DE1194820B

DE1194820B - Process for pulling single crystals of homogeneous concentration of impurities and device for carrying out the process

Info

Publication number: DE1194820B
Application number: DET18152A
Authority: DE
Inventors: Norbert Bischof
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1960-03-30
Filing date: 1960-03-30
Publication date: 1965-06-16

Description

Verfahren zum Ziehen von Einkristallen homogener Störstellenkonzentration und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Beim Ziehen von Einkristallen wird nur ein Teil der in der Halbleiterschmelze enthaltenen Verunreinigungen in den gezogenen Kristall eingebaut. Dies hat eine Anreicherung von Verunreinigungen in der Schmelze im Verlauf des Ziehprozesses und damit ein unerwünschtes Konzentrationsgefälle im gezogenen Kristall zur Folge. Maßgebend für den Grad der Anreicherung ist der Verteilungskoeffizient der jeweiligen Verunreinigungen, bezogen auf das Halbleitermaterial in der Schmelze.Process for pulling single crystals of homogeneous concentration of impurities and apparatus for carrying out the method when pulling single crystals only a part of the impurities contained in the semiconductor melt in the drawn ones Built-in crystal. This has an accumulation of impurities in the melt in the course of the drawing process and thus an undesirable concentration gradient in the pulled crystal result. The distribution coefficient is decisive for the degree of enrichment the respective impurities, based on the semiconductor material in the melt.

Um eine unerwünschte Anreicherung zu unterbinden, sieht ein bekanntes Verfahren einen Schmelztiegel vor, dessen Tiegelboden in der Mitte mit einer Bohrung versehen ist. Durch diese Bohrung ist eine Achse gesteckt, an deren oberem Ende ein weiterer, jedoch kleinerer Schmelztiegel angebracht ist. Während des Ziehprozesses befindet sich in dem äußeren Tiegel eine nicht oder nur wenig mit Störstellen versetzte Halbleiterschmelze, auf deren Oberfläche der an der Achse befindliche kleinere Tiegel schwimmt. Der Ziehprozeß erfolgt aus dem kleineren auf der Schmelze schwimmenden Tiegel, deren Schmelze im Gegensatz zur Schmelze des äußeren Tiegels mit dem zur Dotierung des Halbleiterkristalls erforderlichen Material versetzt ist. Die unerwünschte Anreicherung an Dotierungsmaterial der mit dem Impfkristall in Verbindung stehenden Schmelze wird bei diesem Verfahren dadurch verhindert, daß laufend ein Teil der im äußeren Schmelztiegel befindlichen Halbleiterschmelze die durch den Ziehprozeß verlorengegangene Halbleiterschmelze des an der vertikal beweglichen Achse befestigten inneren Schmelztiegels ersetzen kann. Auf Grund des geringen bzw. überhaupt nicht vorhandenen Dotierstoffgehaltes der in den inneren Tiegel eindringenden Halbleiterschmelze wird eine Anreicherung von Dotierstoff im inneren Tiegel unterbunden.To prevent unwanted accumulation, see a well-known Proceed with a crucible, the crucible bottom with a hole in the middle is provided. An axle is inserted through this hole, at its upper end another, but smaller, crucible is attached. During the drawing process there is one in the outer crucible that is not or only slightly offset with defects Semiconductor melt, on the surface of which the smaller crucible located on the axis swims. The drawing process takes place from the smaller one floating on the melt Crucibles whose melt in contrast to the melt of the outer crucible with the for Doping of the semiconductor crystal required material is offset. The unwanted one Enrichment in doping material of those in connection with the seed crystal In this process, melt is prevented by the fact that part of the The semiconductor melt located in the outer crucible is caused by the pulling process lost semiconductor melt of the attached to the vertically movable axis can replace inner crucible. Because of the small amount or not at all existing dopant content of the semiconductor melt penetrating into the inner crucible an accumulation of dopant in the inner crucible is prevented.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die in dem äußeren Tiegel beweglich angeordnete Führungsachse des inneren Tiegels eine genaue Abdichtung der Durchführungsstelle bedingt.However, this method has the disadvantage that those in the outer crucible movably arranged guide axis of the inner crucible a precise seal of the Implementation agency conditional.

Außerdem läßt die besondere Ausbildung des Ziehgefäßes bei Beendigung des Ziehprozesses Reste im Tiegel befürchten, die die Verwendung von Kohletiegeln erfordern. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Verwendung von Kohletiegeln die Lebensdauer der Ladungsträger im gezogenen Kristall verschlechtert.In addition, the special design of the drawing vessel allows for termination of the drawing process residues in the crucible fear the use of coal crucibles require. However, it has been found that the use of coal crucibles the life of the charge carriers in the pulled crystal deteriorates.

Es ist bekannt, beim sogenannten tiegellosen Zonenschmelzverfahren, bei dem eine Schmelzzone durch einen senkrecht gehalterten Halbleiterstab wandert, das Störstellenmaterial in eine in dem Halbleiterstab angebrachte Bohrung einzubringen. Dies hat zur Folge, daß die Schmelzzone beim Aufschmelzen des Bereiches mit der Bohrung das dort befindliche Störstellenmaterial aufnimmt und bei der Wanderung durch den Halbleiterstab dieses Störstellenmaterial über den gesamten Bereich des Halbleiterstabes verteilt.It is known that in the so-called crucible-free zone melting process, in which a melting zone moves through a vertically held semiconductor rod, to introduce the impurity material into a bore made in the semiconductor rod. This has the consequence that the melting zone when melting the area with the Borehole absorbs the impurity material located there and during the migration through the semiconductor rod this impurity material over the entire area of the Distributed semiconductor rod.

Es ist weiterhin bekannt, zwei Tiegel ineinanderzuschachteln und zwischen beiden eine Kanalverbindung durch eine im inneren Tiegel angebrachte Bohrung herzustellen. Eine Störstellenanreicherung im inneren Tiegel während des Kristallziehens soll dadurch verhindert werden, daß eine schwach oder überhaupt nicht dotierte Halbleiterschmelze aus dem äußeren Tiegel den Schmelzverlust im inneren Tiegel deckt.It is also known to nest two crucibles one inside the other and between both to establish a channel connection through a hole made in the inner crucible. An accumulation of impurities in the inner crucible during crystal pulling is said to be can thereby be prevented that a weakly or not at all doped semiconductor melt from the outer crucible covers the melt loss in the inner crucible.

Bei der Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist jedoch von wesentlicher Bedeutung, auf welche Weise das Dotierungsmaterial in die Halbleiterschmelze gelangt.However, it is more essential to carry out this known method Meaning how the doping material gets into the semiconductor melt.

Bringt man in die beiden Tiegel verschieden dotierte Halbleitermaterialien ein bzw. schmilzt sie ein, so ist auch darauf zu achten, daß zwischen beiden Tiegeln keine Temperaturdifferenz auftritt, die auch zu Temperaturschwankungen im Bereich des in die Halbleiterschmelze eingetauchten Impfkristalls und damit zu Querschnittsänderungen des gezogenen Kristalls führen würde.Different doped semiconductor materials are placed in the two crucibles on or if it melts, it is also important to ensure that between the two crucibles no temperature difference occurs, which also leads to temperature fluctuations in the area of the seed crystal immersed in the semiconductor melt and thus to changes in cross-section of the pulled crystal.

Diese Schwierigkeiten können bei einem Verfahren zum Ziehen von Einkristallen homogener, konstanter und gewünschter Störstellenkonzentration aus einer Schmelze, die sich in einem in zwei Räume unterteilten, vorzugsweise aus zwei ineinandergeschachtelten Tiegeln bestehenden Schmelztiegel, dessen Räume durch einen dem Tiegelboden benachbarten Kanal miteinander verbunden sind, befindet, wobei die Schmelze, aus der gezogen wird, Dotierungsmaterial, die damit kommunizierende Schmelze jedoch kein Dotierungsmaterial enthält, vermieden werden, wenn erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise ein Halbleiterstab an einem Ende mit einer Bohrung versehen und das für die Dotierung vorgesehene Maerial in diese Bohrung eingebracht wird, der Halbleiterstab mit dem der Bohrung gegenüberliegenden Ende in einen der beiden Räume des Tiegels gestellt, anschließend der feste Halbleiterstab derart geschmolzen wird, daß das mit der Bohrung versehene Ende zuletzt schmilzt, und wenn dann in bekannter Weise aus der Schmelze, die das Dotierungsmaterial enthält, der Kristall gezogen wird.These difficulties can arise in a single crystal pulling method homogeneous, constant and desired concentration of impurities from a melt, which are divided into two rooms, preferably two nested one inside the other Crucibles existing crucible, whose Spaces through a dem Crucible bottom adjacent channel are connected to each other, the melt, from which is drawn, doping material, but the melt communicating with it contains no doping material, can be avoided if according to the invention in itself known manner provided a semiconductor rod at one end with a bore and the material intended for the doping is introduced into this hole, the Semiconductor rod with the opposite end of the hole in one of the two spaces of the crucible, then the solid semiconductor rod is melted in such a way that that the end provided with the bore melts last, and if so in a known The crystal is drawn from the melt containing the doping material will.

