetzende, gasförmige Verbindung des Halbleiter-Haftstellen oder Rekombinationszentren, aus der Gas- materials kann nun dem Reaktionsraum in nach phase niedergeschlagen. Maßgabe des Kristallwachstums zunehmender Menge

In eingehenden Untersuchungen wurde gefunden, 20 zugeleitet werden, ohne daß die geringste Inhomodaß zur Herstellung von Halbleiterkristallen durch genität in der Dotierung des herzustellenden Kristalls thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung befürchtet werden muß.

des Halbleitermaterials und des Dotierstoffes in einem Zweckmäßigerweise kommt die gasförmige Verbin-

Reaktionsraum und Abscheiden des Halbleiterma- dung des Halbleitermaterials jeweils in einer auf terials und des Dotierstoffes auf einen oder mehrere, 25 einen konstanten Wert verdünnten Form zur Anwenim Reaktionsraum angeordnete, geheizte Trägerkör- dung. Beispielsweise ist Wasserstoff als Verdünnungsper, insbesondere auf einkristalline, langgestreckte gas angebracht.

Trägerkörper aus dem gleichen Halbleitermaterial, Durch den eingeschalteten Strömungswiderstand,

wobei die gasförmige Verbindung des Halbleiter- der sowohl fest eingestellt, also z.B. Kapillarform materials mit Wasserstoff als Trägergas im Reaktions- 30 haben, als auch insbesondere einstellbar sein kann, raum kontinuierlich, vorzugsweise in nach Maßgabe läßt sich der erwünschte Dotiergrad im jeweils herzudes Kristallwachstums-zunehmender Menge, züge- stellenden Kristall besonders einfach einstellen, führt wird und wobei ein die Verbindung des Dotier- Der Strömungswiderstand 2 wird, wie aus der

stoffes enthaltendes Gefäß der Zuführung der gasför- Fig. 1 ersichtlich, in die Leitung 1 eingebaut, die zur migen Verbindung des Halbleitermaterials zum Re- 35 Zuleitung der gasförmigen Verbindung des Halbleiteraktionsraum dienenden Leitung parallel geschaltet materials zum Reaktionsraum dient. Beispielsweise wird und ein Teil der gasförmigen Verbindung des wird zur Herstellung von Siliciumkristallen ein SiIi-Halbleitermaterials abgezweigt und durch das Gefäß ciumhalogenidgas, etwa Silicochloroform oder SiIimit der Verbindung des Dotierstoffes geleitet wird, ciumtetrachlorid, symbolisiert durch den Pfeil 3, aus eine über den ganzen Halbleiterkristall homogene 40 einem in der Figur nicht dargestellten Gefäß, das oder annähernd homogene Dotierung erzielt werden durch einen Thermostaten auf annähernd konstanter kann, wenn—wie erfikdüngsgemäß vorgesehen ist—A '-Temperatur gehalten wird, durch die Zuführungsdie Höhe der Dotierung durch Einschaltung eines ein- leitung 1 dem in der Figur ebenfalls nicht dargestellstellbaren Strömungswiderstandes in dem zu dem Ge- ten Reaktionsraum zugeführt. Zweckmäßigerweise faß mit der Verbindung des Dotierstoffes parallel- 45 kommt die gasförmige. Verbindung des Halbleiterliegenden Abschnitt der Zuführungsleitung eingestellt materials mit einer konstanten Menge Wasserstoffgas und konstant gehalten wird. verdünnt zur Anwendung. Der Zuführungsleitung 1

In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungs- der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials gemäßen Verfahrens werden die gasförmigen Verbin- wird das Gefäß 4 mit der Verbindung des Dotierdungen auf konstanter öder annähernd konstanter 50 stoffes, z.B. Phosptortrichlorid, parallel geschaltet, Temperatur gehalten. Durch diese Maßnahme reißt die ebenfalls durch einen nicht dargestellten Thermodie das Gefäß mit der Dotierungsstoffverbindung staten auf konstanter oder annähernd konstanter durchströmende, gasförmige Verbindung des Halb- Temperatur gehalten wird. Auf Grund der Konstantleitermaterials stets eine konstante, der durchgeström- haltung der Temperatur wird über der Verbindung ten Menge des Gases proportionale Menge an gas- 55 des Dotierstoffes 6 im Gefäß 4 ein konstanter Dampfförmiger Verbindung des Dotierstoffes aus dem Ge- druck der Verbindung aufrechterhalten. Ein Teil der faß mit. Der Anteil der abgezweigten Verbindung des gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials, des-Halbleitermaterials läßt sich im wesentlichen durch sen Ausmaß hauptsächlich durch den Strömungsdas Querschnittsverhältnis und die Ausbildung der widerstand 2 in der Leitung 1 bestimmt wird, strömt Rohrleitungen einstellen. Soll z. B. ein hoher Dotier- 60 durch das Rohr 5 in das Gefäß 4 und nimmt eine grad im Kristall erzeugt werden, wird beispielsweise proportionale Menge der gasförmigen Verbindung durch einen relativ großen Querschnitt der Abzwei- des Dotierstoffes mit über das Rohr 7 zu dem in der gungsleitung ein großer Teil der gasförmigen Verbin- Figur nicht dargestellten Reaktionsraum, in dem die dung des Halbleitermaterials abgezweigt und durch thermische Zersetzung der Verbindungen und die das die gasförmige Verbindung des Dotierstoffes ent- 65 Abscheidung des Halbleitermaterials und des Dotierhaltende Gefäß geleitet. stoffes auf einen oder mehrere Trägerkörper vorge-Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des nommen wird. Zweckmäßigerweise werden die geome-Dotiergrades im herstellenden Halbleiterkristall hat irischen Verhältnisse des Gefäßes 4 so gewählt, daß

das Verhältnis der Höhe zu mittlerem Durchmesser etwa 1:10 nicht überschreitet. Wenn die Verbindungen auf konstanter Temperatur gehalten und die Größe des Strömungswiderstandes 2 nicht verändert wird, bleibt das Verhältnis der dem Reaktionsraum zugeführten gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials zu der zugeführten gasförmigen Verbindung des Dotierstoffes konstant; wird die dem Reaktionsraum durch die Leitung 1 zuzuführende Menge der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials vergrößert, wird auch die abgezweigte, durch das Gefäß 4 strömende Menge um einen proportionalen Faktor vergrößert; die Homogenität des herzustellenden Kristalls bleibt stets gewährleistet.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens werden mehrere parallelgeschaltete Reaktionsräume verwendet, und die Höhe der Dotierung wird durch unterschiedliche Einstellung der Strömungswiderstände, die in den zu den einzelnen Reaktionsräumen führenden Leitungen parallel zu jeweils einem Gefäß mit Dotierstoff angeordnet sind, in den einzelnen Reaktionsräumen unterschiedlich eingestellt. Wenn also jedem Reaktionsraum ein eigenes Gefäß mit der Verbindung des Dotierstoffes zugeordnet wird, hat man die Möglichkeit, jedem Reaktionsraum die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials und die gasförmige Verbindung des Dotierstoffes in unterschiedlichem Verhältnis zuzuführen, d. h. in den einzelnen Reaktionsräumen Kristalle mit unterschiedlicher Dotierung herzustellen, z.B. durch unterschiedliche Temperatureinstellung in den die Dotierstoffverbindung enthaltenden Gefäßen, die einen unterschiedlichen Dampfdruck der gasförmigen Verbindung des Dotierstoffs erzeugt, oder durch Regulierung des jedem einzelnen, die Dotierstoffverbindung enthaltenden Gefäß in Parallelschaltung zugeordneten Strömungswiderstandes. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise auch darin, unterschiedliche Verbindungen des gleichen Dotierstoffes oder Verbindungen unterschiedlicher Dotierstoffe zu verwenden. Durch Voruntersuchungen läßt sich jeweils feststellen, wie Temperatur und Strömungswiderstand bei der verwendeten Dotierstoffverbindung aufeinander einzustellen sind, um für die in den einzelnen Reaktionsräumen herzustellenden Kristalle den erwünschten Dotiergrad zu erzielen.

An Hand der Fig. 2 wird eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung näher erläutert.

