DD263310A1

DD263310A1 - Verfahren zur halbleiterkristallzuechtung aus elektrisch leitfaehigen schmelzen

Info

Publication number: DD263310A1
Application number: DD30610087A
Authority: DD
Inventors: Juergen Wollweber; Winfried Schroeder
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-08-17
Filing date: 1987-08-17
Publication date: 1988-12-28

Abstract

Verfahren zur Halbleiterkristallzuechtung aus elektrisch leitfaehigen Schmelzen, insbesondere bei der Einkristallzuechtung nach dem Czochralski-Verfahren und dem Float-Zone-Verfahren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Kristallrotation erzwungene Konvektion in der Schmelze vollstaendig auszuschliessen. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass an die elektrisch leitfaehige Schmelze ein rotierendes horizontales Magnetfeld so angelegt wird, damit es der Umdrehungsgeschwindigkeit des Kristalls vollstaendig oder annaehernd entspricht. Damit entfaellt ein streifenfoermiger Einbau von Fremdstoffbeimengungen in den Kristall.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet Anwendung zur Züchtung von Halbleiterkristallen oder solchen Kristallen, deren Schmelzen magnetisch sind. Insbesondere kann die Erfindung bei der Einkristallzüchtung nach dem Czochralski-Verfahren und dem Float-Zone-Verfahren benutzt werden,

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Temperaturverteilung und Strömungsverhältnisse in der Schmelze bestimmen die Kristallstruktur und die Fremdstoffverteilung im gezüchteten Kristall. Insbesondere in großen Schmelvolumina, wie sie heute beim Czochralski-Verfahren vorliegen, müssen diese Strömungsverhältnisse stärker als bisher beachtet werden. Zur Unterdrückung der Strömungen werden Magnetfelder zunehmend angewendet.

— Magnetfeld parallel zur Züchtungsrichtung (VM)

— Magnetfeld senkrecht zur Züchtungsrichtung (HM)

Der Aufwand zur Erzeugung der relativ hohen Magnetfelder ist beträchtlich und liegt etwa in dergleichen Höhe wie für die Züchtungsanlage selbst. Umstritten ist noch immer die Höhe und Art des Magnetsystems und die Höhe der Feldstärke. Es werden vertikale und horizontale, schräge, teilweise sich durchdringende Magnetfelder und mehrere gleichzeitig wirkende Felder i^den Bereichen (0,1 ...0,5) Tesla vorgeschlagen. Die durch entsprechende Heizerkonfigurationen gebildete rotierende Magnetfelder (etwa 3000min~¹⁷ Netzfrequenz) sollen zu einem gleichmäßigen Abtrag des Quarz (SiO₂)-Tiegels und damit zu einem axial gleichmäßigen Einbau des Sauerstoffs im Kristall führen. Mit der. Unterdrückung der Strömungen im Kristall sollen insbesondere der streifenförmige Einbau der Verunreinigungen und Dotierungen im Kristall verhindert werden. Diese Streifungen, die auf einem Anstand a = ν/ω folgen (ν = Züchtungsgeschwindigkeit, ω = Rotation des Kristalls), mindern die Qualität des Siliziumkristalls und.führen zu Problemen in der Bauelementeproduktion. Bei Bauelementen der Leistungselektronik kommt es nach der Diffusion beim BE-Prozeß an den Orten der Streifungen (Striation) zu Durchbrüchen bzw. zu weichen Kennlinien durch ein ungleichmäßiges Diffusionsprofil. Bei Bauelementen der Mikroelektronik im VLSI-und ULSI-Bereich ist die Forderung „Striation-Freiheit" ebenfalls eine Notwendigkeit.

Bei den Untersuchungen zur Unterdrückung der Strömungen und der Streifungen hat sich gezeigt, daß die Höhe des Magnetfeldes nicht unmittelbar in Beziehung steht zur Bedämpfung der Strömungen. Die Zusammenhänge sind offensichtlich weit komplizierter und es zeigt sich, daß trotz der weitemwickelten appartiven Techniken, die weiter untersucht wurden, noch immer unerwünschte Strömungen und Streifungen auftreten. Messungen zeigen, daß es gelingt die thermische Konvektion weitestgehend zu unterdrücken, aber es treten weiterhin Striation auf. Offensichtlich bestehen noch andere Ursachen einer Konvektion, die nicht unterdrückt werden.

Man unterscheidet bekanntlich die thermische Konvektion (Auftriebskräfte) und die erzwungene Konvektion, ausgelöst durch die Kristallrotation. Bei Float-Zone-Verfahren kommt als weitere Ursache noch die Konvektion durch elektrodynamische Kräfte hinzu.

Während man sich weiter intensiv mit der Unterdrückung der thermischen Konvektion beschäftigt hat und dies auch weitestgehend gelungen ist, ist die erzwungene Konvektion offensichtlich noch vorhanden, da die Geschwindigkeiten hier wesentlich geringer sind als die derthern 'sehen Konvektion und die Dämpfung durch das Magnetfeld entsprechend geringer ist. Es kommt durch die Rotation zu einer dauernden Veränderung der Lage der Kristallisationsphasengrenze und der davor liegenden Schmelze. Damit treten immer noch Striation auf.

Bekannt ist, daß auch bei optimaler Einstellung von Magnetfeldstärke (vertikales Magnetfeld), Kristallrotation und Tiegelrotation eine deutliche Widerstandsvariation (radial und axial) besteht, die Striation sind weiter vorhanden. Optimale Bedingungen bestehend immer nur über bestimmte Kristallängen, dann müssen neue optimale Werte gefunden werden. (K. Hoshikawa, H.Kohda, H.Hirata Jap. J. appl. Phys.23 [1984] 2, L.37-L.39) Nach (K.G.Barraclough, R.W.Series, u.a. Semiconductor Silicon 1986, The Electrochemical Soc.) wird durch die die Kristailrotation beim Züchten im Magnetfeld ein deutlich ausgeprägter Einfluß auf die Sauerstoffverteilung (radial) festgestellt. .

Nach (J.W. Moody, Semiconductor Silicon 1986, The Electrochemical Soc.) ist die radiale Homogenität der (^-Konzentration . beim Züchten im vertikalen Magnetfeld schlechter als beim horizontalen Magnetfeld bzw. ohrie Magnetfeld. Striation im Kristall treten sowohl bei dem einfach zu rotierenden transversalen Magnetfeld als beim aufwendig zu realisierenden axialen Magnetfeld auf. Nutzt man die rotierende Wirkung des wechselstrombeheizten Tiegels aus und läßt das Magnetfeld beispielsweise mit 3 000 Umdrehungen pro Minute rotieren, so führt dies zwar zu veränderten Fließmustern in der Schmelze, die Sauerstoffkonzentration ist jedoch weiterhin inhomogen über die Kristallänge verteilt (K. Hoshikawa, H. Hirata, H. Nakanishi, K. Ikuta, in Semiconductor Silicon 1981, Seite 101, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, 1981) Als Ursache wird die Veränderung der Fließmuster und damit der Einbaubedingungen bei veränderten Tiegelvolumen angesehen. Kim, K. M. und P.Smetana (J. Crysl. Growth 73 [1985] 1-9 finden in einer Untersuchung über den Zusammenhang von Striation und Temperaturfluktuationen auch beiO,4T noch, insbesondere am Rande der Kristalle, sinusförmige Streifungen.) K. G. Barracloough und R.W. Series u. a. (Semiconductor Silicon 1986 Boston) stellen eine Abhängigkeit der Ausbildung von Widerstandsprofilen (radial) von der Keimrotation auch beim Vorliegen eines hohen vertikalen Magnetfeldes fest. Die Ursache ist in der großen Wirksamkeit der Keimrotation zu sehen, da sie unmittelbar an der Erstarrungsphasengrenze auftritt, wo die Einbauprozesse beim Kristallisationsvorgang stattfinden. Von diesem Zusammenhang ist in der Lösung JP 58-143540 ausgegangen worden. Jedoch ist dieser Vorschlag, die Anlage eines separaten, extra auf die Kristallisationsphasengrenze wirkenden Magnetfeldes, ohne Wirkung, da die Ursache, die Rotation des Kristalls und damit das Auftreten der zwingenden Konvektion nicht verhindert werden kann.

Hirata und Mitarbeiter (J. Crysl. Growth 70 [1984] 330-334) finden, daß mit steigender Magnetfeldstärke (VM) ein Maximum der Homogenität bei etwa 0,1 T erreicht wird, bei höheren Werten fällt die Homogenität der eingebauten Fremdstoffe wieder stark ab. Sie erklären dies mit einem starken Anwachsen der Diffusionsgrenzschicht δ. Sie geben aber keine weitere Deutung dieses Phänomens. Die Deutung dieser Erscheinung kann nur im Zusammenhang von Kristallrotation, ggf. Tiegelrotation und Magnetfeldstärke gesehen werden.

Nach den von L N. Hjellming, J. S. Walker, 8. Intern. Conference on Crystal Cross York 1986 durchgerührten Modellrechnungen zum Einfluß der Rotation von Keim und Tiegel bei verschiedenen Magnetfeldstärken erscheint es (theoretisch) möglich, Kristalle mit sehr güter MikroStruktur und akzeptabler radialer Konzentrationsverteilung bei geeigneter Wahl der Kristall- und Tiegelrotation und der magnetischen Feldstärke zu erhalten.

Offensichtlich müssen für das Erreichen einer hohen chemischen und physikalischen Homogenität der Kristalle folgende Forderungen eingehalten werden:

— eine dicke Diffusionsgrenzschicht δ damit keine Striation auftreten und '

— nur geringste Strömungen in der Nähe der Erstarrungsphasengrenze, damit die relativ dicke Diffusionsgrenzschicht δ nicht beeinflußt wird.

Offensichtlich wird nach dem bei einem relativ starken Magnetfeld die thermische Konvektion im hohen Maße unterdrückt, weiter wirksam ist aber, in Verbindung mit.dem Magnetfeld, die erzwungene Konvektion, die dann verstärkt bemerkbar auf die Diffusionsgrenzschicht wirkt und deren Stärke verändert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine absolute Verhinderung eines streifenförmigen Einbaus von Dotierungen, Verunreinigungen und Mikrodefekten bei der Züchtung von Halbleiterkristallen aus elektrisch leitfähigen Schmelzen erstmalig zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Kristallrotation erzwungene Konvektion in der Schmelze vollständig auszuschließen.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß an die elektrisch leitende Schmelze ein rotierendes horizontales Magnetfeld so angelegt wird, damit es der Umdrehungsgeschwindigkeit des Kristalls vollständig oder annähernd entspricht. Weiterhin kann das mit der gleichen oder annähernd gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit des Kristalls rotierende horizontale Magnetfeld so an die elektrisch leitende Schmelze angelegt wird, damit es nur auf die Erstarrungsphasengrenze einwirkt, während ein weiteres Magnetfeld auf die Schmelze so einwirkt, daß eine homogene Durchmischung erreicht wird.

Nach Burton, Prime und Slichter erfolgt der Einbau der Verunreinigungen entsprechend dem effektiven Verteilungskoeffizienten

(J. Chem. Phys., 21 [1953] 1987:

ko

k_EFF =

ko + (1 - ko) exp (-δ/ο · ν)

D Diffusionskonstante

δ Diffusionsgrenzschicht . '.

V Züchtungsgeschwindigkeit

ko Gleichgewichtsverteilungskoeffizient

Die Gleichung zeigt, daß bei einem sehr großen Wert der Diffusionsgrenzschicht der effektive Verteilungskoeffizient gegen Eins geht. Durch den gleichen Drehsinn von KristalIrotation und rotierendem Magnetfeld entfallen die Einflüsse der erzwungenen Konvektion, so daß sich eine stabile Diffusionsgrenzschicht aufbaut. Diese Grenzschicht in nur noch durch die Diffusion, also durch einen sehr langsam ablaufenden Prozeß zu verändern. Damit entfällt ein streifenförmiger Einbau von Fremdstoffbeimengungen in den Kristall und die Konzentration der Mikrodefekte wird entscheidend verringert.

Ausführungsbeispiel

Die Ausführungsbeispiele werden an den Zeichnungen erläutert.

. 1. Ausführungsbeispiel

Bei der Züchtung aus dem Tiegel (Czochralski-Verfahren) wird aus der Schmelze(1) ein Kristall (2) herausgezogen. Entscheidend für alle kristallisationsabhängigen Prozesse, wie Striation-, Mikrodefektbildung und Widerstandeinbau, ist die Phasengrenze (3). Die Schmelze (1) befindet sich in einem Tiegel (4) der in einer Grafithalterung gehaltert wird. Mit (6) ist die Heizung bezeichnet. Über dem Tiegelbereich ist ein Magnet (7) angeordnet, derein horizontales, rotierendes Magnetfeld erzeugt. Erfindungsgemäß soll das Magnetfeld in der gleichen oder annähernd gleichen Geschwindigkeit wie der Kristall rotieren. Beispielsweise soll die Kristallrotation 2...4min"¹ betragen und damit auch die Rotation des Magnetfeldes.

2. Ausführungsbeispiel

Aus der Schmelze (1) wird ein Kristall (2) herausgezogen. Mit (3) ist die Kristallisationsphasengrenze bezeichnet. Im Bereich des Tiegels (4) und der Halterung (5) und Heizung (6) sind 2 Magnete angeordnet (8 und 9). Während ein Magnet (8) nur im Bereich der Phasengrenze (3) wirksam wird, übt der Magnet (9) seinen Einfluß auf die übrige Schmelze (1) aus. Der Magnet (8) erzeugt ein horizontales, rotierendes Magnetfeld, das in der gleichen oder annähernd gleichen Geschwindigkeit wie der Kristall rotiert. Der Magnet (9) soll ebenfalls ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, aber mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit als die .Kristallrotation.

Beispiele; · Kristallrotation: 2...4min"¹

• Rotation des Magnetfeldes im Bereich des Magneten 7:2...4min~¹

• Rotation des Magnetfeldes im Bereich des Magneten 8:3000min~¹

3. Ausführungsbeispiel:

Bei der tiegelfreien Züchtung, speziell von Silizium-Einkristallen (Float-Zone-Technik) wird eine Schmelze (1) von unten nach . oben transportiert. Der Einkristall (2) befindet sich unten, ebenso die Kristaliisationsphasengrenze (3). Der Induktor (10) ist die Wärmequelle (Hochfrequenz). Der Magnet (7) erzeugt ein horizontales, rotierendes Magnetfeld, das in der gleichen oder annähernd gleichen Geschwindigkeit wie der Kristall (2) rotiert

Beispiel: Kristallrotation: 2...SmIn"¹

Rotation des Magnetfeldes: 21 ...8min"¹

Claims

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Patentansprüche:

1. Verfahren zur Halbleiterkristallzüchtung aus elektrisch leitfähigen Schmelzen unter Magnetfeldeinfluß, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Kristallisations-Erstarrungsphasengrenze Magnete vorgesehen sind, die rotierende transversale Magnetfelder synchron zur Kristallrotatioh erzeugen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Vergleich zur Kristallrotation gleich schnell, oder annähernd gleich schnell drehendes Magnetfeld räumlich auf den Bereich der Wachstumsphasengrenze des Kristalls beschränkt ist, und ein zweites unabhängiges Magnetfeld auf das eigentlicheSchmelzvolumen wirkt.