DE1619973B2

DE1619973B2 - Verfahren zur herstellung von halbleitermaterial durch ab scheiden aus der gasphase

Info

Publication number: DE1619973B2
Application number: DE19671619973
Authority: DE
Inventors: Theodore Scott Scottsdale Ozias jun Albert Earl Tempe Anz Benedict (V St A )
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1966-04-04
Filing date: 1967-03-03
Publication date: 1971-06-16
Also published as: GB1165959A; FR1517452A; NL6704773A; DE1619973A1; DE1619973C3; US3438810A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, hoher Reinheit durch Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase auf ein Substrat aus dem gleichen Halbleitermaterial, das bei Raumtemperatur einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, wobei das Substrat dadurch auf Abscheidungstemperatur erhitzt wird, daß es vor der Abscheidung auf eine Temperatur, bei der das Substratmaterial den elektrischen Strom leitet, gebracht und dann durch elektrischen Strom auf Abscheidungstemperatur weiter erhitzt wird.

Man kann das Substrat vor der Abscheidung dadurch auf eine Temperatur bringen, bei der es den elektrischen Strom leitet, daß eine sehr hohe Spannung direkt an das Substrat, z. B. einen Körper aus hochreinem Silicium, angelegt wird. Es ist ferner bekannt, einen Körper aus Silicium hohen Widerstandes durch Strahlung von außen aufzuheizen. Ein weiteres Verfahren zum Aufheizen des Siliciumkörpers besteht darin, daß man ihn in Berührung mit einem heißen Material bringt, das seinerseits elektrisch leitend ist und daher elektrisch aufgeheizt werden kann. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sehr hohe Energiemengen gebraucht werden, um den Körper aus Silicium lediglich bis auf die Zersetzungstemperatur aufzuheizen.

Wirtschaftlicher und einfach kann dagegen das Substrat auf eine Temperatur, bei der das Substratmaterial den elektrischen Strom leitet, gebracht werden, wenn erfindungsgemäß auf dem Substrat eine elektrisch leitende Schicht gebildet und diese Schicht durch elektrischen Strom erhitzt wird, bis das Substrat die gewünschte Temperatur aufweist, und wenn dann die leitende Schicht entfernt wird.

Vorteilhaft verwendet man als Substrat einen Stab aus Halbleitermaterial, auf dessen Oberfläche längsweise die leitende Schicht gebildet wird. Mittels dieser Schicht wird der gesamte Stab schon bei Raumtemperatur und niedrigen Spannungen leitend.

Es ist besonders günstig, ein gasförmiges Ätzmittel zur Entfernung der leitenden Schicht zu verwenden, nachdem der Siliciumstab die gewünschte höhere Temperatur erreicht hat.

Die Fig. 1 und la zeigen zwei verschiedene Körper aus Silicium, auf denen eine leitende Schicht aufgebracht ist.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel des Siliciums beginnt man mit einem Siliciumstab hoher Reinheit, der entweder durch Abscheidung aus der Gasphase oder durch Wachsen aus einer Siliciumschmelze hergestellt wurde. Der Stab hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand von etwa 100 Ohm-cm und einen elektrischen Widerstand von etwa 20 000 Ohm.

Man verwendet das Silicium in Form eines Stabes. Es können aber auch andere Ausgangselemente verwendet werden, beispielsweise Scheiben oder Platten.

Auf den Siliciumstab bringt man eine Schicht von leitendem Material auf. Die Menge dieses Materials muß genügend sein, um den Stab bei Raumtemperatur leitfähig zu machen. Hierdurch wird der Widerstand des Stabes auf einen Wert von etwa einem Hundertstel des ursprünglichen herabgesetzt. Vorzugsweise bringt man das leitfähige Material in Längsrichtung auf dem Stab an, so daß ein zusammenhängender Pfad für den elektrischen Strom von einem Ende zum anderen des Stabes entsteht.

Beim Ansetzen einer Spannung läuft der Strom also derl Stab entlang.

Als Überzugsmaterial kann ein beliebiger Stoff verwendet werden, der nach dem Erhitzen des Stabes leicht entfernt werden kann. Beispiele solcher leitenden Stoffe sind Phosphor, Bor, Antimon, Arsen, Aluminium, Gallium, Indium, Zinn u. dgl.

Das leitfähige Material kann auf den Stab in üblicher Weise aufgebracht werden. Man kann z. B.

ίο nach dem Diffusionsverfahren arbeiten, man kann die Stoffe aufsprühen oder durch elektrisches Plattieren aufbringen.

Die Fig. 1 und la zeigen den Siliciumkörper mit der aufgebrachten leitenden Schicht. Die F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die leitende Schicht durch eindiffundierte Verunreinigungen gebildet wird. In dieser Figur wird der Siliciumstab mit 10 bezeichnet. Das die leitenden Verunreinigungen enthaltende Gebiet ist mit 11 bezeichnet. Das Gebiet 11 mit den Verunreinigungen erstreckt sich längsweise über den ganzen Körper.

Nach der Fig. la ist die leitende Schicht so auf dem Stab angeordnet, daß ein Teil seines Durchmessers vergrößert ist. Man kann aber auch einen Teil der leitenden Schicht 12 sich in den Stab hinein erstrecken lassen, oder man kann die Schicht den Stab umgeben lassen. Ebenso braucht auch die leitende Schicht 11 nach F i g. 1 nicht den ganzen Umfang des Stabes zu umfassen.

Nach diesem Verfahrensschritt wird der Siliciumstab elektrisch von Raumtemperatur auf die Niederschlagstemperatur erhitzt. Das Erhitzen geschieht durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch den Stab oder mittels Induktion. In jedem Falle verwendet man die Leitfähigkeit des Siliciumstabes, um ihn auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Wenn man zum Aufheizen einen durchgeleiteten elektrischen Strom verwendet, kann man dieselbe Spannung brauchen, wie sie benötigt wird, um den Stab auf der Zersetzungstemperatur zu halten. Man erhitzt also den Siliciumstab auf eine erhöhte Temperatur von beispielsweise 900 bis 1300° C, vorzugsweise auf 1000 bis 1200° C.

Man entfernt die leitende Schicht durch Abätzen mit Gas. Die Temperatur muß hierbei so hoch sein, daß das Abätzen mit genügender Geschwindigkeit stattfindet. Üblicherweise liegt die Temperatur des Abätzens etwas unterhalb der Temperatur des Niederschiagens.

Zum Abätzen verwendet man ein Gemisch eines Halogenids mit einem inerten Gas, wie Wasserstoff. Als Halogenid verwendet man vorzugsweise Halogenwasserstoff oder ein Halogenid eines Halbleiterelementes. Geeignete Halogenwasserstoffe sind HCl, HBr und HI, wobei HCl vorzuziehen ist. In der Regel genügt schon ein geringer Gehalt von HCl in Wasserstoff bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 1200° C, um die gesamte leitende Schicht in kurzer Zeit zu entfernen.

Die leitfähige Schicht muß so dünn sein, daß sie leicht entfernt werden kann, ohne den Durchmesser des Siliciumstabes zu verringern. Sie muß ferner so dünn sein, daß das Abätzen mit Gas keine zu lange Zeit in Anspruch nimmt. In der Regel genügen Schichtdicken von etwa 2 bis 20 Mikron.

Nach dem Entfernen der leitenden Schicht kann Silicium aus der Dampfphase abgeschieden werden. Hierzu können beliebige Vorrichtungen und ehe-

mische Systeme verwendet werden. Man kann z. B. mit einem Reaktor für Silicium arbeiten, in welchem einer oder mehrere Stäbe aus Silicium angeordnet sind und elektrisch in Gegenwart eines Gases geheizt werden. So läßt sich z. B. eine Vorrichtung verwenden, die von Theuerer in der Zeitschrift »Bell Labs Record«, September 1955, S. 327 bis 330, beschrieben wurde. Das reagierende System besteht üblicherweise aus einem Gemisch einer Siliciumverbindung, vorzugsweise eines Siliciumhalogenids wie Siliciumtetrachlorid oder Siliciumchloroform mit Wasserstoff. Dieses Gemisch wird über den erhitzten Siliciumstab geleitet, wobei elementares Silicium auf ihm anwächst.

Beispiel I *⁵

Verwendet wurde ein Stab aus hochreinem Silicium mit einer Länge von 91 cm und einem Durchmesser von 7 mm. Der Stab hatte einen spezifischen Widerstand von 100 Ohm-cm und einen elektrischen Widerstand von 20 000 Ohm. Man brachte den Stab in einen Diffusionsofen bei 1070° C. Dann gab man eine Quelle für Phosphor zu und ließ sie während 2 Stunden in Berührung mit dem Stab. Nach dieser Zeit war der Stab längsweise bis zu einer Tiefe von etwa 5 Mikron mit Phosphor dotiert. An der Oberfläche enthielt der Stab mehr als 10²¹P-Atome je cm³. Der elektrische Widerstand des so behandelten Stabes lag bei etwa 50 Ohm. Dann erhitzte man den Stab durch längsweises Hindurchleiten eines Stromes mit einer Spannung von etwa 100 V auf eine Temperatur von etwa 1100° C. Nach Erreichen dieser Temperatur leitete man Wasserstoff mit einem Gehalt von etwa 2% HCl über den Stab. Praktisch die gesamte leitende Schicht war nach etwa 15 Minuten abgeätzt. Dann leitete man ein Gemisch von Wasserstoff mit 10% Siliciumchloroform über den Stab und ließ das abgeschiedene Silicium aufwachsen.

40 Beispiel II

Auf einen Siliciumstab, wie er im Beispiel I beschrieben war, wurde ein leitfähiger Streifen von Zinn aufgesprüht. Die Dicke des Streifens betrug etwa 10 bis 20 Mikron. Dann verfuhr man weiter, so wie es im Beispiel I beschrieben ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, hoher Reinheit durch Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase auf ein Substrat aus dem gleichen Halbleitermaterial, das bei Raumtemperatur einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, wobei das Substrat dadurch auf Abscheidungstemperatur erhitzt wird, daß es vor der Abscheidung auf eine Temperatur, bei der das Substratmaterial den elektrischen Strom leitet, gebracht und dann durch elektrischen Strom auf Abscheidungstemperatur weiter erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhitzung des Substrats auf eine Temperatur, bei der das Substratmaterial den elektrischen Strom leitet, auf dem Substrat eine elektrisch leitende Schicht gebildet und diese Schicht durch elektrischen Strom erhitzt wird, bis das Substrat die gewünschte Temperatur aufweist, und daß dann die leitende Schicht entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Substrat ein Stab verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht parallel zur Stabachse auf dem Stab gebildet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht durch Diffusion von Dotierstoffen oder durch Aufsprühen oder stromloses Plattieren von Metallen gebildet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht durch Gasätzen entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht bei 900 bis 1300° C mittels eines Chlorwasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Gases entfernt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen