DE1032852B

DE1032852B - Process and device for the production of semiconductor crystals by the crystal pulling process from the melt

Info

Publication number: DE1032852B
Application number: DES36464A
Authority: DE
Inventors: Dr Theodor Rummel
Original assignee: Siemens and Halske AG
Current assignee: Siemens and Halske AG
Priority date: 1953-11-24
Filing date: 1953-11-24
Publication date: 1958-06-26

Description

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Halbleiterkris-tallen nach dem Kristallziehverfahrdn- aus der Schmelze Es ist bekannt, Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, vorzugsweise entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise p-n-oder n-p-n-tYbergänge od. dgl. durch Ziehen eines Kristalls, vorzugsweise Einkristalls, aus der Schmelze herzustellen, indem während des Ziehens dieSchmeize jeweils mit Zusätzen von Donatoren oder Akzeptoren versehen wird. Nach diesem Verfahren können verhältnismäßig einfache Übergänge von beispielsweise positiv zu negativ leitenden Zollen hergestellt werden. Beim Versetzen der Schmelze mit einem Donator oder Akzeptor wird jedoch die Leitfähigkeit des Halble,iters verändert. Wenn nun mehrere positiv und negativ leitende Schichten hintereinander hergestellt werden sollen, ist es jedesmal notwendig, den bestehenden Leitfähigkeitszustand der Schmelze durch einen entsprechend höheren, -entgegengesetzte Leitfähigkeit verursachenden Zusatz überkompensieren. Dies bewirkt, daß bei jedem Umdotieren der Halbleiterschmelze die Leitfähigkeit in erhöhtem Maße verändert wird.Method and device for producing semiconductor crystals according to the crystal pulling process from the melt. It is known to produce transitions between zones of different conductivity types, preferably opposite conductivity types, for example pn or npn transitions or the like, by pulling a crystal, preferably single crystal of the melt by adding donors or acceptors to the melt during drawing. With this method, relatively simple transitions from, for example, positively to negatively conductive inches can be produced. When adding a donor or acceptor to the melt, however, the conductivity of the semiconductor is changed. If several positive and negative conductive layers are to be produced one after the other, it is always necessary to overcompensate the existing conductivity state of the melt with a correspondingly higher, - opposite conductivity causing additive. This has the effect that each time the semiconductor melt is redoped, the conductivity is changed to an increased extent.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers, bei dem ein Keinikörper aus der Schmelze gezogen wird während die Dotierung der Schmelze geändert wird, ist es bekannt, geschrnolzenes Halbleitermaterial aus einem Vorratsbehälter, der geheizt wird, nachfließen zu lassen, das geschmolzene Material kann aus dem Ziehgefäß in einen weiteren, über ein Ventil angeschlossenen Behälter abgelassen werden. Eine Zirkulation der Schmelze läßt sich mit einer geeigneten Pumpe von dem zweiten Behälter in den ersten Vorratsbehälter zurück vornehmen, wobei das Halbleitermaterial durch Reinigungskammern geleitet werden kann.In a method for producing a semiconductor body, in which a non-body is drawn out of the melt during the doping of the melt is changed, it is known to remove molten semiconductor material from a storage container, which is heated to allow the melted material to flow out of the The drawing vessel is drained into another container connected via a valve will. A circulation of the melt can be with a suitable pump from the Make the second container back into the first storage container, wherein the semiconductor material can be passed through cleaning chambers.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, das beim Einkristallziehen die Herstellung verschieden dotierter Schichten ermöglicht, ohne daß eine dauernde Zunahme der Leitfähigkeit nach zeitlicher Reihenfolge der Schichten eintritt.The invention has the task of finding a method that enables the production of differently doped layers during single crystal pulling, without a permanent increase in conductivity according to the chronological order of the Layers occurs.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterkristallen -nach dem Kristallziehverfahren aus der Schmelze mit einem oder mehreren Übergängen zwischen Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit und Leitungstyp, bei dem das geschmolzene Halbleitermaterial auf mindestens zwei miteinander verbundene- unterschiedliches Volumen aufweisende Gefäße anigeteilt ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Dotierung der Schmelze mit Donatoren oder Akzeptoren und das Ziehen des Kristalls in dem das kleine Volumen aufweisenden Gefäß vorgenommen wird.The invention relates to a method for producing semiconductor crystals -according to the crystal pulling process from the melt with one or more transitions between zones of different conductivity and conductivity type, in which the melted Semiconductor material on at least two interconnected- different Volume having vessels is divided. According to the invention this is achieved by that the doping of the melt with donors or acceptors and the pulling of the Crystal is made in the vessel having the small volume.

Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die Gesamtschmelze, die sich in- dem -das große Volumen aufweisenden Gefäß befindet, -verhältnismäßig wenig beeinflußt wird. Durch- geeignete Durchführung - des Verfahrens ist es hierbei möglich, auch symmetrische-Transistoren, beispielsweise Imit'symmetrischell p-n-P.L oder ii-p-n-Übergängen, herzustellen. Das Verfahreft ist besonders dann von Vo#ii#il, *wen n* eine noch größere Anzahl von übergän'g#h z -wischen Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, Wegebenenfalls unter Ei ' nfügung von eigenleitende'n Bier'eichen hergestellt werden sollen. Insbesondere -können n-p-n-p-Sc ' hichten auf diese Weise n#it großer 'Vollkommenheit ufid Gleichmäßigkeit hergest#Ilt ; 'werden, Gemäß einer besonderen' 'Ausb;ildung des Erfin"-dungsgedankens können dtd*beiden Teilgefäße sowohl bei einem Niederfrequenz'#lhduktion*sofen mit Eisen- . kern als auch bei einem Häffifrequenz-Induktionsofen, ohne Eisenkern auf einfache' Weise hergestellt werden. Es sind aber Mittel' vorzusehen, welche dW Schmelze aus dem Teil96f#iß'mit große m> Volumen# gleichmäßig in das Teilgefäß mit kleinem Volumen überführen, gegebenenfalls --itÜ Umlaufverfahren. Es ist vorgesehen, daß die SeInnelze aus dem das größeW Volumen aufweisende Gefäft, in das >zweite, das kleinere Volumen aufweisen'de-#Gefäß hineingeführt und aus 'dem -zweiten in das - emte Gefäß zurückgeführt' wird,»so daß aus der durchs.U#menden Scflmelze der Kristall gezogen wird. Gemäß einer weiteren Ausbildung wird das Volumen des kleineren Gefäßes so bemessen, daß beim Ziehvorgang praktisch alles sich in dem das kleinere Volumen aufweisenden Gefäß vorhandene Schmelzmaterial verbraucht wird, so daß zwischen den beiden Teilgefäßen nur ein Zufluß vom das größere Volumen aufweisende Gefäß zu dem das kleinere Volumen aufweisende Gefäß besteht, ohne Rücklauf von Halbleitermaterial zu dem das größere Volumen aufweisende Gefäß.In this way, the advantage is achieved that the total melt, which is the domestic - is the large volume having vessel is -verhältnismäßig little affected. Transit suitable implementation - the method it is possible in this case also symmetrical transistors, produce, for example Imit'symmetrischell pnP.L or ii-pn junctions. The Verfahreft is of particular Vo # # ii il, * n * whom an even greater number of übergän'g # hz -DO zones of different conductivity path level Falls under Ei 'nfügung to be manufactured by eigenleitende'n Bier'eichen. Npnp Sc -can particular 'n hichten thus # it large' perfection ufid uniformity mfd # Ilt; 'are According to a particular''Yield; EDUCATION of OF INVENTION "-dungsgedankens can dtd * two partial vessels' * Sofen # lhduktion with iron core as well as a Häffifrequenz induction furnace without iron core easily.' both at a low frequency manufactured manner be. There are however provide means', convert that dW melt from the Teil96f # iß'mit large m> volume # uniformly in the part vessel of small volume, optionally --itÜ circulation. It is contemplated that the SeInnelze from which the größeW volume containing Gefäft, in the "second, the smaller volume aufweisen'de- # vessel ushered and from 'the -second in that - returned AESS Emte Found'is," so that Menden from the durchs.U # Scflmelze the crystal is pulled According to a further embodiment, the volume of the smaller vessel is dimensioned so that practically all of the melting material present in the vessel having the smaller volume is used up during the drawing process, so that between the two parts There would only be an inflow from the vessel having the larger volume to the vessel having the smaller volume, without return of semiconductor material to the vessel having the larger volume.

Eine weitere Ausführung sieht vor, daß die Schmelze aus mindestens zwei großes Volumen aufweisenden Gefäßen abwechselnd oder gleichzeitig herausgeführt und mit dem das kleinere Volumen aufweisenden Gefäß in Verbindung gebracht wird.Another embodiment provides that the melt consists of at least two large volume vessels led out alternately or at the same time and is brought into communication with the vessel having the smaller volume.

In den Fig. 1 bis 4 sind einige Ausführungsformen der Einrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt.In Figs. 1 to 4 some embodiments of the device for implementing the method according to the invention are shown, for example.

1 bedeutet den Querschnitt durch ein Schmelzgefäß, das in bekannter Weise erhitzt wird und das gemäß der Erfindung aus einem großen Volumenteil V, und einem kleinen Teil V, besteht, die miteinander durch zwei Zu- und Abführungskanäle in Verbindung stehen. 2 bedeutet eine Wicklung, die zur Erzeugung eines Magnetfeldes dient, welches eine Durchrührung der Metaltschmelze bzw. Halbleiterschmelze bewirkt, welche sich unter dem Einfluß dieser Rüh#rwirkung in das Volumen T,#, und von dort wieder zurück in das Volumen V, bewegt. Aus dem Gefäßt-eil V2 wird in an sich bekannter Weise ein Kristall 3 in Richtung des Pfeiles 4 gezogen. Der Kristall 3 ist in der Zeichnung in die Zeichenebene geklappt dargestellt, sie müßte an sich ans der Zeichenebene senkrecht herausgeführt erscheinen. Die Dotierung bzw. Umdotierung der im Gefäßteil V2 befindlichen Schmelze mit Donatoren und Akzeptoren geschieht in der an sich üb- lichen Weise durch Zusatz des Donators oder Akzeptors in fest-er oder flüssiger Form. Gegebenenfalls kann man auch eine Dotierung aus der Gasphase vornehmen. Da der größte Teil des mit dem Donalor oder Akzeptor versetzten Metalls der im Volumen V., befindlichen Schmelze beim Kristallziehen verbrauchi wird und nur ein gewisser Rest in den Gefäßteil V, wieder zurückfließt, wird das Gesamtvolumen der Schmelze nicht wesentlich mit den Zusätzen verunreinigt-. so daß die Umdotierung von p- in n- oder n- in p-Leitfähigkeit nur durch geringe Zusätze möglich wird. 1 denotes the cross section through a melting vessel which is heated in a known manner and which, according to the invention, consists of a large volume part V and a small part V, which are connected to one another by two supply and discharge channels. 2 denotes a winding which is used to generate a magnetic field which causes the molten metal or semiconductor melt to be stirred through, which moves under the influence of this stirring effect into the volume T, #, and from there back into the volume V,. A crystal 3 is drawn in the direction of arrow 4 from the vessel part V2 in a manner known per se. The crystal 3 is shown in the drawing folded into the plane of the drawing, it should appear to be led out perpendicularly to the plane of the drawing. The doping or redoping of the melt located in the vessel part V2 with donors and acceptors takes place in the usual manner by adding the donor or acceptor in solid or liquid form. If necessary, doping from the gas phase can also be carried out. Since most of the metal of the melt in volume V., which has been mixed with the donor or acceptor, is consumed during crystal pulling and only a certain remainder flows back into the vessel part V, the total volume of the melt is not significantly contaminated with the additives. so that the redoping from p to n or n to p conductivity is only possible with small additions.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform im Querschnitt dargestellt, bei der das kleine Volumen V, konzentrisch in dem großen Gefäßteil V, angeordnet ist.In Fig. 2, an embodiment is shown in cross section which the small volume V, concentrically in the large vessel part V, is arranged.

In Fig. 3 ist die gleiche Anordnung in Draufsicht dargestellt. 6 und 5 bedeuten Halterungsorgane für den kleineren Gefäßteil V., 7 und 8 sind Schlitze des Gefäßteils V., durch die die Schmelze aus dem Gefäßteil V, in den Gefäßteil V, bzw. durch diesen hindurchströmen kann. Das Hindurchströmen wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel mechanisch mittels eines Rührers 9 bewirkt. Die Pfeile 10 und 11 deuten die Strömungsrichtung der Schmelze durch den kleineren Gefäßteil V, an. Damit der Spiegel 12 der Schmelze nicht unter den Boden des kleinen Gefäßteils V2 sinkt, ist vorgesehen, daß dem Gefäßteil V, von Zeit zu Zeit bzw. dauernd Halbleitermaterial in fester oder flüssiger Form nachgeliefert wird.In Fig. 3 , the same arrangement is shown in plan view. 6 and 5 mean holding members for the smaller vessel part V., 7 and 8 are slots in the vessel part V. through which the melt can flow from the vessel part V into the vessel part V or through it. According to this exemplary embodiment, the flow through is effected mechanically by means of a stirrer 9. The arrows 10 and 11 indicate the direction of flow of the melt through the smaller vessel part V. So that the level 12 of the melt does not sink below the bottom of the small vessel part V2 , it is provided that the vessel part V is replenished from time to time or continuously in solid or liquid form.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig, 4 beispielsweise dargestellt. Bei dieser Anordnung ist zunächst davon ausgegangen, daß kein Umlauf, sondern eine Zuströmung von Schmelze stattfindet, 19 deutet in Draufsicht den Kristall an, der nach oben-aus der Zeichenebene herausgezogen wird. Es sind in diesem Fall zwei große Vorratsgefäße V, und V4 vorgesehen, die groß gegenüber dem Ziehraum 13 sind. V4 ist mit n-leitendem und V, mit p-leitendem Materiaa vorsehen; beide Gefäße können abwechselnd durch Zuführungsleitungen 15 und 16, welche mit geeigneten Verschlüssen, Hähnen u. dgl. versehen sind, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, abwechselnd an das Ziehgefäß 13 angeschlossen werden. Das Ziehgefäß ist derart bemessen, daß jeweils so viel Schmelze beim Ziehen verbraucht WiTd, wie aus den Gefäßen V, und V4 zuströmt. Die Zuführungen 15 und 16 können entweder von Hand oder durch einen besonderen, in der Zeichnung nicht dargestellten Stenermechanismus automatisch nach vorher eingestelltem Rhythmus betätigt werden.Another embodiment is shown in FIG. 4, for example. In this arrangement, it is initially assumed that there is no circulation, but an inflow of melt, 19 in plan view indicates the crystal that is being pulled upward out of the plane of the drawing. In this case, two large storage vessels V 1 and V 4 are provided, which are large compared to the drawing space 13. V4 is to be provided with n-conducting and V, with p-conducting materiaa; Both vessels can alternately be connected to the drawing vessel 13 through supply lines 15 and 16 which are provided with suitable closures, taps and the like, which are not shown in the drawing. The size of the drawing vessel is such that as much melt is consumed during drawing as WiTd flows from vessels V and V4. The feeds 15 and 16 can be operated either manually or automatically by a special star mechanism, not shown in the drawing, according to a previously set rhythm.

Das Aus:Ciihrungsbeispiel läßt sich ohne Schwierigkeit in ein Umlaufverfahren umwandeln, indem entsprechende Rückläufe 17 und 18 zwischen dem Gefäß 13 und den beiden Vorratsschmelzbehältnissen VS und V4 angeordnet werden.The exemplary embodiment can be converted into a circulation process without difficulty in that appropriate return lines 17 and 18 are arranged between the vessel 13 and the two storage melt containers VS and V4.

Auch kann beispielsweise noch eine bereits vehrgeschlageneRührvorrichtung vorzugsweise magnetischer Art vorgesehen sein. Der Transport der Schmelze in das kleine, als Ziehraum dienende Teilgefäß kann gegebenenfalls mit denselben, zum RühTen dienen-den Mitteln bewirkt werden.For example, a stirring device that has already been struck can also be used preferably be provided magnetic type. The transport of the melt into the Small partial vessel serving as a drawing space can optionally be used with the same for stirring serve-the means are effected.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. A method for producing semiconductor crystals by the crystal pulling process from the melt with one or more transitions between zones of different conductivity and conductivity type, in which the molten semiconductor material is divided into at least two interconnected vessels having different volumes, characterized in that the Doping the melt with donors and / or acceptors and pulling the crystal in the vessel with the smaller volume.

2. The method according to claim 1, characterized in that the melt from the first, the larger volume having vessel in the second, the smaller volume having vessel and is returned from your second in the first vessel again. 3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the melt is led out alternately or simultaneously from at least two larger volumes having vessels and is brought into connection with the vessel having the small volume. 4. Device for performing the method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that one or more larger volume vessels are connected to the smaller volume having the vessel in the manner of communicating tubes. 5. Device according to claim 4, characterized in that the doping of the melt takes place through the surface from a donor or acceptor in the gas phase. 6. Device according to one of claims 4 and 5, characterized in that the smaller volume serving for pulling the vessel is grounded within the larger vessel and is connected to this through suitable openings, for example one or more slots. 7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that mechanically and / or electromagnetically acting means are provided which bring about the transport and / or stirring of the melt. Considered publications: German Patent No. 894 293; German interpretation document T 8148 VIIIc / 21g (published May 24, 1956); German patent application W 5787 VIII c / 21 g (published February 21, 1952).