Zwei parallelgeschaltete Reaktionsräume sind durch Leitungen 1 an die Leitung 29 angeschlossen, durch die die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials, gegebenenfalls mit einem Trägergas, z.B. Wasserstoff, auf einen konstanten Wert verdünnt, symbolisiert durch den Pfeil 3, den Reaktionsräumen zügeleitet wird. In die Leitungen 1 ist ein einstellbarer Strömungswiderstand 2 eingebaut, mit dessen Hilfe sich das jedem Reaktionsraum zuzuführende Verhältnis der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials, ζ. B. Silicochloroform oder Siliciumtetrachlorid, zur gasförmigen Verbindung des Dotierstoffes auf einfache Weise regulieren läßt. Das Gefäß 4 mit der Verbindung des Dotierstoffes 6 ist der Leitung 1 parallel geschaltet; wird die Temperatur der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials sowie der gasförmigen Verbindung des Dotierstoffes auf konstanter Temperatur gehalten, z. B. durch in der Figur nicht dargestellte Thermostaten, so strömt ständig eine gleichbleibende Menge der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials aus der Leitung 1 durch das Rohr 5 in das Gefäß 4, reißt dort stets die gleiche Menge der gasförmigen Verbindung des Dotierstoffes durch das Rohr 7 in den Reaktionsraum, in dem die thermische Zersetzung der Verbindungen und die Abscheidung der Stoffe auf den Trägerkörper 9 vorgenommen wird. Im Ausführungsbeispiel wird der Trägerkörper 9 durch einen U-förmigen, aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der herzustellende Kristall bestehenden Einkristall gebildet. Vorteilhaft ist es, wenn der Trägerkörper 9 mit der gleichen Dotierung wie der herzustellende Kristall nach dem gleichen Verfahren zuvor gewonnen wird. Der U-förmige Trägerkörper 9 kann auch z. B. aus zwei Schenkeln und einer auf die oben eingeschlitzten Schenkel aufgesetzten Brücke gebildet sein. Der Reaktionsraum wird von einer Quarzhaube 8 und einer insbesondere aus Quarz gebildeten Wand 10 umschlossen. Die Schenkel des U-förmigen Trägerkörpers 9 sind durch die Wand 10 hindurchgeführt und in einer Vorkammer mittels z. B. aus Kohle bestehenden Halterungen 11 und 12 mit den beispielsweise aus Kupfer bestehenden Stromzuführungen 13 und 14 verbunden, die durch eine Isolation 17 vakuumdicht durch die metallische Grundplatte 15 hindurchgeführt sind, mit der die Quarzhaube 8 und die insbesondere aus Quarz bestehende Wand 10 vakuumdicht verbunden sind. Der Trägerkörper 9 liegt während der Abscheidung auf einer elektrischen Spannung und wird dadurch auf der Zersetzungstemperatur der gasförmigen Verbindungen gehalten. Durch das Rohr 16 strömen die Abgase, symbolisch durch den Pfeil 18 dargestellt, aus dem Reaktionsraum. Wird bei sonst gleichen Bedingungen, also gleicher Einstellung von Strömungswiderstand 2 und Temperatur, nach Maßgabe des Kristallwachstums in den Leitungen 1 den Reaktionsräumen die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials in zunehmendem Maße zugeführt, wird in proportionalem Maße die in das Rohr 5 abgezweigte Menge der Verbindung erhöht und in gleichem Maße auch die aus dem Gefäß 4 durch die hindurchströmende gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials mitgeführte Menge der gasförmigen Verbindung des Dotierstoffs. Die Homogenität der Dotierung der herzustellenden Kristalle bleibt gewährleistet.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen mit über den ganzen Kristall homogener oder annähernd homogener Dotierungen durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und des Dotierstoffes in einem Reaktionsraum und Abscheiden des Halbleitermaterials und des Dotierstoffes auf einen oder mehrere, im Reaktionsraum angeordnete, geheizte Trägerkörper, insbesondere auf einkristalline langgestreckte Trägerkörper aus dem gleichen Halbleitermaterial, wobei die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials mit Wasserstoff als Trägergas im Reaktionsraum kontinuierlich, vorzugsweise in nach Maßgabe des Kristallwachstums zunehmender Menge zugeführt wird und wobei ein die Verbindung eines Dotierstoffes enthaltendes Gefäß der Zuführung der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials zum Reaktionsraum dienenden Leitung parallel ge-

schaltet wird und ein Teil der gasförmigen Verbindung des Halbleitennaterials abgezweigt und durch das Gefäß mit der Verbindung des Dotierstoffes geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Dotierung durch Einschaltung eines einstellbaren Strömungswiderstandes in dem zum Gefäß mit der Verbindung des Dotierstoffes parallelliegenden Abschnitt der Zuführungsleitung eingestellt und konstant gehalten wird. ίο

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Verbindungen auf konstanter oder annähernd konstanter Temperatur gehalten werden.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallelgeschaltete Reaktionsräume verwendet werden und die Höhe der Dotierung durch unterschiedliche Einstellung der Strömungswiderstände, die in den zu den einzelnen Reaktionsräumen führenden Leitungen parallel zu jeweils einem Gefäß mit Dotierstoff angeordnet sind, in den einzelnen Reaktionsräumen unterschiedlich eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Reaktionsräume die zuzuführende gasförmige Verbindung des Dotierstoffes auf unterschiedlicher Temperatur gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Reaktionsräumen unterschiedliche Dotierstoffe zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen