DE1061904B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterkoerpern durch Rekristallisation aus einer Schmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung lictrifTt Verfahren zum Herstellen von Halbleiterkörpern mit verhältnismäßig homogener Dotierung, d. h. homogenen elektrischen Kennwerten, wie 7.. B. spcz. Widerstand, durch Rekristallisation, z. B. Kristallziehen, aus einer mit wenigstens einem Aktivatormatcjial dotierten Schmelze, wobei das Aktivatomiaterial in der flüssigen'Phase' erheblich unterschiedlichere Löslichkeit zeigt als in der festen Phase des Halbleiters.

Ein solches Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung T7286\^;IIIc/21g offenbart, bei dem das gewünschte Ergebnis dadurch erreicht wird, daß der Schmelze weiteres Halbleitermaterial zugesetzt wird, so daß das \⁷olumcn der Schmelze und die Konzentration des Aktivatormaterials konstant gehalten werden.

Dieses Verfahren hat die Nachteile, daß es die anfängliche Erzeugung von homogenem Material zum' Zusetzen zu der Schmelze erfordert, eine komplizierte Einrichtung zu seiner Durchführung benötigt und Reste an Halbleitermaterial im Schmelztiegel zurückbleiben.

Erfindungsgemäß wird die Rekristallisations- bzw» Ziehgeschwindigkeit so geregelt, daß die unterschiedliche "Löslichkeit der Aktivatormateriafien durch die erhöhte Verdampfung wenigstens seines Aktivatormaterials aus der Schmelze kompensiert wird.

An Hand eines Beispiels wird nunmehr "das Ver-.fahren gemäß der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung beschrieben, die eine Seitenansicht, zum Teil aufgeschnitten, um innere Einzelheiten, teilweise im Schnitt, zu zeigen, einer Apparatur zum Herstellen einzelner Kristalle aus Silizium ist.
" Xach der Zeichnung enthält die Apparatur eine hermetisch abgeschlossene Umhüllung, die von einem röhrenförmigen metallischen Rezipienten 1 gebildet wird, 'deren Enden von der oberen und der Basismetall-' platte 2 bzw. 3 abgeschlossen sind, wobei in die obere Platte 2 eine Beobachtungsöffnung 4 eingelassen ist, deren äußeres Ende von einem Quarzfenster (nicht dargestellt) abgeschlossen wird, durch das die in dem Rezipienten durchgeführten Operationen beobachtet werden können. Der Recipient ist. an eine Pumpenanlage (nicht dargestellt) angeschlossen über · ein Pumprohr 5, an das ein Vakuum 6 angeschlossen ist.

Im Rezipienten befindet sich ein zylindrischer Tiegel 7 aus reinem geschmolzenem Siliziumdioxyd, d. h. Quarzglas, der innerhalb eines runden zylindrischen Graphitbechers 8 ruht, der als elektrischer • Widerstandsheizer dienen kann. Der Becher 8 setzt sich nach unten in einen runden zylindrischen Graphit-, mantel 9 fort, mit dem er eine Einheit bildet. Der Graphitmantel 9 ist in der Längsrichtung gespalten, so daß sich zwei halbzylindrische Teile bilden, von denen

von Halbleiterkörpern
durch Rekristallisation aus einer Schmelze

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Schmitzdorfi,

Dr.-Ing. H. ftusdike, Berlin-Friedenau, Lauterste. 37.

und I -pL-Ing^ K. Grentzenber&..Mübchen.22,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:"

Großbritannien-vom 6. September 1955

Stanley Edwin Bradshaw und Abraham Isaac Mlavsky, Wembley, Middlesex (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt e

jeder einen Schlitz besitzt, in <jen das eine Ende eines von zwei halbzylindrischcn Graphitgliedern 10 und ti hineinpassen, die als Träger dienen und einen Teil der Stromzuführung für den Heizer 8 darstellen, wobei die GHedcriO und 11 selbst an Metallstäben 12 und 13 angebracht sind, die ihrerseits afj den Metallschrauben ■ 14 und 15 befestigt sind, die durch die Basiiplatte 3 so hindurchgeführt sind, daß -sie von dieser elektrisch isoliert sind. Der Tiegel 7 und der Heizer 8 sind von einem Metall reflektor 16 umgeben, wobei ein weiterer Wäraereflektor 17innerhalb des Graphitmantels 9 arigeordnet ist und wobei der Reflektor 16 «nd 47 mittels der Quarzstäbe 18 und 19 gehalten werden, die ihrerseits an einem metallenen Kreuzglied (in der Zeichnung nicht dargestellt) angebracht sind, das sich über die "öffnung des Pumprohres S hinweg erstreckt Beim Arbeiten der Einrichtung wird die Temperatur des Heizers 8 mittels eines Edelmetall-Thermoelements, das dfe Elemente 20 und 21 enthält, gemessen, wobei die heiße Verbindungsstelle des Temperaturfühlers eng an der Basis des Heizers 8 angeordnet ist, während die kalte Verbindungsstelle des Thermoelements (nicht dargestellt )in schmelzendes Eis gehalten wird. Dj von dem Thermoelement erzeugte Spannung w|
einem Anzeigeinstrument und einer .Regeleinheit
geführt, die die Temperatur des Heizers 8 im

»•konstant bei jeder gewünschten Einstellung JhJiHj_-das in jJctn Silizium als ponator_;Aktb:ajtor-.

- ,-ch automatische Regelung der Energiezufuhr zum material "w1f1rt,~wöbcT~dic GröBTund die Zusammen-

,leizer 8 halten kann. "semnrg""dcr Perle 38 so gewählt sind, daß in dem gc-

Die Einrichtung l>csitzt ferner einen Halter für einen schmolzcnen Silizium 36 eine gewünschte Konzen-

.Silizium-Impfkristall, der die Form eines sich senk- S tration des Phosphors erzeugt wird, wobei die Tcmpc-

recht erstreckenden Stalws 22 Iwsitzt, an dessen ratur des geschmolzenen Siliziums 36 etwas erhöht

unterem Ende ein Spannfutter 23 befestigt ist, wobei wird, während die_jPcrle .38 hineinfällt, so daß ge-

der Stab 22 durch eine Stopfbuchse 24 in der oberen sichert wird, daß die Perle 38 rasch geschmolzen wird.

Platte 2 hindurchgeht und sowohl senkrecht l>ewcgl>ar Danach wird der Stab 22 wieder nach utrten bewegt,

als auch um seine Längsachse mittels einer geeigneten Jo um das Silizium, das sich anfangs an dem Impfkristall

Vorrichtung (nicht dargestellt) drehbar ist. Die Ein- 37 verfestigte, in den Kontakt mit dem geschmolzenen

richtung enthält ferner eine gebogene Quarzröhrc 25, Silizium 36 zu bringen, wobei die Temperatur der

die durch eine Stopfbuchse 26 in der oberen Platte 2 Schmelze 36 bis auf den Punkt gesenkt wird; qn dem

unvcui W 4 J*PW Sfc C u U tjltpi pi wide u rstrren bgit' wch ier Stab 22

bchse 6 in der oberen Platte Schmelze 36 bis auf den Punkt gesenkt wird;
a W v4)t J*PWt: Sfc üCH tu Ucr tjltipi- pi wieder zu erstarren beginnt,' wonach tier

buch«? 26 drehen kann, so daß deren untere·» Ende in 15 lajiguam Mmkreeht nach oben wit einer¹ solchen Ge-

ädie Ausrichtung auf den Tiegel 7 oder wieder heraus schwindigkeit bewegt wird, daß Silizium aus der gebracht werden kann. Das obere Ende der Röhre 25 Schmelze 36 allmählich zur Form eines einzelnen £ ist in einen Quarzdom 27 eingelassen, in dessen Kristalls erstarrt, der aus dem Impfkristall heraus- \ Innerem sich quer eine Trennwand 28 erstreckt, in der wächst, wobei dieser Einzelkristall tlie Form eines ■j sieb eine öffnung 29 befindet, wobei das obere Ende ao senkrechten Stabes besitz*. Um ein bomogencs Mischen ι des Domes 27 durch eine geschliffene Quarzplatte 30 zu sichern, wird der Stab 22 um eine senkrechte Achse

!abgeschlossen wird, die mit einem geschliffenen Quarz- mit einer Geschwindigkeit von drei Umdrehungen pro flansch 31 zusammenpaßt, der sich an dem Ende des Minute gedreht, während er nach oben bewegt wird. Domes 27 befindet, wobei die Berührungsflächen der Der Vorgang ist beendet, wenn im wesentlichen das Platte 30 und des Flansches 31 eingefettet sind, um da- 35 ganze geschmolzene Silizium 36 aus <iem Tiegel abzwischen eine wirksame Abdichtung-zu-erzielen. Die gezogen worden ist.
j Platte 30 ist mit einem Knopf 32 versehen, mittels Das Silizium, das sich nach dem Zusetzen der Perle

