DE1240819C2 - Verfahren zum herstellen von hochreinen halbleitermaterial fuer elektronische halbleiterzwecke - Google Patents

Description

Als Trägerkörper werden scheibenförmige Gebilde verwendet.

Das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Halbleitermaterial eignet sich zur Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Gleichrichter od. dgl.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.

In F i g. 1 ist die Abscheidungskurve eines für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Reaktionsgasgemisches dargestellt. Als Ordinate ist die Menge m der in der Minute je cm² auf der Oberfläche niedergeschlagenen Halbleitermenge, als Abszisse die Temperatur T der Trägeroberfläche aufgetragen. Die Abscheidung des Halbleitermaterials beginnt bei der Temperatur T_n und steigt mit zunehmender Temperatur bis zu einem Maximalwert bei der Temperatur T_ma:. an. Bei weiterer Temperatursteigerung wird die Menge des abgeschiedenen Halbleitermaterials zunehmend kleiner. Unter geeigneten Bedingungen kann sogar eine Auflösung des Grundmaterials eintreten. Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist besonders der Bereich zwischen T_max und der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials T_s interessant.

Als besonders vorteilhaft wird eine Temperatur T_a angegeben, die sich nur wenig von der Temperatur T_max unterscheidet und nicht in unmittelbarer Nähe der Schmelztemperatur T_s liegt.

Eine Abscheidungskurve, die der in Fig. 1 dargestellten entspricht, läßt sich insbesondere bei der Verwendung von gasförmigen Halogenverbindungen bzw. Halogen-Wasserstoff-Verbindungen der verwendeten Halbleitermaterialien erreichen. Die Lage des Maximums T_mux ist von der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches abhängig. Verwendet man beispielsweise als Trägergas Wasserstoff, so ist T_max vom Wasserstoffgehalt des Reaktionsgases in hohem Maße abhängig. Wird beispielsweise ein Reaktionsgasgemisch verwendet, das aus 5 Molprozent SiHCl₃ und 95 Molprozent Wasserstoff besteht, so wird eine maximale Abscheidung bei 1400° C erreicht. Dabei hängt die Menge des abgeschiedenen Siliciums noch vom Druck des Gases ab und beträgt bei Normaldruck etwa 2 mg Silicium/Min. und /cm² an der Oberfläche des Trägerkörpers. Verwendet man dagegen ein Mol verhältnis von 7% SiHCl₃ und 93% Wasserstoff, so liegt die Temperatur T_mttX bereits erheblich oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium. Auf der anderen Seite erhält man eine maximale Abscheidung des Siliciums schon bei 1100⁰C, wenn ein Reaktionsgasgemisch aus 2 Molprozent SiHCl₃ und 98 Molprozent Wasserstoff gewählt wird. Wird an Stelle von SiHCl₃ SiCl₄ verwendet, so liegen die Temperatur- und Zusammensetzungsverhältnisse ähnlich; allerdings wird die Menge des in der Zeiteinheit anfallenden Siliciums bei gleichem Gasdruck und gleicher Trägertemperatur geringer als bei der Verwendung von SiHCl₃. Werden andere Halogen-Wasserstoff-Verbindungen wie SiH₂Cl₂ oder SiH₃Cl gewählt, so ist eine geringfügige Änderung des Molverhältnisses erforderlich.

Bei Verwendung anderer Halbleitermaterialien ergeben sich analoge Verhältnisse.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zur Herstellung

ίο epitaktischer Aufwachsschichten auf scheibenförmigen Trägerkörpern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schematisch dargestellt. Die in einem Verdampfergefäß 1, das in einem Temperaturbad 2 untergebracht ist, befindliche Siliciumhalogenverbindung wird mit dem aus einem Vorratsgefäß 3 stammenden Wasserstoff, der über ein Überdruckventil 4 und die Kühlfalle 5 geleitet wird, vermischt und gelangt in das Reaktionsgefäß 6 aus Quarz. Das Mischungsverhältnis der gasförmigen Komponenten kann durch Betätigung der Hähne 7, 8 und 9 eingestellt und variiert werden. Außerdem läßt sich die Menge der verdampften Siliciumverbindung durch die Wahl der Temperatur des Temperaturbades 2 variieren. Zur Bestimmung der Gasmenge sind die Strömungsmesser 10 und 11 vorgesehen. Das Reaktionsgasgemisch, das durch die Einlaßöffnung 12 in das Reaktionsgefäß gelangt, wird nach erfolgter Umsetzung durch die Auslaßöffnung 13 aus dem Reaktionsgefäß entfernt. Die Zersetzung bzw. die Umsetzung des Reaktionsgases erfolgt an den auf der beheizten Unterlage 15 aus inertem Material aufliegenden Halbleiterscheibchen 14. Die Unterlage 15 ist dabei mittels der gasdicht aus dem Reaktionsgefäß geführten Zuführungen 16 über die Klemmen 17 mit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden. Die Temperatur der Trägerkörper 14 kann durch die plangeschliffene Quarzplatte 18 am oberen Ende des Reaktionsgefäßes pyrometrisch beobachtet werden. Den unteren Abschluß des Reaktionsgefäßes bildet der Metallsockel 19, der durch eine Kunststoffdichtung 20 gasdicht mit dem Reaktionsgefäß verbunden ist.

Das Reaktionsgasgemisch besteht beispielsweise aus einem Gemisch von 2 Molprozent SiHCl₃ und 98 Molprozent Wasserstoff. Dieses Gemisch wird in dem Reaktionsgefäß 6 an der Oberfläche der auf eine Temperatur von 1250° C erhitzten Trägerkörper zersetzt und gelangt dort zur Abscheidung. Bei dieser Temperatur werden etwa vorhandene Oxidreste auf der Oberfläche der Silieiumkörper durch Umsetzung mit dem vorhandenen Silicium als gasförmiges SiO entfernt.

Es besteht die Möglichkeit, einen Trägerkörper zu verwenden, dessen Leitungstyp entgegengesetzt dem der abzuscheidenden Schicht ist. Der Gasdruck im Reaktionsgefäß beträgt günstigerweise etwa 1 Atü. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird auf etwa 10 l/Min, eingestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen von hochreinem Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Halbleiterzwecke mit oder ohne Dotierungszusätzen durch thermische Zersetzung und/oder Reduktion einer gasförmigen, insbesondere mit einem Trägergas vermischten Halbleiterverbindung und Niederschlagen des Halbleitermaterials auf erhitzte, in einem Reaktionsgefäß angeordnete einkristalline Trägerkörper, deren kristalline Struktur z. B. durch Ätzen freigelegt ist, die einen spezifischen Widerstand kleiner oder gleich 0,1 Ohm-cm aufweisen, deren Beheizung durch Wärmeübergang von einer auf die entsprechende Temperatur erhitzten Unterlage her erfolgt und deren Oberfläche von dem Reaktionsgas umströmt wird, wobei die Wände des Reaktionsgefäßes auf einer niedrigeren Temperatür als der der Trägerkörper gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörper auf eine Temperatur (T_a) erhitzt werden, die im Bereich wenig über der Temperatur maximaler Abscheidegeschwindigkeit (T_max) und unterhalb der Schmelztemperatur (T₅) liegt.

   Bei den bekannten Verfahren zum Herstellen einkristallinen Halbleitermaterials, insbesondere von Silicium, durch Abscheiden aus der Gasphase und epitaktisches Aufwachsen auf einem erhitzten Träger geht man so vor, daß ein kristalliner Trägerkörper, dessen Struktur durch geeignete Vorbehandlung, z.B. durch Ätzen, freigelegt ist, auf eine Temperatur erhitzt wird, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die maximale Abscheidung des Halbleiterstoffes bei der gewählten Zusammensetzung des Reaktionsgases auf dem Trägerkörper erfolgt. Das Reaktionsgas umströmt dabei die Oberfläche des Trägerkörpers vorzugsweise turbulent. Die Beheizung des Trägerkörpers erfolgt bei diesen Verfahren durch direkten Stromdurchgang, durch Hochfrequenz, durch Strahlung oder über eine beheizte Unterlage. Durch die Temperaturverteilung am Trägerkörper wird eine gleichmäßige Ausbildung der einkristallinen Aufwachsschichten erreicht. Um zu erreichen, daß die aufgewachsene Schicht möglichst fehlerfrei ist, muß als Trägerkörper ein Material verwendet werden, dessen Reinheit bzw. dessen spezifischer elektrischer Widerstand sehr hoch ist; sonst findet eine starke Diffusion der Verunreinigungen aus dem Trägerkörper in die aufgewachsene Schicht statt. Diese störende Diffusion aus dem Trägerkörper in die Aufwachsschicht legt es nahe, bei möglichst niedriger Temperatur zu arbeiten. Es wird deshalb zur Zeit das Aufwachsverfahren unterhalb der Temperatur der maximalen Aufwachsgeschwindigkeit durchgeführt.

   Eine weitere Forderung bei der Herstellung störungsfreier Aufwachsschichten besteht darin, daß die Oberfläche des Trägers, auf der eine einkristalline Schicht abgeschieden werden soll, außerordentlich rein sein muß. Überraschend wurde nun experimentell festgestellt, daß diese Forderung um so leichter zu erfüllen ist, je höher die Temperatur der Trägeroberfläche ist. Bei einem Verfahren zum Herstellen von hochreinem Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Halbleiterzwecke mit oder ohne Dotierungszusätzen durch thermische Zersetzung und/oder Reduktion einer gasförmigen, insbesondere mit einem Trägergas vermischten Halbleiterverbindung und Niederschlagen des Halbleitermaterials auf erhitzte, in einem Reaktionsgefäß angeordnete einkristalline Trägerkörper, deren kristalline Struktur z. B. durch Ätzen freigelegt ist, die einen spezifischen Widerstand kleiner oder gleich 0,1 Ohm-cm aufweisen, deren Beheizung durch Wärmeübergang von einer auf die entsprechende Temperatur erhitzten Unterlage her erfolgt und deren Oberfläche von dem Reaktionsgas umströmt wird, wobei die Wände des Reaktionsgefäßes auf einer niedrigeren Temperatur als der der Trägerkörper gehalten werden, werden deshalb erfindungsgemäß die Trägerkörper auf eine Temperatur erhitzt, die im Bereich wenig über der Temperatur maximaler Abscheidegeschwindigkeit und unterhalb der Schmelztemperatur liegt.

   Es ist vorgesehen, einen Trägerkörper mit einer Dotierung zu verwenden, die einem spezifischen Widerstand kleiner als 0,1 Ohm-cm, vorzugsweise von 0,01 Ohm · cm entspricht. Es besteht jedoch die Möglichkeit, auch Trägerkörper zu verwenden, die bis zur Entartungskonzentration dotiert sind und praktisch metallische Leitfähigkeit aufweisen.

   Als Trägergas kann ein Gas verwendet werden, das mit der gasförmigen Halbleiterverbindung reagiert, z. B. Wasserstoff. In ähnlicher Weise sind jedoch auch Gase, z. B. Inertgase wie Argon u. dgl., die an der Umsetzung der gasförmigen Halbleiterverbindung nicht teilnehmen, als Trägergas geeignet. Das Maximum der von der Temperatur abhängigen Halbleiterabscheidungskurve kann dabei durch die Wahl des Molverhältnisses der Halbleiterverbindung zum aktiven Trägergas eingestellt werden oder aber durch Variation des Molverhältnisses im Laufe der Umsetzung verlagert werden.

   Da die Anisotropie der Gitterkräfte bei höheren Temperaturen fällt, wird ein Schrägwachsen des Gitters, wie es bei niedrigeren Aufwachstemperaturen auftritt, durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden. Außerdem findet keine Beschichtung der viel heißeren Unterlage, auf der die Träger aufgelegt sind, statt. Das Ausheilen der eventuell auftretenden Gitterschäden wird durch die hohen Temperaturen begünstigt, die einkristalline Struktur wird verbesert.

   Der Verlauf der Abscheidungskurve kann auch durch die Zugabe einer weiteren gasförmigen Komponente zum Reaktionsgasgemisch, die an der Umsetzung nicht teilnimmt und deren Molgewicht größer als das von Wasserstoff ist, vorzugsweise ein Vielfaches davon beträgt, z. B. Argon, variiert werden. Die Zugabe einer derartigen Komponente erlaubt es außerdem, den Anteil der gasförmigen Komponenten über das allgemein übliche Maß hinaus auf einen höheren Wert zu steigern. So läßt sich das Molverhältnis Halbleiterverbindang zu Wasserstoff im Falle des Siliciums auf einen Wert größer als 0,2, vorzugsweise auf 0,3 bis 2, steigern.

   Die Aufheizung des Trägerkörpers auf die verlangte Temperatur erfolgt durch Auflegen der Trägerkörper auf eine beheizte Unterlage, z. B. ein Graphitband.