DE1279662B

DE1279662B - Verfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial aus der Gasphase

Info

Publication number: DE1279662B
Application number: DE1962S0080852
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rucha; Dipl-Chem Dr Herbert Sandmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-08-09
Filing date: 1962-08-10
Publication date: 1968-10-10
Also published as: CH421912A; DE1444534A1; GB1059354A; DE1444534B2; BE634742A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche Kl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOIj

COIb
C23c

12 g-17/32

12 i-33/02

48 b-11/06

P 12 79 662.2-43 (S 80852)

10. August 1962

10. Oktober 1968

Es ist bekannt, sehr reines Halbleitermaterial aus der Gasphase einer dieses Material enthaltenden chemischen Verbindung auf einen auf die Zersetzungstemperatur der Verbindung aufgeheizten monokristallinen Ausgangskörper abzuscheiden. Ohne besondere Maßnahmen werden dabei die aufgewachsenen Schichten polykristallinen Charakter haben.

Es ist aber auch bekannt, daß man nahezu störungsfreie, monokristalline Schichten erhält, wenn man vor dem Aufwachsen die Oberfläche des Ausgangskörpers mechanisch und chemisch so behandelt, daß die sich ergebende Oberfläche praktisch monokristalline Struktur besitzt.

Der Stand der Technik enthält jedoch keine näheren Angaben über die mechanische Behandlung eines durch Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur der chemischen Verbindung aufgeheizten, monokristallinen Stabes. Auch ist es bisher nicht gelungen, längere monokristalline Stäbe ohne größere Bereiche mit gestörtem Kristallwachstum durch Aufwachsen aus der Gasphase zu erzeugen.

Die Erfindung macht dagegen das bekannte Verfahren erstmals auch für die Herstellung von dicken und langen Stäben brauchbar, deren aufgewachsene Schicht über die gesamte Stablänge praktisch monokristallin ist. Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium, aus der Gasphase einer dieses Material enthaltenden chemischen Verbindung auf einen auf die Zersetzungstemperatur der Verbindung durch Stromdurchgang aufgeheizten, einkristallinen Stab aus dem gleichen Halbleitermaterial, dessen Stabachse parallel zu einer Achse des Kristallgitters liegt und dessen monokristalline Oberfläche vor dem Aufwachsen durch mechanische Behandlung und durch einen anschließenden Ätzprozeß freigelegt wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die mechanische Behandlung so viel von der Oberfläche abgetragen wird, daß sich ein über die gesamte Stablänge gleichbleibender Querschnitt ergibt und der Stabkern nur noch von einer durch die mechanische Behandlung erzeugten, an allen Stellen des Umfangs gleich dicken Schicht mit höherer Versetzungsdichte als im Stabkern umgeben ist.

Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, daß sidi ein über die ganze Stablänge im wesentlichen störungsfreies, monokristallines Aufwachsen trotz vorheriger mechanischer Behandlung und sorgfältiger Ätzung nicht erreichen ließ. Genauere Untersuchungen haben gezeigt, daß dies auf durch den Ätzprozeß hervorgerufene Durchmesserschwankun-Verfahren zum Aufwachsen von
Halbleitermaterial aus der Gasphase

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München,

8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Chem. Dr. Herbert Sandmann,
Ulrich Rucha, 8000 München

as gen zurückzuführen ist. Diese Durchmesserschwankungen waren zunächst nicht ohne weiteres verständlich, da man den Stäben zuvor durch die mechanische Behandlung einen über die gesamte Stablänge gleichförmigen Querschnitt gegeben hat.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß durch die der mechanischen Behandlung nachfolgende Ätzung nur dann keine Veränderung des Stabquerschnittes hervorgerufen wird, wenn durch die mechanische Behandlung eine ausreichend dicke Oberflächenschicht abgetragen wird, derart, daß der Stabkern nur noch von einer durch die mechanische Behandlung erzeugten, an allen Stellen des Umfanges gleich dicken Schicht mit höherer Versetzungsdichte als im Stabkern umgeben ist. Nur wenn diese Schicht überall gleich dick ist, bleibt nach der Ätzung ein Stab übrig, der an allen Stellen ebenfalls gleichen, jedoch etwas geringeren Querschnitt hat als vor der Ätzung.
Die Ätzung selbst nimmt hierbei nur sehr kurze Zeit in Anspruch und kann beendet werden, wenn der während der Abtragung der zerstörten Oberflächenschicht sehr lebhafte und durch starke Gasentwicklung gekennzeichnete Reaktionsprozeß abflaut.

Für die Durchführung eines solchen Ätzprozesses an der Halbleiteroberfläche des Ausgangskörpers kann in an sich bekannter Weise entweder ein be-

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sonderes Bad oder eine besondere Atmosphäre, gegebenenfalls aber unmittelbar der Gasstrom ausgenutzt werden, welcher der Oberfläche des Halbleiterausgangskörpers zugeleitet wird, wenn durch eine entsprechende Dosierung des Gehaltes des zugeführten Gasstromes an der zu zersetzenden chemischen Verbindung und die Wahl einer entsprechenden Temperatur das Gleichgewicht in der chemischen Reaktionsgleichung

IO

SiHCl₃+H₂^=Si+3HCl

in Richtung auf die linke Seite der Gleichung verschoben wird, wobei dann unmittelbar in dem Niederschlagsbehälter eine Atmosphäre vorübergehend geschaffen wird, welche als Ätzmittel Chlorwasserstoff zur Bearbeitung der Oberfläche des Halbleiterausgangskörpers liefert.

Ist der Halbleiterausgangskörper in dieser Weise an seiner Oberfläche bearbeitet worden, und wird er auf die der chemischen Verbindung entsprechende Zersetzungstemperatur erhitzt, so wird nur noch ein solcher Niederschlag reinsten Materials an der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer solchen eindeutigen Ausrichtung des Wachstums des Halbleiterausgangsstoffe stattfinden, daß der gewachsene Stab jeweils nur eine einkristalline Kristallgitterstruktur bis an seine Oberfläche aufweist.

Die F i g. 1 und 2 zeigen in einander entsprechenden Rissen einen stabförmigen Niederschlagsausgangskörper, z. B. aus Silicium, der mit seiner Längsachse in der (111)-Richtung der Kristallgitterstruktur aus einer Schmelze bzw, durch einen Zonenschmelzprozeß unter Benutzung eines einkristallinen Keimlings erzeugt worden ist. Dieser erzeugte Halbleiterkörper weist einen zentralen Teil mit einkristalliner weitgehend ungestörter Struktur sowie eine Mantelzone mit einer gegenüber derjenigen in diesem zentralen Teil vorhandenen, aus thermischen Gründen entstandenen wesentlich größeren Versetzungsdichte auf. An diesem Körper wird diese; Mantelzone 2 großer Versetzungsdichte auf mechanischem Wege abgearbeitet, so daß nur noch derjenige Querschnitt des Stabes verbleibt, der etwa der zentralen Zone (3+4) entspricht. Durch das mechanische Abarbeiten der Mantelzone 2 des Querschnitts entsteht zwar in der Oberfläche des Stabes 1 verringerten Durchmessers noch eine gestörte Zone, die jedoch eine eindeutige Tiefe hat bzw. sich auf eine solche beschränken läßt und die mit 3 bezeichnet ist. Diese Zone 3 wird nunmehr auf chemischem bzw. elektrochemischem Wege abgearbeitet, so daß nur noch die Querschnittszone 4 mit weitgehend ungestörter einkristalliner Struktur am Halbleiterstab verbleibt.

Aus der Fig. 1 der Zeichnung ist nach der Darstellung gleichzeitig zu entnehmen, daß die Oberfläche des ursprünglichen Halbleiterausgangskörpers zunächst noch über die Längsatisdehnung des Halbleiterstabes unregelmäßig sein kann insofern, als der Stab an verschiedenen Stellen dieser Längsausdehnung verschieden große Querschnitte senkrecht zu seiner Längsachse besitzt. Bereits durch eine Abarbeitung der Zone 2 kann er aber eine über seine Längenausdehnung gleichbleibende Querschnittsform erhalten, was unter dem Gesichtspunkt seiner gleichmäßigen Aufheizung und der Schaffung bzw. Gewährleistung eines gleichmäßigen Temperaturniveaus von Wichtigkeit ist. Bei der Abarbeitung der dann eine gleichmäßige Dicke bzw. Eindringtiefe aufweisenden Mantelzone 3 von dieser Querschnittsform wird diejenige Querschnittsform am Stab erzeugt, welche nur aus der einkristallinen Struktur des Stabes, gegebenenfalls geringer Versetzungsdichte, besteht.

Für die Oberflächenbearbeitung eines solchen Niederschlagsausgangskörpers wurde z. B. eine Sandstrahlbehandlung mittels eines Quarzsandes entsprechend einer Maschenzahl von etwa 16 900 nach der deutschen Sieb-Nummern-Bezeichnung (vgl. D'Ans Lax: »Taschenbuch für Chemiker und Physiker«, 2. Auflage, Berlin—Göttingen—Heidelberg, 1949, S. 1492) benutzt. Mit Hilfe der Sandstrahlbehandlung wurde von der Oberfläche des vorgegebenen Halbleiterstabes eine Mantelzone mit einer Dicke von etwa 60 bis 80 μ abgetragen. Der mit Sandstrahl behandelte Kern wurde mittels Tetrachlorkohlenstoff (CCl₄ p. A.) entfettet und dann vorzugsweise in einer Quarzapparatur dem Ätzvorgang unterworfen. Hierbei wurde z.B. ein Ätzmittel mit einem Anteil von 65%iger Salpetersäure (HNO₃ p. A.) und einem Anteil von 38- bis 40%iger doppeltdestillierter Flußsäure (HF p. A.) verwendet. Durch diese Ätzbehandlung, welche sich über einen Zeitraum von etwa 1 bis 2 Minuten erstreckte, wurde eine Oberflächenmantelzone mit einer Dicke von etwa 60 bis 80 μ abgetragen. Es kann dabei entweder so verfahren werden, daß man die Reaktion des Ätzvorganges abklingen läßt, oder es kann diese auch abgestoppt werden, wobei als Bremsmittel z. B. eine 65%ige Salpetersäure geeignet ist. Dann wird die Haibleiterkörperoberfläche mittels vorzugsweise mehrfach, z. B. doppeltdestillierten Wassers säurefrei gespült und der Halbleiterausgangskörper anschließend z. B. im Trockenschrank getrocknet, was unmittelbar in dem Quarzgefäß erfolgen kann. Er ist dann für seinen Einsatz als Halbleiterniederschlagskörper in der mit thermischer Dissoziation arbeitenden Niederschlagseinrichtung geeignet, in welcher er als ein von einem elektrischen Strom durchflossener Widerstandskörper auf bzw. über die Zersetzungstemperatur der chemischen Verbindung beheizt und auf dieser gehalten wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufwachsen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium, aus der Gasphase einer dieses Material enthaltenden chemischen Verbindung auf einen auf die Zersetzungstemperatur der Verbindung durch Stromdurchgang aufgeheizten, einkristallinen Stab aus dem gleichen Halbleitermaterial, dessen Stabachse parallel zu einer Achse des Kristallgitters liegt und dessen monokristalline Oberfläche vor dem Aufwachsen durch mechanische Behandlung und durch einen anschließenden Ätzprozeß freigelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mechanische Behandlung so viel von der Oberfläche abgetragen wird, daß sich ein über die gesamte Stablänge gleichbleibender Querschnitt ergibt und der Stabkern nur noch von einer durch die mechanische Behandlung erzeugten, an allen Stellen des Umfanges gleich dicken Schicht mit höherer Versetzungsdichte als im Stabkern umgeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzung bereits im Reaktionsgefäß als Gasätzung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Behandlung in der Weise durchgeführt wird, daß die Stabachse parallel zu der (111)-Richtung des Kristallgitters liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stab ein kreisförmiger Querschnitt gegeben wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1048 638.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen