-
In
einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers. In einem zweiten Aspekt
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen
einer Halbleitervorrichtung, wie einer Solarzelle.
-
Für die Herstellung
von Halbleitervorrichtungen werden typischerweise Halbleiter-Wafer
benötigt,
die von einem größeren Halbleiterkörper mit
einer bestimmten Qualität
abgeschnitten werden. Ein die Qualität beeinflussender Parameter
ist der Grad an vorhandenen unerwünschten Verunreinigungen, welche
die Leistungsfähigkeit
einer Halbleitervorrichtung nachteilig beeinflussen können. Metallverunreinigungen
sind typischerweise von besonderer Bedeutung.
-
Der
Qualitätsgrad
des Halbleiterkörpers
und des von diesem abgeschnittene Wafers hängt von dem Qualitätsgrad des
Ausgangsmaterials ab, aus welchem der Halbleiterkörper gebildet
wird. Folglich hat ein Hersteller solcher Halbleiterkörper nur
eine begrenzte Wahl von verwendbarem Ausgangsmaterial.
-
In Übereinstimmung
mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
eines Halbleiterkörpers
mit einem Halbleitermaterial bereit gestellt, wobei das Verfahren
umfasst:
- – Bereitstellen
eines das Halbleitermaterial aufweisenden Ausgangsmaterials;
- – Schmelzen
des Ausgangsmaterials und Bilden einer Ausgangsschmelze;
- – gerichtetes
Re-Kristallisieren eines Teils der Ausgangsschmelze, um einen Zwischenkristall und
eine Restpartie zu bilden;
- – Entsorgen
der Restpartie.
-
Das
gerichtete Re-Kristallisieren erlaubt eine Steuerung der Lage der
Verunreinigungen in dem Halbleitersystem. Es kann eine Fest/Flüssig-Grenzfläche einbeziehen,
die sich relativ zu dem verfestigten Kristall bewegt. Es wird angenommen,
dass das Vorhandensein der flüssigen
Ausgangsschmelze in Kontakt mit dem sich verfestigenden Kristall
einen reinigenden Effekt auf das Halbleitermaterial hat, das in
dem Kristall verfestigt worden ist, und zwar aufgrund der Umverteilung
der Verunreinigungen zwischen der Flüssigkeit in der Schmelze und
dem Feststoff in dem geformten Kristall. Eine solche Absonderung
von Verunreinigungen in die Flüssigkeit
führt dazu,
dass Verunreinigungen vorzugsweise in der Schmelze für die Bildung
der Restpartie verbleiben.
-
Die
Restpartie kann von dem Zwischenkristall getrennt gehalten werden,
indem der Kontakt zwischen dem Zwischenkristall und der Ausgangsschmelze
unterbrochen wird, bevor die Ausgangsschmelze vollständig abgereichert
ist. Dies kann erreicht werden, indem der Zwischenkristall aus einem Teil
der Ausgangsschmelze gezogen wird und die Restpartie in der Schmelze
belassen wird.
-
Alternativ
kann der Restpartie oder einem Teil derselben ermöglicht werden,
sich auf dem Zwischenkristall zu verfestigen, so dass sie nachfolgend von
dem Zwischenkristall zum Beispiel mechanisch entfernt werden kann.
-
Das
Verfahren zum Herstellen des Halbleiterkörpers kann dann fortgesetzt
werden durch:
- – Schmelzen wenigstens eines
Teils des Zwischenkristalls in einem Behälter, um einen Pool mit wenigstens
dem Teil des geschmolzenen Zwischenkristalls zu bilden;
- – Kristallisieren
wenigstens eines Teils des Pools, um einen Halbleiterkörper zu
bilden.
-
Indem
zuerst der Zwischenkristall erzeugt wird, wie dies beschrieben wurde,
und dann der Zwischenkristall geschmolzen wird, steht dem Hersteller des
Halbleiterkörpers
ein größerer Bereich
von Qualitätsstufen
des Halbleiter-Ausgangsmaterials zur Verfügung, um den Halbleiterkörper daraus
herzustellen. Zum Beispiel kann nun Ausschussmaterial als Ausgangsmaterial
verwendet werden, einschließlich
sogenannter Pot Scrap, was ein Nebenprodukt beim Wachsen von Halbleiterkörpern unter
Verwendung eines sogenannten Czochralski-Verfahrens ist.
-
Während des
Re-Kristallisierens des Zwischenkristalls wird die Temperatur der
Ausgangsschmelze vorzugsweise gesteuert. Damit kann die Absonderung
von Verunreinigungen gesteuert werden.
-
Optional
wird auch ein Temperaturgradient in der Ausgangsschmelze und/oder
in dem Zwischenkristall gesteuert.
-
Vorzugsweise
ist der Zwischenkristall ein Einkristall. Es hat sich heraus gestellt,
dass ein geringerer Gehalt an Verunreinigungen in dem Zwischenkristall
gefangen ist, als im Fall eines polykristallinen Zwischenkristalls.
-
Material
von einer anderen Quelle kann vor, während oder nach dem Schmelzen
der wenigstens einen Partie des Zwischenkristalls geschmolzen und dem
Pool hinzu gefügt
werden. Dies kann zum Beispiel durch Co-Schmelzen, Vermengen oder Mischen erreicht
werden.
-
Das
Erscheinungsbild des Halbleiterkörpers kann
zum Beispiel von einer Blockform in eine Waferform umgeformt werden.
Ein solches Umformen kann ein Schneiden des Halbleiterkörpers in
Wafer umfassen. Optional können
die Wafer poliert und/oder geätzt
werden.
-
In Übereinstimmung
mit einem weiteren Aspekt der Erfindung können diese Wafer in einem Verfahren
zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung verwendet werden, ferner
mit den Schritten
- – Erzeugen eines Dotierübergangs
in dem Wafer; und
- – Anwenden
weiterer Verfahrensschritte, um die Halbleitervorrichtung zu bilden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes
der Technik zu überwinden.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in größeren Einzelheiten
beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in welchen
-
1 (Teile a bis f) schematisch eine Verfahrensfolge
zum Herstellen eines Halbleiterkörpers
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
-
In
den Figuren beziehen sich ähnliche
Bezugszeichen auf ähnliche
Komponenten.
-
Mit
Bezug auf die 1 ist dort in Teilen
a bis f eine Verfahrensfolge zum Herstellen eines Halbleiterkörpers in
der Form eines Blocks 28 dargestellt, welche durch Re-Kristallisation
in Prozessen, für
welche ein Ausgangsmaterial mit höherer Reinheit erwünscht oder
erforderlich ist, die Verwendung eines Ausgangsmaterials geringerer
Qualität
erlaubt.
-
1a zeigt
im Querschnitt einen ersten Schmelztiegel 1, der von einer
Heizeinrichtung 3 umgeben ist. Die Heizeinrichtung kann
beliebiger Art sein, wie beispielsweise ein stromführender
Heizwiderstand, und kann Teil eines Ofens sein. Der erste Schmelztiegel
wurde mit einem Ausgangsmaterial in Form von Stücken 5 aus Brocken
und Klumpen mit Halbleitermaterial geringerer Qualität beladen.
Dies kann jede Art von Halbleitermaterial sein, von welchem Silizium
ein weit verbreitetes Beispiel ist. Silizium von metallurgischer
Qualität
kann auch verwendet werden. In der folgenden Erläuterung wird davon ausgegangen,
dass der Halbleiter aus Silizium ist.
-
In
dem vorliegenden Beispiel ist der Schmelztiegel aus einem Bariumbeschichteten Quarzmaterial
gebildet.
-
Das
niederwertige Silizium kann in Form von zum Beispiel Ausschussmaterial
bereit gestellt werden, einschließlich von Abfallprodukten aus
anderen Prozessen. Es kann sogenannten Pot Scrap umfassen, welcher
Silizium ist, das in einem Schmelztiegel nach Durchführung eines
Czochralski-Wachstums zurückgeblieben
ist. Es kann auch andere Formen aufweisen, wie kleine Teilchen,
Staub, von der Solarzellenindustrie oder anderen Halbleiterindustrien
entsorgte oder zurückgewiesene
Wafer oder Bruchstücke
derselben.
-
Der
mit dem niederwertigen Silizium beladene Schmelztiegel wird ausreichend
erhitzt, um ein Schmelzen des Siliziums zur Bildung einer Ausgangsschmelze
zu erlauben. Typischerweise beträgt der
Schmelzpunkt von Silizium etwa 1421 °C. Dann wird aus der Ausgangsschmelze 10 ein
Zwischenkristall 7 gezogen, wie dies schematisch in 1b dargestellt
ist. Dies kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Kristall-Zuchtverfahrens herbei geführt werden,
einschließlich
dem sogenannten Czochralski-Verfahren.
-
Ein
Kristall-Wachstumsverfahren nach Czochralski umfasst typischerweise
die folgenden Schritte:
- 1) einen Schmelztiegel,
der üblicherweise
aus einem Material hergestellt ist, das geschmolzenes Silika oder
Quarz umfasst, wird mit einer Charge Silizium beladen und optional
mit Dotierstoffatomen als Verunreinigung, wie Bor oder Phosphor oder
ein anderes Atom aus den Gruppen III oder V des Periodensystems,
ergänzt;
- 2) der Schmelztiegel wird in eine Wachstumskammer gestellt;
- 3) die Wachstumskammer wird dann evakuiert, indem im Wesentlichen
das innen vorhandene Gas abgezogen wird;
- 4) die Wachstumskammer wird dann mit einem inerten Spülgas wieder
aufgefüllt,
normalerweise in Form von Argon, um den Eintritt von Umgebungsgasen
in die Schmelze während
des Kristallwachstums zu verhindern;
- 5) die Siliziumcharge in der Wachstumskammer wird dann geschmolzen.
- 6) ein Keim von kristallinem Silizium (typischerweise mit einem
Durchmesser oder einer Breite von zwischen 3 und 10 mm, zum Beispiel
etwa 5 mm, und einer Länge
von zwischen 100 bis 300 mm) wird in das geschmolzene Silizium eingesetzt.
Der Keim kann vorbestimmte Ausrichtungstoleranzen haben;
- 7) der Kristallkeim wird dann mit einer kontrollierten Rate
nach oben gezogen. Der Kristallkeim kann gedreht werden, oder der
Schmelztiegel, oder beide werden in entgegen gesetzte Richtungen
gedreht, während
dieser Ziehprozess erfolgt.
-
Weitere
Details zum Czochralski-Wachstum sind zu finden in F. Shimura, Semiconductor
Silicon Crystal Technology, Academic Press (San Diego, CA, 1989),
welche hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
-
Weitere
Kristallisationsverfahren können
jedoch auch zur Reinigung verwendet werden, vorzugsweise dann, wenn
ein solches Verfahren in der Lage ist, die Schmelze gerichtet zu
kristallisieren. Eine gerichtete Kristallisation erlaubt die Steuerung der
Anordnung der Verunreinigungen in dem resultierenden Siliziumblock.
Diese Region hoher Konzentration von Verunreinigungen würde die
Restpartie sein, die dann durch mechanische Mittel entfernt werden
kann. Ein Beispiel eines solchen Kristallisationsverfahrens ist
der sogenannte Schwebezonenprozess.
-
In
dem Rest dieser Erläuterung
wird davon ausgegangen, dass das gerichtete Kristallisationsverfahren
gemäß dem Czochralski-Verfahren
erfolgt. Im Grunde wird die Verfestigung des geschmolzenen Siliziums,
die zu dem Zwischenkristall führt,
durch die Einführung
eines Stücks
festen Siliziums in das die Ausgangsschmelze bildende flüssige Silizium
initiiert. Ein Steuern des Wärmeeintrags
und der thermischen Bedingungen des Ofens zusätzlich zu der Ziehrate ermöglicht,
dass das Silizium auf dem Siliziumstück kristallisiert, welches
in die Schmelze eingesetzt wurde. Typischerweise kann der Schmelztiegel 1,
der Zwischenkristall 7 oder beide, während des Ziehvorgangs mit
einer gesteuerten Rate um eine zentrale vertikale Achse gedreht
werden.
-
Die
Kristallisation des Zwischenkristalls kann fortgesetzt werden, bis
nahezu die gesamte Charge von Silizium zu dem Zwischenkristall 7 kristallisiert ist,
eine Situation, die in 1c gezeigt ist. Während des
Prozesses der Zwischenkristallisation werden sich Verunreinigungen
zwischen dem Feststoff und der Flüssigkeit in unterschiedlichem
Maße absondern.
Die abgesonderten Verunreinigungen werden in dem Restteil 13 der
Ausgangsschmelze enthalten sein, der in dem Schmelztiegel 1 verbleibt.
-
Der
Restteil wird entsorgt, um so eine Wiedereinführung der abgesonderten Verunreinigungen in
dem restlichen Prozess zu vermeiden.
-
Es
wird angenommen, dass metallische Verunreinigungen, welche für die elektrischen
Eigenschaften des herzustellenden Halbleiterkörpers von Bedeutung sein können, dazu
neigen, sich deutlich abzusondern. Das Ziehen des Zwischenkristalls
soll deshalb zu einer signifikanten Verringerung derselben und vermutlich
auch anderer schädlicher
Verunreinigungen führen.
-
Der
Absonderungseffekt soll in einer beliebigen Form der Verfestigung
stattfinden. Dieser Reinigungseffekt hat sich als besonders deutlich
herausgestellt, wenn eine kontrollierte Verfestigung verwendet wird,
die sich aus einem im Wesentlichen einkristallinem Zwischenkristall
ergibt. In Fällen
jedoch, in welchen das Zwischenkristall seine einkristalline Struktur
verloren hat und deshalb eine polykristalline Struktur aufweist,
hat sich der Reinigungseffekt immer noch als ausreichend herausgestellt,
um ein Material zu ergeben, dass als ein Ausgangsmaterial zum Ziehen
eines Kristalls für
die Verwendung als Basismaterial zur Herstellung einer Solarzelle
verwendbar war.
-
Auch
das so niedrig Halten wie möglich
von Kristallbaufehlern in dem einkristallinen Zwischenkristall vergrößert den
Reinigungseffekt, da angenommen wird, dass Baufehler größere Einbauorte
für Unreinheiten
bilden können.
-
In
einem Schritt, der in 1d dargestellt ist, wurden Teile
des Zwischenkristalls 7 in einen Behälter geladen, welcher in der
dargestellten Ausführungsform
die Form eines zweiten Schmelztiegels 19 hat. Vorzugsweise
unterscheidet sich der Schmelztiegel 19 von dem ersten
Schmelztiegel 1, der zum Aufnehmen der Ausgangsschmelze
verwendet wurde, um so ein Wiedereinführen von Teilen der Restpartie 13 in
den noch verbleibenden Prozessablauf zu vermeiden.
-
Diese
Teile sind schematisch als Scheiben 16 dargestellt, die
von dem Zwischenkristall 7 abgeschnitten sind, sie können aber
in einer anderen Form bereit gestellt werden. Zum Beispiel kann
der Zwischenkristall mechanisch in (kleine) Stücke zerbrochen sein. Die Größe der Stücke kann
kontrolliert werden, um den Prozess des Beladens in einen Behälter, zum
Beispiel in einen Schmelztiegel, für das finale Wachstum zu erleichtern.
Die Zwischenkristallstücke
können
mit anderen Formen von Silizium vermengt werden. Einer der Vorteile
wäre, den
Vorgang des Beladens der Charge in einen Schmelztiegel zu optimieren.
-
Die
Stücke
oder Scheiben können
geätzt
und getrocknet werden, um eine Oberflächenkontaminierung vor dem
Beladen derselben in den zweiten Schmelztiegel 19 zu beseitigen.
-
Vorzugsweise
kann die Widerstandsfähigkeit des
Zwischenkristalls und/oder die der einzelnen Scheiben oder Stücke bestimmt
werden. Diese Information wird eine genaue Bestimmung des Betrages an
Dotieratomen erleichtern, welcher der finalen Charge hinzu gegeben
werden muss, um einen gewünschten
Wert für
die Widerstandsfähigkeit
zu erhalten.
-
Zusätzlich zu
den Stücken 16 des
Zwischenkristalls 7, aber nur optional, werden Stücke 22 aus Silizium
aus einer anderen Quelle in den zweiten Schmelztiegel 19 geladen.
Diese Stücke 22 können hochwertige
jungfräuliche
Siliziumstücke
von ausreichender Qualität
für das
Wachstum des Halbleiterkörpers
oder andere Stücke
aus einem anderen Zwischenkristall sein.
-
Der
zweite Schmelztiegel 19 zusammen mit diesen Stücken 16 des
Zwischenkristalls wird dann erhitzt, um die Stücke 16 des Zwischenkristalls
zu schmelzen und dadurch einen Pool 25 zu bilden (siehe 1e),
der von dem Zwischenkristall 7 stammendes Material umfasst.
-
Wenigstens
ein Teil des Pools 25 wird dann kristallisiert, um den
Halbleiterkörper
in Form eines Blockes 28 zu bilden. Es sei angemerkt, dass
die Kristallisation unter Verwendung des Czochralski-Verfahrens
durchgeführt
werden kann, wie dies schematisch in den 1e und 1f dargestellt
ist, oder unter Verwendung eines anderen geeigneten Verfahrens,
wie beispielsweise ein Abkühlen
in einer Düse,
um einen polykristallinen Halbleiterkörper zu bilden.
-
Einer
der Vorteile der Verwendung des Czochralski-Verfahrens während der
Re-Kristallisationsphase ist, dass Verunreinigungen eine weitere Gelegenheit
haben, sich aus dem den Halbleiterkörper bildenden Kristall abzusondern.
Zudem kann der sich ergebende Block, welcher den Halbleiterkörper bildet,
einen Durchmesser von bis zu 4 Inch (etwa 10 cm) oder mehr haben,
wie beispielsweise 5 Inch (12,5 cm) oder 6 Inch (15 cm).
-
Optional
wird die zweite Kristallisation durchgeführt, indem wieder ein gerichtetes
Re-Kristallisationsverfahren verwendet wird, um einen zweiten Zwischenkristall
zu bilden. Die Schritte entsprechend der 1b und 1c können somit
einmal oder mehrfach unter Verwendung bereits früher fortlaufend gewachsener
Zwischenkristalle wiederholt werden, bevor zu den finalen Kristallisationsschritten
entsprechend der 1c bis 1e gelangt
wird.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann, anstelle der Zuladung von Stücken des finalen Zwischenkristalls
in einen Schmelztiegel, der finale Zwischenkristall geschmolzen
werden, indem dieser vorsichtig in einen das vorgeschmolzene Silizium
im zweiten Schmelztiegel 19 enthaltenden Pool abgesenkt
wird. Das vorgeschmolzene Silizium kann zum Beispiel durch Schmelzen
einer relativ kleinen Menge von Silizium 22 aus einer anderen
Quelle in dem zweiten Schmelztiegel 19 erhalten werden.
Einer der Vorteile einer solchen Ausführungsform wäre, dass der
Zwischenkristall in der Wachstumsvorrichtung in Schwebung gehalten
werden kann, während
der erste Schmelztiegel 1 mit der Restpartie 13 durch
den zweiten Schmelztiegel 19 ersetzt wird.
-
Der
gewachsene Block kann weiter verarbeitet werden. Zum Beispiel kann
dieser in Wafer geschnitten werden, zum Beispiel durch einen Sägevorgang,
um einen Halbleiterkörper
in Form eines Wafers zu erhalten.
-
Die
Wafer können
optional geätzt
und/oder poliert werden, bevor sie weiter verarbeitet werden, so
dass sie eine Halbleitereinrichtung, zum Beispiel ein Fotoelement,
bilden. Ein Beispiel für
ein solches Fotoelement kann eine Solarzelle sein.
-
Typischerweise
kann, um eine solche Halbleitereinrichtung herzustellen, ein Dotierübergang
im Wafer erzeugt werden, der einen p-n-Übergang bildet. Andere Prozessschritte
können
auch angewendet werden, um die Halbleitereinrichtung zu bilden, einschließlich ein
oder mehrerer Schritte ausgewählt aus
der Gruppe von lithografischen Schritten, (örtlichem) Oxidwachstum, Applikation
elektrischer Kontakte, Ätzen,
Polierschritte.
-
Die
Minoritäts-Ladungsträger-Lebensdauer in
der Masse ist ein guter Indikator für die Kristallqualität, da sie
mit der finalen elektrischen Leistungsfähigkeit von Solarzellen in
Korrelation gebracht wurde. Eine Analyse der mittleren Lebensdauerwerte
von Siliziumkristallen, die mit einem gewissen Betrag an verunreinigten
Pot Scrap-Silizium gewachsen sind, wurde durchgeführt. Das
Pot Scrap-Silizium wurde zuerst verunreinigt, indem ein Zwischenkristall
unter Verwendung des Czochralski-Wachstumsverfahrens hergestellt
wurde, wie dies oben ausgeführt
wurde. Ein Vergleich wurde mit Siliziumkristallen durchgeführt, die
mit einem standardmäßigen Poly-Siliziumgemisch aus
hochwertigem Polysilizium gewachsen sind, welches kleine und größere Stückchen enthielt, wie
sie durch den sogenannten Siemens-Prozess erhalten werden, und optional
auch granulare Siliziumkügelchen,
wie sie durch ein Wirbelschichtverfahren erhalten werden.
-
Die
Ergebnisse zeigen, dass ein Kristallwachstum aus zwischenkristallisiertem
Pot Scrap, einer Form niederwertigem Silizium aus einem Czochralski-Wachstumsprozess,
Lebenszeiten haben, die sich nicht gegenüber der Verwendung höherwertigen
Siliziums unterscheiden.
-
Mit
der oben beschriebenen Methodik kann nun niederwertiges Ursprungsmaterial,
das vorher typischerweise nicht zur Herstellung von Sili ziumkristallen
für die
Solarindustrie erwünscht
war, nun unter Verwendung der vorliegenden Erfindung gereinigt werden.
Silizium-Pot Scrap ist zum Beispiel viel billiger als (hochwertiges)
jungfräuliches
Silizium. So liefert ein Verfahren zum Reinigen dieses Siliziums
eine insgesamt preiswertere Siliziumversorgung. Die Verwendung von
niederwertigem Silizium liefert preiswertes Silizium und erhöht die Siliziumversorgung, indem
nicht verwendbares Silizium verwendbar gemacht wird. Das Verwenden
von gereinigtem niederwertigen Silizium, beispielsweise in einem
Herstellungsprozess für
eine Solarzelle oder in einem Herstellungsprozess für eine andere
Halbleitereinrichtung, sorgt für
verbesserte elektrische Resultate gegenüber der Verwendung von ungereinigtem
Silizium.
-
Obwohl
die dargestellten Ausführungsformen
vorstehend mit allen Einzelheiten beschrieben wurden, ist klar,
dass verschiedene weitere Modifikationen für den Fachmann ohne Weiteres
deutlich werden und durchgeführt
werden können,
ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Demgemäß ist nicht beabsichtigt, dass
der Schutzbereich der folgenden Ansprüche auf die hier angegebenen
Beispiele und Beschreibungen beschränkt ist, sondern dass die Ansprüche so gebildet
sind, dass sie Merkmale umfassen, welche für die Fachleute, welche von dieser
Erfindung angesprochen werden, als Äquivalente behandelt werden.