DE2016339A1

DE2016339A1 - Verfahren zum Hersteller! eines Hohlkörpers aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2016339A1
Application number: DE19702016339
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Chem.Dr. 8011 Vaterstetten; Dietze Wolfgang Dr. 8000 München Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-06
Filing date: 1970-04-06
Publication date: 1971-10-21
Also published as: AT338874B; FR2092249A5; SE354975B; DE2016339B2; CS172916B2; GB1320416A; CH537985A; CA942639A; NL7014606A; ATA869470A; DE2016339C3; JPS5121937B1

Description

SIEMENS AETIMGESELLSCHAPT München, 061 APR. 1970

Berlin und München Wittqlsbacherplatz

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Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers aus Halbleitermaterial ■ ..

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mindestens einseitig offenen Hohlkörpers aus Halbleitermaterial durch Abscheiden aus einer gasförmigen Verbindung des/Halbleitermaterials auf einem aus einem anderen Material ■ bestehenden, beheizten Trägerkörper,, der nach dem >^:. Abscheiden einer genügend dick bemessenen Schicht des Halbleitermaterials ohne Zerstörung derselben entfernt wird» .

Ein solches Verfahren ist bereits vorgeschlagen worden» Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein Verfahren der obengenannten Gattung so auszubilden, daß es möglieh'.; ist, aus Halbleitermaterial bestehende: Hohl- \ körper herzustDllen, deren Wände von gleichmäßiger, homogener Beschaffenheit sind» ..

Diese Forderung^ ist bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Gattung nicht ohne weiteres zu erfüllen« Beim Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials auf einen aus einem anderen Material bestehenden, beheizten Trägerkörper können sich nämlich insbesondere am Anfang des Abscheidevorganges spontan Kristallite bilden« Diese Kristallite haben im allgemeinen die Form von Nadeln und stehen senkrecht zur Oberfläche des be-

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heizten Trägerkörpers. An den Nadeln scheidet sich weiteres Halbleitermaterial ab und die Nadeln vergrößern sich zu warzenföriaigen Gebilden= Solche Gebilde verhindern eine ä-eiehraäßige und homogene Ausbildung der Wandungen des Hohlkörpers. Dies kann z.Bο dazu führen, daß die ¥/andungen an manchen Stelen so dünn v/erden, daß sie dort gasdurchlässig sind. Solche Hohlkörper sind aber z.B. als Behälter für die Ampullendiffusion von Halbleiterscheiben nicht brauchbar C

Auf der anderen Seite werden die Wandungen aber auch sehr viel dicker als gewünscht, d,h. der Außendurchmesser eines solchen Hohlkörpers wird an manchen Stellen größer als gewünscht. Bei der Ampullendiffusion wird der mit Halbleitersdheiben gefüllte Hohlkörper aus Halbleitermaterial nämlich in einem Quarzrohr untergebracht, dessen Durchmesser möglichst klein gehalten werden soll» Das ist insbesondere dann sehr einfach zu erfüllen, wenn die ¥/andstärke eines Hohlkörpers aus Halbleitermaterial gleichmäßig und nicht durch die bereits erwähnten warzenförrnigen Gebilde beeinträchtigt ist.

Man ist aber auch noch aus einem anderen Grunde bestrebt, eine möglichst gleichmäßige V/andstärke bei einem Hohlkörper aus Halbleitermaterial zu erzielen.

In diesem Hohlkörper werden nämlich die Halbleiterscheiben nicht nur einer Diffusion unterzogen sondern auch nach der Diffusion abgekühlt. Sollen die in der Ampulle untergebrachten Halbleiterscheiben beim Abkühlen frei von Verspannungen bleiben, so empfiehlt es sich, die Ampulle so auszubilden, daß der Temperaturgradient im Inneren möglichst klein ist. Eine Ampulle aus Halbleitermaterial, das bei den Diffusions-

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temperaturen ein sehr guter Wärmeleiter ist, erfüllt diese Forderung aber erst dann zufriedenstellend, wenn ihre Wandstärke überall gleich grolB ist« ^f

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials in. ■ einem solchen Verhältnis mit einem Reduktionsgas verwendet wird, daß sich von Beginn der Reaktion an bei einer bestimmten Temperatur ein Zustand nahe dem Reaktionsgleichgewieht einstellt„

Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß sich ein langsames, gleichmäßges Wachstum der Halbleiterkristalle auf dem Trägerkörper einstellt« Eine Bildung von Kristalliten, die dann entstehen würde, wenn die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials stark im Überschuß in dem Reaktionsgemiseh vorhanden wäre, kann liierbei somit nicht auftreten,

Beim Abscheiden von Halbleitermaterial auf einen beheizten Qirägerkörper ist nun vor allem das erste Verfahrensstadium zu beachten« Dieses zeichnet sich dadurch aus, daß im Reaktionsgefäß noch kein öder nur wenig Halbleitermaterial auf dem Trägerkörper abgeschieden wurde ο Das in das Reaktionsgefäß.eingeleitete Reaktionsgemisch, bestehend aus einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials, bei Silizium ZoBo Silieochloroform SiHCl, und molekularer Y/assersfoff iL, als Reduktionsgas, ist also in diesem Stadium am Beginn des AbscheideVorganges stark im Überschuß vörhandeno Each dem Massehv/irkungögesetz iittdet dahereine sehr schnelle Umsetzung von SiHCIi und H₂ in Silizium und ehlorwasserstoffgas HCl statt„ Dies "begünstigt, wie eingangs erläutert, die Bildung von Kristalliten» -..-.. \ ..-·.

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Um langsames Kristallwaehstum auch im ersten Stadium des Abscheidevorganges zu erzielen, wird zum Herstellen ζ.Bo eines Silizium-Hohlkörpers bei Beginn des Abscheidevorganges ein Verhältnis gewühlt, bei dem sich zunächst 0,002g bis 0,1g Si/cm h abscheiden, bis eine Stärke der niedergeschlagenen Schicht von wenigen /u erreicht ist» Es genügt dazu, wenn die Schicht 2 bis 5 /U dick ist» Dann wird das Verhältnis so geändert, daß sich 0,05

bis 0,2g Si/cm h abscheiden» Als besonders wirtschaftlich hat sich dabei ein Verhältnis herausgestellt, bei dem zunächst 0,(
geschieden wird,

p p

dem zunächst 0,05g Si/cm h und dann 0,02g Si/cm h ab-

Bei der Verwendung von molekularem Wasserstoff Hp Reduktionsgas und SiH(Jl, als gasförmige Verbindung wird dazu bei einer Temperatur von ca. 1200⁰O ein Molverhältnis beider Stoffe von 1:0,02 bis 1:0,2 eingestellt, Zu Beginn der Reaktion wird bis zur Abscheidung einer wenige /U starken Schicht ein Durchsatz eingestellt, der 1/100 bis 1/2 des normalen Durchsatzes entspricht» Besonders wirtschaftlich v/ird mit einem Molverhältnis von etwa 1:0,08 gearbeitet» In einer Bruttoformel läßt sich das letzte Ausführungsbeispiel so ausdrücken:

1 SiHCl₃ + 12 H₂ --;;:± 1 Si + 3HCl + 11 H₂

Diese Reaktion läuft bei einer Temperatur von etwa 1200⁰C nahe dem Reaktionsgleichgewicht abc AsI zweckmäßig hat sich ein Durchsatz an Reaktionsgemisch von etwa 5 l/liem Oberfläche des Hohlkörpers herausgestellt, der zu Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer z.B. 2 bis 5 /u starken Schicht auf etwa 0,05 bis 2,5 l/cm h eingestellt wird ο

Bei Verwendung von Tetrachlorsilan SiCl. als gasförmiger Verbindung empfiehlt es sich, bei einer Temperatur von

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etwa 1200⁰G ein Molverhältnis von 1:0,005 "bis 1:0,05 einzustellen« Auch hierbei wird bei Beginn der Reale- . rion bis zur Abscheidung einer wenigen /U starken Schicht ein Durchsatz eingestellt, der ".l/l OO bis T/2 des normalen Durchsatzes von z.B. 5 l/hcm Oberfläche entspricht ο Bei Verwendung von Dichlorsilan SiHpCIp als gasförmige Verbindung wird bei- einer !Temperatur von etwa HOO⁰C zweckmäßigerweise ein Molverhältnis von 1:0,05 bis 1:0,5 eingestellt ο Bei Beginn der Reaktion wird wie in dem . obenerwähnten Beispiel bis zur Abscheidung einer wenigen / /U starken Schicht ein Durchsatz gewählt, der -l/fOO bis 1/2 des normalen Durchsatzes, also etv/a 0,05 bis

0,25 l/hcm Oberfläche entspricht. Bei der zuletzt genannten gasförmigen Verbindung arbeitet man besonders wirtschaftlich, wenn das Molverhältnis 1:0,15 beträgt*

Eine weitere Verbesserung-in Richtung auf eine, gleiche mäßige Wandstärke wird durch eine Absenkung der Temperatur der Oberfläche, auf die abgeschieden wird, während des Abscheidens erreicht» Zweckmäßigerweise beträgt die Absenkung etwa 30 bis 100⁰C, als brauchbarer Wert hat sich etwa 20°0/mm Wandstärke erv/josen« Würde man die Temperatur· nicht absenken, so kann es nämlich wegen der mit steigender Wandstärke abnehmenden Wärmestrahlung zu starken Temperaturuntersehiederi zwischen der Außenseite und der Innenseite des Hohlkörpers kommen» Als Folge davon treten unter Umständen Risse in den Wandungen auf, die die Hohlkörper unbrauchbar machen»

Da es zur Verhinderung einer Kristallitbildung darauf ankommt, die Umsetzung der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials in das Halbleitermaterial selbst möglichst nahe am Reaktionsgleiehgewicht zu halten, kann in den Reaktionsraum mindestens zu Beginn der Abscheidung Halogenwasserstoff, insbesondere. Chlorwasserstoff gas eingeleitet werden* Dies beeinflußt die „Reaktion, im Sinne

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einer Bremsung der Abscheidung des Hall)leiterraaterial3. Damit ist es auch möglich SiH. zur Herstellung von Hohlkörpern zu verwenden= Allerdings muß in diesem Fall unbedingt Halogenwasserstoff zugesetzt werden«

Die Reaktion kann auch durch Zusatz von Inertgas (z.3. Ar oder He) gebremst v/erden» Dies gilt auch für die obenerwähnten anderen Reaktionsgemische»

Das Verfahren, das am Beispiel des Si-Hohlkörpers beschrieben wurde, ist auch zur Herstellung von Hohlkörpern aus SiC, Ge, Ill/V-Verbindungen wie GaAs, InSb usw ο anwendbar„

14 Patentansprüche

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Claims

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P a t e η t a η s ρ r ü c Ii e

)j Verfahren zum Herstellen eines mindestens einseitig offenen Hohlkörpers aus "Halbleitermaterial durch Abseheiden aus einer gasförmigen Verbindung des Harbleitermaterials auf einen aus einem anderen Material bestellenden, beheizten l'rägerfeörper, der nach dem Abscheiden einer geniägend dick bemessenen Schicht ohne Zerstörung desselben entfernt wird, d a d u r c ii ge lc e ϊΐ η ζ e ic h η e t , daß die gasförmige Verblnduiirg des Halbleitermaterials in einem solchen ferhältnis mit einem Reduictionsgas -verwendet wird-, ^h daß sieh von Beginn der Reaktion an bei einer bestimmten Temperatur ein Zustand nahe dem Reaktionsgleiclagewiclit einstellt,,

2») Verfahren nach Anspruch 1, dad u r e h g e k e η η ζ e i c h n e t , daß zum Her st eil ein eines Silizium—Hohlkörpers bei Beginn des Abscheideirarganges ein Verhältnis gewählt wird, bei dem sich zunäenst 0,002g bis 0,1g Si/cm h abscheiden, bis eine Stärke der niedergeschlagenen Schient von wenigen zu erreicht ist, und daß dann das Verhältnis so geändert wird, daß sieh. Ό,Ό5 bis O,*Eg Si/ cm h. abscheideno

5o) Verfahr en. iiacli Ansprucn 2,.d a vl u r e Ii _;g e k e an ζ e i c u η e t , daß bei Isginii des Abseheidevoriganges ein Verhältnis ^"".äiilt wird.,

dem sich, zunäcnsi; 0,05g Si/em h a ·-iiieiden,, bis eiae Stärke der abgeschiedenen Sclif.-Jit /υ. erreic&t ist tmd daß dann das Verhältnis s©

geändert wird, daß sieh 0, % Si/cra la.

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4ο) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung von H₂ als Reduktionsgas und SiIICl- ala gasförmiger Verbindung bei einer Temperatur von etwa 1200⁰C ein Molverhältnis beider Stoffe von 1 i" 0,02 bis 1:0,2 eingestellt wird und daß zu Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenigen Ai starken Schicht ein Durchsatz eingestellt wird, der 1/100 bis 1/2 des normalen Durchsatzes entspricht=

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Molverhältnis von 1:0,08 eingestellt wird=

6=) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze ichnet , daß bei Verwendung von Hp als Reduktionsgas und Si Cl. als gasförmiger Verbindung bei einer lemperatur von etwa 1200 C ein Molverhältnis beider Stoff e von 1:0,005 bis 1:0,05 gewählt wird und daß bei Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenigen Ai starken Schicht ein Durchsatz eingestellt wird, der ^₀₀ bis * dos normalen Durchsätze entspricht ο

ο) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molverhältnis von 1:0,08 eingestellt wird=

8o) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung von Hr, als Reduktionsgas und SiH₉Cl₉ als gasförmiger Verbindung bei einer !Temperatur von etwa 1100 C ein Molverhältnis beider Stoffe von 1:0,05 bis 1:0,5 eingestellt v/ird und daß bei Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenige /U starken

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1 1 Schicht ein Durchsatz gewählt wird, der ^q₀ bis 73 des normalen Durchsatzes entspricht» .

9o)Verfahren nacn Anspruch-8, d ad ure h gekennzeichnet ,daß das Molverhältnis 1:0,15 beträgt» ' '

10=)Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und dem Reduktionsgas Halogenwasserstoff, insbesondere Chlorwasserstoff gas beigemischt v/irdo

ο)Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e kennzeichnet , daß der gasförmigen Verbindung des' Halbleitermaterials und dem Reduktionsgas ein Inertgas beigemischt.wird*

ο)Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» d a durch g e k e η η ze i c h η e t , daß der Durchsatz an Reaktionsgemigch etwa 5 l/hcra Oberfläche, auf die abgeschieden wird, und zu Beginn der Reaktion etwa 0,05 bis 2,5 l/cm h beträgt,

13,)Verfahren nach einem der Ansprüche\ bis 5» d a d u r ch g e k e η η ze ic h η e. t ,. daß als Reaktionsgemisch SiH, verwendet wird, dem HaIp- . genwasserstoffgas, vorzugsv/eise Chlorwasserstoff beigemischt wird»

14»)Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da d u r c h g e k e η η ζ e i c h η et ,daß die Temperatur der Oberfläche, ^:auf die abgeschieden wird, mit wachsender Stärke der abgeschiedenen'Schicht, vorzugsweise bis zu 20°0/mm abgesenkt wird»

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