! dessen sie auf dem Flansch 31 gedreht werden kann, 38 zu dem geschmolzenen Silizium 36 verfestigt, be-( und ist durch einen Stab 33 mit einer Platte 34 ver- sitzt die N-Leitfähigkeit infolge der Anwesenheit des ⁿ bunden, die auf der Trennwand 28 ruht und in der 30 Phosphors, wobei die Anfangskonzentration des Phossich eine öffnung 35 befindet. phors in dem geschmolzenen Silizium 36 natürlich so

Beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfah- gewählt wurde, daß das erstarrte Material den gerens wird eine Menge von ungefähr 100 g festen wünschten Wiederstandswert besitzt. Bei Fehlen jeder Siliziums in den Tiegel 7 getan, die Umhüllung durch Gegenmaßnahmen würde während des Wachsens des Betreiben der Pumpenanlage evakuiert, so daß in der 35 Einkristalls die Konzentration des Phosphors in dem Umhüllung ein Vakuum erzeugt wird, daß einem geschmolzenen Silizium 36 beständig ansteigen, so daß Druck in der Größenordnung von 10—⁵ bis 10~* Torr, der Widerstand längs der Längenausdehnung des Einvon dem Vakuummesser 6gemessen, entspricht, und der zelkristalls abnimmt, denn Phosphor ist beträchtlich Inhalt danach auf eine Temperatur von 30° C über löslicher in flüssigem als in festem Silizium. Während dein Schmelzpunkt des Siliziums durch Versorgen des 40 des Wachsens des Einzelkristalls wird <ler Rezipient Heizers 8 mit Energie erhitzt, so daß sich ein Bad 36 jedoch beständig gepumpt, so daß eine beträchtlickr: aus geschmolzenem Silizium bildet.· Das geschmolzene Verdampfung von Phosphor aus dem geschmolzenen Silizium 36 wird etwa 1 Stunde lang auf !fieser er- Silizium 36 beständig stattfindet. Die Wachstumsliohfen Temperatur gehalten, während welcher Zeit es geschwindigkeit des Einkristalls ist so gewählt, daß durch die Verdampfung eines großen Teiles der ur- «5 <3ie Auswirkung dieser Verdampfung im wesentlichen sprünglich anwesenden Unreinheiten gereinigt wird, die Wirkung der unterschiedlichen Lösbarkeit des wol>ei der Rezipient beständig ausgepumpt wird. Phosphors ausgleicht, so daß die Konzentration des

Nach Ablauf dieser Zeit -wird ein Silizium-Impf- Phosphors in dem geschmolzenen Silizium 36 im wekristall, das in das Spannfutter 23 eingesetzt ist und seitlichen konstant bleibt, mit dem Ergebnis, daß der das einen horizontalen Querschnittsbereich von 25 mm* 50 Teil des Einkristalls, d.cr nach dem Hinzufügen der besitzt, in das geschmolzene Silizium getaucht, indem Perle 38 erstarrt, einen im wesentlichen gleichmäßigen der Stab 22 nach unten bewegt wird, wobei die Tem- Widerstand besitzt.

peratur des geschmolzenen Siliziums 36 bis auf den Die Resultate, die durch die Anwendung der Erfin-

Punkt gesenkt wird, an dem es beginnt, an dem Impf- dung erhalten werden können, können an Hand von kristall 37 zu erstarren. Darauf wird der Stab 22 55 Zahlen für einen nach der obigen Beschreibung gelangsam senkrecht nach oben für eine kurze Zeit be- wachsenen Einkristall erläutert werden. Dieser Einwegt, so daß eine kleine Menge Silizium aus der kristall besaß einen Querschnittsbereich von 5 cm* und Schmelze 36 nach und nach an dem Impfkristall 37 er» wuchs mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von starrt, wonach der Impfkristall 37 vollständig aus dem 1 mm/min, wobei das gesamte Wachstum eine Zeit \·οη geschmolzenen Silizium 36 durch schnelleres Auf- 60 ungefähr 90 min in Anspruch nahm; die Perle 38 bewärtsbewegen des Stabes 22 herausgezogen wird. Da- stand aus 0,09 g Silizium, das Phosphor in einer nach wird die Röhre 25 so gedreht, daß deren unteres solchen Konzentration enthielt, daß dessen Widerstand Ende auf den Tiegel 7 ausgerichtet ist, und eine Perle ungefähr 0,1 Ω-cm (bei η-Leitung) betrug. DerWidcr-38, die vorher in die öffnung 35 in der Platte 34 ge- stand des Einkristalls betrug im wesentlichen gleichlegt wurde, wird durch die Röhre 25 in das geschmol- 65 mäßig 5 Q*cm über die gesamte Strecke des Teiles hinzenc Silizium 36 durch Drehen der Platten 30 und 34 weg, der nach Hinzufügung der Perle 38 erstarrte, mittels des Knopfes 32, so daß die öffnung 35 in der wobei der Teil, der vor der Hinzufügung der Perle38 Platte 34 auf die öffnung 29 in der Trennwand 28 aus- erstarrte, aus P-Leitmaterial mit einem Widerstandsgerichtet wird, fallen gelassen. Die Perle 38 besteht wert von annähernd 100 O-onbestand. Dieses Resultat aus einer kleinen Menge Silizium, das Phosphor ent- 70 kann verglichen werden-mit einem Fall, bei dem ein

Claims (3)

1. ,1cri<tall unter ähnlichen Bedingungen zum Wachsen ebradit wurde, ausgenommen, daß in dem Rezipientcn botändig eine Füllung von inertem Gas bei atmosphärischem Druck nach dem Hinzufügen des Phosphor.« aufrechterhalten wurde, so daß ein Verdampfen von Phosphor aus dem geschmolzenen Silizium praktisch ausgeschaltet war. In diesem Fall variierte der Widerstand des EinkristälUeilcs mit «-Leitfähigkeit von ungefähr 5 Q · cm an dem Ende, das zuerst erstarrte, bis ungefähr 1 Ω · cm in der Nähe des Endes, das zuletzt erstarrte.

   Bei der oben beschriebenen Anordnung wird die Wirkung der unterschiedlichen Löslichkeit eines Aktivatormaterials ausgeglichen durch die Wirkung der \>r<l!t!iw(»itifj iV.Mrlh«¹«, AktU'ntr.rHMlfmls;. L">J*>.ϊίι·- n»mitigl»irj5f nncn vetxlitptlcnt* nn«!rrr Moylicnkciton« mit denen ein Ausgleich zwischen den entsprechenden Gesamtwirkungen unterschiedlicher Löslichkeit und Verdampfung von zwei oder mehr Aktivatormaterialien erzielt wird, wo1>ei in diesen Fällen für ein oder mehrere Akivatonnatcrialicn die Einzclwirkung unterschiedlicher Löslichkeit oder Verdampfung vernachlässigbar sein kann oder in gewissem Maße im Gegensatz zu der entsprechenden Einzelwirkung für das eine oder andere Aktivatormaterial stehen kann. Eine besondere Möglichkeit, die in Erwägung gezogen werden kann, besteht darin, daß die Wirkung eines Donatoroder eines Akzeptor-Aktivatormaterials, das in der festen Phase des Halbleiters löslicher ist als in der flüssigen Phase, durch Ausnutzung der Verdampfungswirkung eines zweiten Aktivatormaterials entgegen- gewirkt wird, das mit Bezug auf das erste Material zum entgegengesetzten Typ gehört.

   PaTESTANSTBDCHEs

   S 1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterkörpern mit verhältnismäßig homogener Dotierung, A. h. homogenen elektrischen Kennwerten, wie z. B. spez. Widerstand durch Rekristallisation, z. B, Kristallziehen, aus einer mit wenigstens einem

   ίο Aktivatormaterial dotierten Schmelze, wobei das Aktivatormaterial in der flüssigen.Phase erheblich unterschiedlichere Löslichkeit zeigt als in der festen Phase des Halbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß die RekristalÜsations- bzw. Ziehgrschwtn-

   TOSlRiilfatuci¹ ÄhUvatoMiitttCNiillcn durch tile er·

   höhte Verdampfung wenigstens eines Aktivatormatcrials aus der Schmelze kompensiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekermao zeichnet, daß der Halbleiter Silizium ist und daß das überwiegende Aktivatormaterial in der Schmelze Phosphor ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstarrung des schmelz-

   »5 flüssigen Materials in einem beständig evakuierten Raum durchgeführt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentanmeldung 7286 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 3. 12.1953);

   Zeitschrift »Phys. Rev.«, Bd. 91 (1953), 754/755.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen