DE1128413B - Process for the production of decomposition-free single-crystal silicon by crucible-free zone melting - Google Patents

Process for the production of decomposition-free single-crystal silicon by crucible-free zone melting

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DE1128413B DES71415A DES0071415A DE1128413B DE 1128413 B DE1128413 B DE 1128413B DE S71415 A DES71415 A DE S71415A DE S0071415 A DES0071415 A DE S0071415A DE 1128413 B DE1128413 B DE 1128413B
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Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

KL.12i 38KL.12i 38

INTERNAT.KL. C Ol bINTERNAT.KL. C Ol b

S 71415 IVa/12 iS 71415 IVa / 12 i

ANMELDETAG: 25. NOVEMBER 1960REGISTRATION DATE: NOVEMBER 25, 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 26. A P R I L 1962NOTICE THE REGISTRATION ANDOUTPUTE EDITORIAL: 26. A P R I L 1962

Es ist bereits bekannt, mit Hilfe von angesetzten Keimkristallen polykristalline Siliciumstäbe in Einkristalle zu verwandeln, indem man eine Schmelzzone, gegebenenfalls mehrfach, von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Siliciumstabes wandern läßt. Der Siliciumstab wird hierbei meistens senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt. Oft wird die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Drehung um die Stabachse versetzt, wodurch ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet wird.It is already known to convert polycrystalline silicon rods into single crystals with the aid of seed crystals to transform by creating a melting zone, optionally several times, from the end to which the seed crystal is attached, can migrate to the other end of the silicon rod. The silicon rod is mostly clamped vertically in two brackets. Often this becomes a bracket rotated around the rod axis during zone melting, creating a symmetrical growth of the solidifying material is guaranteed.

Einkristalle, die in dieser Weise durch tiegelfreies Zonenschmelzen hergestellt werden, zeigen meistens nach zahlreiche Versetzungen, Zwillingsbildung u. dgl. Durch geeignete Ätzung können sie sichtbar gemacht werden und erscheinen als sogenannte Ätzgrübchen auf der Oberfläche des angeschliffenen und blankgeätzten Kristalls. Da diese Versetzungen schädlich sind, — sie setzen beispielsweise die Lebensdauer der Minoritätsträger im Silicium in unerwünschter Weise herab und führen bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen nach dem Legierungsverfahren zu einem ungleichmäßigen Legierungsangriff zu Beginn des Verfahrens —, sucht man sie zu vermindern.Single crystals, which are produced in this way by crucible-free zone melting, mostly show after numerous dislocations, twinning and the like. They can be made visible by suitable etching are and appear as so-called etch pits on the surface of the sanded and brightly etched Crystal. Since these dislocations are harmful - they extend the life of the Minority carriers in silicon undesirably degrade and lead to the manufacture of semiconductor devices after the alloying process leads to an uneven alloy attack at the beginning of the Procedural - one tries to reduce it.

Es wurde bereits der Vorschlag gemacht (deutsche Auslegeschrift 1094 710), beim tiegelfreien Zonenschmelzen einen Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Halbleiterstab anzuschmelzen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß der axiale Temperaturgradient von dem Halbleiterstab zum Keimkristall wesentlich flacher verläuft, was zu einer Verminderung der Versetzungen führt, und daß merklich weniger Versetzungen aus dem Keimkristall in den Halbleiterstab hineinwachsen.The proposal has already been made (German Auslegeschrift 1094 710) for crucible-free zone melting to melt a seed crystal with a significantly smaller cross section than the semiconductor rod. In this way it can be achieved that the axial temperature gradient of the semiconductor rod runs much flatter to the seed crystal, which leads to a reduction in the dislocations, and that noticeably fewer dislocations grow from the seed crystal into the semiconductor rod.

Weiter wurde bereits vorgeschlagen (deutsche Auslegeschrift 1079 593), beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone vor dem letzten Durchgang der Schmelzzone eine Verengung des Halbleiterstabes in unmittelbarer Nähe der Anschmelzstelle des Keimkristalls vorzunehmen. Auch diese Maßnahmen führen zu einer Verringerung der Versetzungen und damit zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsträger im Halbleitermaterial. Die Herstellung von völlig versetzungsfreiem Silicium läßt sich allerdings hierdurch nicht erreichen.A further proposal has already been made (German Auslegeschrift 1079 593) for crucible-free zone melting of semiconductor material with multiple passes through the melting zone before the last pass the melting zone a narrowing of the semiconductor rod in the immediate vicinity of the melting point of the To make the seed crystal. These measures also lead to a reduction in the dislocations and thus increasing the service life of the minority carriers in the semiconductor material. The production however, completely dislocation-free silicon cannot be achieved in this way.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehaltenen Siliciumstab, Verfahren zur HerstellungThe invention relates to a method for producing dislocation-free single-crystal silicon by crucible-free zone melting with multiple passage of the melting zone through a vertical one standing silicon rod held at its ends, method of manufacture

von zersetzungsfreiem einkristallinemof non-decomposition single crystal

Silicium durch tiegelfreies ZonenschmelzenSilicon through crucible-free zone melting

Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Applicant:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld,Dr. rer. nat. Wolfgang Keller, Pretzfeld,

und Dr. Günther Ziegler, Erlangen,and Dr. Günther Ziegler, Erlangen,

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

an dessen eines Ende ein einkristalliner Keimkristall angesetzt ist. Erfindungsgemäß ist das. Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird, daß alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen und daß bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm pro Minute gewählt wird, daß der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit größer als 25 mm pro Minute eingeschnürt wird, daß von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnittes des Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert wird, und daß schließlich die Schmelzzone durch den Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleiner als 7 mm pro Minute hindurchgeführt wird.
An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung ist ein Siliciumstab 2 dargestellt, in dem sich eine geschmolzene Zone 3 befindet, die durch eine geeignete
at one end of which a single-crystalline seed crystal is attached. According to the invention, the method is characterized in that a seed crystal with a significantly smaller cross section than the silicon rod is melted, that all passages of the melting zone begin in the seed crystal and that the migration speed of the melting zone in the seed crystal between 7 and 15 mm per Minute is chosen so that the silicon cross-section is constricted at the transition point from the seed crystal to the silicon rod by temporarily moving the rod ends apart at a speed greater than 25 mm per minute, so that from this constriction point the speed of the melting zone is steadily reduced until the full cross-section of the silicon rod is reached and that finally the melting zone is passed through the silicon rod at a speed of less than 7 mm per minute.
The invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the drawing, a silicon rod 2 is shown in which there is a molten zone 3, which is through a suitable

209 577/377209 577/377

Heizvorrichtung, ζ. B. eine Induktionsspule 4> erzeugt werden kann. Die Induktionsspule 4 wird mit Hochfrequenz von z. B. 4 MHz gespeist und kann zweckmäßigerweise als Flachspule ausgebildet sein. Dies bringt den Vorteil, daß die Schmelzzone besonders kurz gehalten werden kann. Die Induktionsspule 4 kann mit Hilfe einer. Transporteinrichtung, z. B. einer Spindel, die einen Schlitten bewegt, über die gesamte Stablänge geführt werden. r - - *Heater, ζ. B. an induction coil 4> can be generated. The induction coil 4 is operated at a high frequency of, for. B. 4 MHz and can conveniently be designed as a flat coil. This has the advantage that the melting zone can be kept particularly short. The induction coil 4 can with the help of a. Transport device, e.g. B. a spindle that moves a slide can be guided over the entire length of the rod. r - - *

An das untere Ende des Siliciumstabes 2 wird ein Keimkristalls angeschmolzen, der einen wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab 2 hat. Der Siliciumstab 2 kann z.B. einen Durehmesser von 12 mm aufweisen und der Keimkristall 5 einen solchen von 3 bis 5 mm. Sowohl das obere Ende des Siliciumstabes 2 als auch das untere Ende des Keimkristalls 5 sind in Halterungen eingespannt, die in Achsrichtung des Stabes gegeneinander bewegt werden können.At the lower end of the silicon rod 2 is a Fused seed crystal, which has a significantly smaller cross section than the silicon rod 2. Of the Silicon rod 2 can, for example, have a diameter of 12 mm and seed crystal 5 such from 3 to 5 mm. Both the upper end of the silicon rod 2 and the lower end of the seed crystal 5 are clamped in brackets that are moved against each other in the axial direction of the rod can.

Es sei angenommen, daß der Siliciumstab 2 eine solche Reinheit habe, daß er praktisch nicht leitend ist. Zwecks Erzeugung einer Schmelzzone muß der Stab deshalb zumindest an einer Stelle so weit vorgewärmt werden, daß er geringfügig leitend wird. Die weitere Aufheizung kann dann mit Hilfe der Heizspule durch Hochfrequenz erfolgen. Die Vorwärmung kann vermittels Strahlung durchgeführt werden oder z. B-, in der Weise, daß an der oberen Einspannstelle des Siliciumstabes 2 ein leitfähiger Stoff, z. B. Molybdän, angebracht wird, der dann mit Hilfe der Induktionsspule 4 erwärmt werden kann und das benachbarte Halbleitermaterial durch Wärmeleitung erwärmt. Das gesamte Verfahren wird in einer Hochvakuumkammer wieder unter Schutzgas durchgeführt. Assume that the silicon rod 2 has such a purity that it is practically non-conductive is. In order to create a melting zone, the rod must therefore preheated at least at one point become that it becomes slightly conductive. The heating coil can then be used for further heating done by high frequency. The preheating can be carried out by means of radiation or z. B-, in such a way that at the upper clamping point of the silicon rod 2, a conductive material, e.g. B. molybdenum is attached, which is then with the help of Induction coil 4 can be heated and the neighboring semiconductor material is heated by conduction. The entire process is carried out again under protective gas in a high vacuum chamber.

Von der vorgewärmten Stelle her wird eine Glühzone durch den Siliciumstab 2 nach unten bis zur Ansetzstelle des Keimkristalls 5 geführt. Hier wird nun der Siliciumstab aufgeschmolzen und der Keimkristall 5 angeschmolzen. Vorteilhaft wird der Übergang zwischen dem dicken Siliciumstab 2 und dem dünnen Keimkristalls zu einem flachen Konus ausgestaltet. From the preheated point, an annealing zone is through the silicon rod 2 down to the Attachment point of the seed crystal 5 out. The silicon rod and the seed crystal are melted here 5 melted. The transition between the thick silicon rod 2 and the is advantageous thin seed crystal designed into a flat cone.

Nach dem Anschmelzen des Keimkristalls wird die Schmelzzone dann durch den gesamten Siliciumstab bis an dessen oberes Ende geführt, eine Glühzone bis an den Keimkristall geführt und dieses mehrfach wiederholt. Hierbei kann die Geschwindigkeit der Heizspule bei der Aufwärtsbewegung (Schmelzzone) beispielsweise 3 mm pro Minute betragen und bei der Abwärtsbewegung (Glühzone) 200 mm pro Minute.After the seed crystal has melted, the melting zone then runs through the entire silicon rod led to its upper end, an annealing zone led to the seed crystal and this several times repeated. Here, the speed of the heating coil during the upward movement (melting zone) for example 3 mm per minute and in the downward movement (annealing zone) 200 mm per Minute.

Bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone wird in folgender Weise verfahren. Nachdem die Glühzone am Keimkristall angekommen ist, wird die Spulenbewegung angehalten. Nach dem Entstehen der Schmelzzone wird die Heizspule 4 mit einer Geschwindigkeit größer als 7 mm pro Minute, z. B. 10 mm pro Minute, nach oben geführt. Gleichzeitig werden an der Stelle 6, an der der Keimkristall 5 in den flachen Konus übergeht, die Stabenden mit einer Geschwindigkeit von 25 mm pro Minute oder mehr auseinanderbewegt, bis an dieser Stelle der Durchmesser des Siliciums auf etwa 2 mm verjüngt ist. Danach wird die Bewegung der Stabenden abgeschaltet. Man kann gegebenenfalls einige Millimeter oberhalb der ersten Verjüngung noch eine zweite Verjüngung in der gleichen Weise anbringen.The following procedure is used for the last passage through the melting zone. After the glow zone has arrived at the seed crystal, the coil movement is stopped. After arising the melting zone is the heating coil 4 at a speed greater than 7 mm per minute, z. B. 10 mm per minute, guided upwards. At the same time, at the point 6 at which the seed crystal 5 in passes the flat cone, the rod ends at a speed of 25 mm per minute or more apart until the diameter of the silicon is reduced to about 2 mm at this point. Thereafter the movement of the rod ends is switched off. You can optionally a few millimeters above add a second taper to the first taper in the same way.

Nach Beendigung der Bewegung der Stabenden wird die Geschwindigkeit der Heizspule stetig vermindert. Diese stetige Verminderung soll sich etwa über die Länge des Konus erstrecken. Im vollen Querschnitt des Siliciumstabes — im vorliegenden Beispiel also bei 12 mm Durchmesser — wird dann eine Geschwindigkeit der Heizspule von kleiner als 7 mm pro Minute, beispielsweise 4 mm pro Minute, erreicht. Diese Geschwindigkeit wird bis zum oberen Ende des Stabes beibehalten. Falls in bekannter Weise eine der Stabhalterungen, beispielsweise die untere, während des Zonenschmelzen» in Drehung versetzt wird, so muß diese Drehung vibrationsfrei sein. Andernfalls wird sie während dieses letzten Durchganges der Schmelzzone abgeschaltet, um möglicherweise auftretende Erschütterungen auszuschließen. Die nach diesem Verfahren hergestellten Siliciumeinkristalle waren völlig versetzungsfrei.After the end of the movement of the rod ends, the speed of the heating coil is steadily reduced. This steady reduction should extend approximately over the length of the cone. In full Cross-section of the silicon rod - in the present example therefore with a diameter of 12 mm - is then a speed of the heating coil of less than 7 mm per minute, for example 4 mm per minute, achieved. This speed is maintained until the top of the rod. If in known Put one of the rod holders, for example the lower one, in rotation during the zone melting » is offset, this rotation must be vibration-free. Otherwise it will last during this one The passage of the melting zone is switched off in order to exclude possible vibrations. Those made by this process Silicon single crystals were completely free of dislocations.

Eine Deutung der bei dem beschriebenen Verfahren sich ergebenden Verbesserung der Kristallqualität kann in folgenden Überlegungen gefunden werden: Zunächst einmal wachsen aus einem Keimkristall mit geringem Querschnitt wesentlich weniger Versetzungen als aus einem Keimkristall mit stärkerem Querschnitt in den entstehenden Einkristall hinein. Eine weitere Verminderung bringt dann die Querschnittsverringerung bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone. Die Verringerung der Versetzungen durch die Verkleinerung der Temperaturgradienten infolge dieser beiden Maßnahmen spielt ebenfalls eine Rolle.An interpretation of the improvement in crystal quality resulting from the process described can be found in the following considerations: First of all, growing from a seed crystal with a small cross-section, significantly fewer dislocations than from a seed crystal with a stronger one Cross-section into the resulting single crystal. A further reduction then brings the Reduction in cross-section in the last pass through the melting zone. The reduction in dislocations by reducing the temperature gradient as a result of these two measures also plays a role a role.

Hinzu kommt, daß die im Keimkristall vorhandenen Versetzungen vermutlich der hohen Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall nicht mehr folgen können und sozusagen »abgehängt« werden. Das Neuentstehen von Versetzungen im dickeren Teil des Siliciumstabes wird dagegen unter anderem durch eine geringere Geschwindigkeit der Bewegung der Schmelzzone verhindert. In diesem Zusammenhang ist die stetige Verminderung der Geschwindigkeit im Ubergangsbereich zwischen den beiden unterschiedlichen Querschnitten sehr wichtig.In addition, the dislocations present in the seed crystal are probably due to the high speed of migration can no longer follow the melting zone in the seed crystal and are, so to speak, "suspended" will. On the other hand, the emergence of new dislocations in the thicker part of the silicon rod becomes prevented among other things by a lower speed of the movement of the melting zone. In this The relationship is the steady decrease in speed in the transition area between the both different cross-sections are very important.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinem Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf dei Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehaltenen Siliciumstab, an dessen eines Ende ein einkristalliner Keimkristall angesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keimkristall mit einem wesentlich geringeren Querschnitt als der Siliciumstab angeschmolzen wird, daß alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen und daß bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm pro Minute gewählt wird, daß der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit größer als 25 mm pro Minute eingeschnürt wird, daß von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnittes des Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert wird und1. A process for the production of dislocation-free single-crystal silicon by crucible-free zone melting with multiple passages of the melting zone through a vertical silicon rod held at its ends, at one end of which a single-crystal seed crystal is attached, characterized in that a seed crystal with a substantially smaller cross-section than the silicon rod is melted so that all passages of the melting zone begin in the seed crystal and that the migration speed of the melting zone in the seed crystal is selected between 7 and 15 mm per minute during the last passage of the melting zone, so that the silicon cross-section at the transition point from the seed crystal to the silicon rod is temporarily moved apart the rod ends is constricted at a speed greater than 25 mm per minute, that from this constriction point until the full cross section of the silicon rod is reached, the speed of the melting zone is steadily ver is reduced and 5 65 6 daß schließlich die Schmelzzone durch den einer als Flachspule ausgebildeten Induktions-that finally the melting zone through the induction coil designed as a flat coil Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleiner spule erzeugt wird.Silicon rod is produced at a speed small coil. als 7 mm pro Minute hindurchgezogen wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-than 7 mm per minute is pulled through. 3. The method according to claim 1, characterized 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Keimkristall an das untere2. The method according to claim 1, characterized in that the seed crystal to the lower kennzeichnet, daß die Schmelzzone mit Hufe 5 Ende des Siliciumstabes angeschmolzen wird. indicates that the melting zone is melted with hooves 5 end of the silicon rod . Hierzu 1 Blatt Zeichnungen For this purpose, 1 sheet of drawings ι 209 577/377 4.62ι 209 577/377 4.62
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