DE1182207B

DE1182207B - Method for producing a low-dislocation semiconductor single crystal by crucible-free zone melting

Info

Publication number: DE1182207B
Application number: DES80508A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-07-20
Filing date: 1962-07-20
Publication date: 1964-11-26

Description

Verfahren zum Herstellen eines versetzungsarmen Halbleitereinkristalls durch tiegelfreies Zonenschmelzen Zur Herstellung von Halbleiteranordnungen werden größere Mengen von Halbleitermaterial, z. B. Silicium, Germanium, Silicium-Karbid oder die intermetallischen Verbindungen von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodensystems benötigt. Das Material wird beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase gewonnen und danach dem tiegelfreien Zonenschmelzen unterworfen. Hierbei wird ein Stab aus dem Material senkrecht gehaltert, in dem Stab durch Erwärmung, z. B. durch Induktionsheizung oder Strahlungsheizung, eine Schmelzzone erzeugt und diese Schmelzzone durch Relativbewegung des Halbleiterstabes und der Heizeinrichtung gegeneinander über die gesamte Stablänge geführt. Man kann beispielsweise den Stab an seinen beiden Enden fest einspannen und eine den Stab umgebende Induktionsspule längs der Stabachse führen, oder man kann auch umgekehrt den Stab durch eine feststehende Heizeinrichtung hindurchführen.Method for producing a low dislocation semiconductor single crystal by crucible-free zone melting For the production of semiconductor arrangements larger amounts of semiconductor material, e.g. B. silicon, germanium, silicon carbide or the intermetallic compounds of elements of III. and V. group of Periodic table needed. The material is made for example by deposition obtained from the gas phase and then subjected to the crucible-free zone melting. Here a rod made of the material is held vertically in the rod by heating, z. B. by induction heating or radiant heating, a melting zone is generated and this melting zone by relative movement of the semiconductor rod and the heating device guided against each other over the entire length of the rod. For example, you can use the staff clamp firmly at both ends and an induction coil surrounding the rod run along the rod axis, or vice versa, the rod can be guided by a stationary one Guide the heating device through.

Es ist bereits ein Verfahren zum Herstellen von Einkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen bekannt, bei dem unabhängig vom Stabdurchmesser und von der Kristallqualität eine Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls, also eine Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone, von 0,08 cm/min bis zu 0,64 cm/min vorgesehen ist.There is already a method of making single crystals by crucible-free zone melting known, in which independent of the rod diameter and on the crystal quality a growth rate of the crystal, i.e. one Rate of migration of the melt zone, provided from 0.08 cm / min up to 0.64 cm / min is.

Demgegenüber können bei einem Verfahren zum Herstellen eines versetzungsarmen Einkristalls durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines lotrecht stehenden Stabes aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, mit einem Durchmesser von mehr als 15 mm, wobei eine Schmelzzone über die gesamte Länge des Stabes, insbesondere von unten nach oben, geführt wird, die beim tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleiterstäben mit größerem Durchmesser für gewöhnlich entstehenden Versetzungen sehr stark vermindert werden, wenn erfindungsgemäß die Geschwindigkeit der Schmelzzone relativ zum Halbleiterstab so bemessen wird, daß das Verhältnis Stabdurchmesser (in mm) zu der Geschwindigkeit der Schmelzzone (in mm/min) etwa 5 beträgt.In contrast, in a method for producing a low-dislocation Single crystal through crucible-free zone melting of a vertically standing rod Semiconductor material, in particular made of silicon, with a diameter of more than 15 mm, with a melting zone over the entire length of the rod, in particular from bottom to top, is performed during the crucible-free zone melting of semiconductor rods dislocations that usually occur with a larger diameter are greatly reduced if, according to the invention, the speed of the melting zone relative to the semiconductor rod is dimensioned so that the ratio of the rod diameter (in mm) to the speed the melting zone (in mm / min) is about 5.

Beim tiegelfreien Zonenschmelzen kristallisiert hinter der vorwandernden Schmelzzone das Halbleitermaterial wieder aus. Danach kühlt es sich ab. Das Halbleitermaterial ist um so kälter, je weiter es von der Schmelzzone entfernt ist. In einer gewissen Entfernung von der Schmelzzone weist der Stab über seine Querschnittsfläche die gleiche Temperatur auf. In der Nähe der Schmelzzone hat dagegen das Halbleitermaterial meistens im Inneren des Stabes eine andere Temperatur als an der Oberfläche des Stabes. Die Erstarrungsfront, d. h. die Grenze zwischen der Schmelzzone und dem auskristallisierenden Material, ist deshalb häufig gekrümmt.In the case of crucible-free zone melting, it crystallizes behind the moving one Melting zone the semiconductor material off again. After that, it cools down. The semiconductor material is the colder the further it is from the melting zone. In a certain The rod shows the distance from the melting zone over its cross-sectional area same temperature. In contrast, the semiconductor material has in the vicinity of the melting zone usually a different temperature inside the rod than on the surface of the Staff. The solidification front, i.e. H. the boundary between the melting zone and the crystallizing material is therefore often curved.

Dieser Krümmung kommt nun bei der Herstellung von Halbleitereinkristallen durch tiegelfreies Zonenschmelzen eine entscheidende Bedeutung zu. Bei verhältnismäßig niedriger Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone sind die Erstarrungsfront und die nachfolgenden Isothermen konvex zur Schmelzzone gekrümmt. Bei höherer Geschwindigkeit wird die Krümmung immer flacher und geht schließlich in eine konkave Krümmung über. Der radiale Temperaturgradient im Halbleitermaterial ist nun um so größer, je stärker die Isothermen gekrümmt sind. Es zeigte sich, daß eine schwach konvex gekrümmte Erstarrungsfront am günstigsten ist, wenn die Versetzungen vermindert werden sollen, weil in diesem Falle in unmittelbarer Nähe der Erstarrungsfront, also an der heißesten und damit anfälligsten Stelle des entstehenden Einkristalls die geringsten Wärmespannungen auftreten.This curvature now occurs in the manufacture of semiconductor single crystals crucible-free zone melting is of decisive importance. With proportionately the solidification front and the following isotherms are convex to the melting zone. At higher speed the curve becomes flatter and flatter and finally turns into a concave curve. The greater the radial temperature gradient in the semiconductor material, the greater the greater the isotherms are curved. It turned out that one was slightly convexly curved The solidification front is most favorable if the dislocations are to be reduced, because in this case in the immediate vicinity of the solidification front, i.e. at the hottest and thus the most vulnerable point of the single crystal that is produced, the lowest thermal stresses appear.

In der Zeichnung ist ein ' Ausschnitt aus einem Halbleiterstab, der dem tiegelfreien Zonenschmelzen unterworfen wird, dargestellt. Zwischen dem oberen Stabteil 2 und dem unteren Stabteil 3 befindet sich die Schmelzzone 4. Es sei angenommen, daß die Schmelzzone nach oben wandert. Die Erstarrungsfront ist mit 5 bezeichnet. Im Falle von Silicium hat die Erstarrungsfront etwa eine Temperatur von 1400° C. Mit 6 ist die Basisebene dieser Isotherme für 1400° C bezeichnet, d. h. der ebene Querschnitt, der an der Stelle durch den Halbleiterstab gelegt ist, an welcher an seiner Oberfläche die genannte Temperatur herrscht. In der Zeichnung sind weitere Isothermen dargestellt, welche mit 7, 9, 11, 13, 15, 17 und 19 bezeichnet sind. Die zugehörigen Basisebenen sind mit 8, 10, 12, 14, 16, 18 und 20 bezeichnet, und fallen bei der Isotherme 11 mit dieser zusammen. Die Isothermen sind mit einem geschlossenen Linienzug, ihre Basisebenen mit einem durchbrochenen Linienzug dargestellt. Die einzelnen dargestellten Isothermen weisen untereinander jeweils den gleichen Temperatursprung auf. Im Falle des angenommenen Beispiels, d. h. bei Silicium, einen Temperatursprung d X = 25° C: Die Isotherme 7 hat also eine Temperatur von 1375° C, die Isotherme 9 eine Temperatur von 1350° C usw.The drawing shows a section of a semiconductor rod which is subjected to crucible-free zone melting. The melting zone 4 is located between the upper rod part 2 and the lower rod part 3. It is assumed that the melting zone moves upwards. The solidification front is denoted by 5. In the case of silicon, the solidification front has a temperature of approximately 1400 ° C. The base plane of this isotherm for 1400 ° C. Temperature prevails. In the drawing, further isotherms are shown, which are denoted by 7, 9, 11, 13, 15, 17 and 19. The associated base planes are denoted by 8, 10, 12, 14, 16, 18 and 20, and coincide with the isotherm 11 with this. The isotherms are shown with a closed line, their base levels with a broken line. The individual isotherms shown show the same temperature jump among each other. In the case of the assumed example, ie with silicon, a temperature jump d X = 25 ° C: the isotherm 7 has a temperature of 1375 ° C, the isotherm 9 a temperature of 1350 ° C etc.

Es stellte sich nun heraus, daß nur dann mit der Entstehung von versetzungsarmem Halbleitermaterial beim tiegelfreien Zonenschmelzen zu rechnen ist, wenn die Relativgeschwindigkeit der Schmelzzone so hoch gewählt wird, daß die Erstarrungsfront schwach konvex gekrümmt ist und die Basisebenen der hinter der Erstarrungsfront liegenden Isothermen von den jeweils .4 X° C kälteren Isothermen nicht überschnitten werden, d. h. also, wenn die Isothermen und ihre Basisebenen so wie in der Zeichnung dargestellt liegen.It turned out that only then with the emergence of dislocation-poor Semiconductor material in crucible-free zone melting is to be expected if the relative speed the melting zone is chosen so high that the solidification front is slightly convexly curved and the base planes of the isotherms of the isotherms that are .4 X ° C colder are not overlapped, d. H. so, if the isotherms and their base planes are as shown in the drawing.

Damit nun diese Bedingung erfüllt ist, muß die Geschwindigkeit der Schmelzzone mit Bezug auf den Halbleiterstab verhältnismäßig hoch gewählt werden. Es zeigte sich, daß die Bemessung gemäß der Erfindung diese Bedingungen erfüllt.So that this condition is met, the speed of the Melting zone can be selected relatively high with respect to the semiconductor rod. It was found that the dimensioning according to the invention fulfills these conditions.

Es versteht sich, daß gewisse Abweichungen zulässig sind. Die Grenzen der Abweichungen sind aber relativ eng bemessen, insbesondere bei größeren Stabdurchmessern. Bei einem Stabdurchmesser von etwa 15 mm darf die Geschwindigkeit der Schmelzzone 1 2 mal kleiner oder größer sein, als es dem Verhältnis 5 entspricht. Dagegen darf bei Stabdurchmessern von etwa 25 mm die Abweichnung von dem Wert 5 nur noch 20% betragen. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone relativ zum Halbleiterstab beträgt in praktisch durchgeführten Versuchen bei Silicium von etwa 18 mm Durchmesser 4 mm pro Minute und bei Silicium von etwa 25 mm Durchmesser 5 mm pro Minute. -Temperaturverzerrungen infolge zusätzlicher Kühlung, abgesehen von Abstrahlung, können dadurch vermieden werden, daß der Halbleiterstab in einer Hochvakuumkammer untergebracht ist. Der wachsende Stabteil 3 kann mit geringer Drehzahl (20 bis 150 Umdr./min) gedreht werden.It goes without saying that certain deviations are permissible. The limits however, the deviations are relatively small, especially with larger rod diameters. With a rod diameter of about 15 mm, the speed of the melting zone is allowed 1 2 times smaller or larger than it corresponds to the ratio 5. Against it may for bar diameters of around 25 mm, the deviation from the value 5 is only 20% be. The migration speed of the melting zone relative to the semiconductor rod is approximately 18 mm in diameter in tests carried out in practice for silicon 4 mm per minute and for silicon of about 25 mm diameter 5 mm per minute. -Temperature distortions as a result of additional cooling, apart from radiation, can thereby be avoided be that the semiconductor rod is housed in a high vacuum chamber. Of the growing rod part 3 can be rotated at low speed (20 to 150 rev / min).

Besonders wichtig ist es, daß keine zusätzlichen Maßnahmen zur Veränderung der Schmelzzone vorgenommen werden. Es darf also insbesondere keine Stützspule verwendet werden, welche zu einer Verzerrung der Form der Schmelzzone und damit auch der Erstarrungsfront und der nachfolgenden Isothermen führen könnte. In den praktisch durchgeführten Ausführungsbeispielen wurde zur Erzeugung der Schmelzzone eine Induktionsspule verwendet. Es handelte sich um eine Flachspule mit drei Windungen, die von einem 5-KW-Generator mit einer Frequenz von etwa 4 MHz gespeist wurde.It is particularly important that no additional measures are taken to change the melting zone. In particular, no support coil may be used which leads to a distortion of the shape of the melting zone and thus also of the solidification front and the subsequent isotherms. In the practically carried out In the exemplary embodiments, an induction coil was used to generate the melting zone. It was a flat coil with three turns, produced by a 5 KW generator was fed at a frequency of about 4 MHz.

Claims

Claim: A method for producing a low-dislocation single crystal by zone-free melting of a vertically standing rod made of semiconductor material, in particular silicon, with a diameter of more than 15 mm, a melting zone being guided over the entire length of the rod, in particular from bottom to top, characterized in that the speed of the melting zone relative to the semiconductor rod is such that the ratio of rod diameter (in mm) to the speed of the melting zone (in mm / min) is approximately 5. Documents considered: German Patent No. 975 158; German Auslegeschriften No. 1 014 332, 1080973.