Der Ziehprozeß erfolgt zweckmäßigerweise aus dem inneren Tiegel. Im anfänglichen Stadium des Schmelzprozesses gelangt aus dem inneren Tiegel undotierte Halbleiterschmelze in den äußeren Tiegel, und zwar stets so viel, daß gemäß dem Gesetz der kommunizierenden Röhren die beiden Flüssigkeitsspiegel die gleiche Höhe einnehmen. Erst wenn der Halbleiterkristall im Bereich der Bohrung zu schmelzen beginnt, gelangt das in der Bohrung des festen Kristalls befindliche Dotierungsmaterial in die Schmelze und vermischt sich mit dieser durch Diffusion. Der Ziehprozeß soll, nachdem der feste Ausgangskristall völlig eingeschmolzen ist, so schnell eingeleitet werden, daß die in die Schmelze diffundierenden Verunreinigungen noch nicht die Schmelze des äußeren Tiegels durch den zwischen den beiden Tiegeln bestehenden Verbindungskanal erreicht haben. Dadurch wird erreicht, daß lediglich die Schmelze im inneren Tiegel, aus dem der Halbleiterkristall gezogen wird, mit Dotierungsmaterial versetzt ist, während die Schmelze im äußeren Tiegel kein Dotierungsmaterial enthält.The drawing process expediently takes place from the inner crucible. in the initial stage of the melting process gets undoped from the inner crucible Semiconductor melt in the outer crucible, always so much that according to the Law of communicating tubes the two liquid levels are the same height take in. Only when the semiconductor crystal melts in the area of the hole begins, the doping material located in the bore of the solid crystal arrives into the melt and mixes with it by diffusion. The drawing process should after the solid starting crystal has melted completely, initiated so quickly that the impurities diffusing into the melt are not yet the Melt the outer crucible through the connecting channel between the two crucibles achieved. This ensures that only the melt in the inner crucible, from which the semiconductor crystal is pulled, is mixed with doping material, while the melt in the outer crucible does not contain any doping material.

Eine Anreicherung von Dotierungsmaterial in der im inneren Tiegel befindlichen Schmelze kann daher nicht erfolgen.An accumulation of dopant material in the inside crucible The melt that is located cannot therefore take place.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Ziehgefäß nicht mit beweglichen Teilen ausgestattet sein muß und daß man auf einfache Weise die verschieden dosierten Schmelzen in die Tiegel einbringen kann.The advantage of the method according to the invention is that the The drawing vessel does not have to be equipped with moving parts and that one can use simple Way can bring the differently dosed melts into the crucible.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Als Ausgangsmaterial dient gemäß der Figur ein Germaniumstab 4 mit einem Durchmesser von ungefähr 30 mm und einer Länge von 150 mm. In diesem wird mittels eines Diamantbohrers an einem Ende eine etwa 6 bis 7 mm tiefe Bohrung 5 eingebracht, deren Durchmesser etwa 5 mm beträgt. Bei einem Ausgangskörper von etwa 500 g Gewicht ist etwa 140 mg Dotierungsmaterial erforderlich, das, mit Halbleitermaterial verdünnt, in die Bohrung des Germaniumstabs eingebracht wird.The invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment. According to the figure, a germanium rod 4 with a diameter is used as the starting material of about 30 mm and a length of 150 mm. A diamond drill is used in this at one end an approximately 6 to 7 mm deep bore 5 is made, the diameter of which is about 5 mm. With a starting body of about 500 g weight is about 140 mg of doping material is required, which, diluted with semiconductor material, into the Bore of the germanium rod is introduced.

Das Ziehgefäß besteht aus einem äußeren Tiegel 1, in dessen Innerem ein weiterer Tiegel 2 konzentrisch angeordnet ist. Zwischen Tiegel 1 und Tiegel 2 besteht eine Verbindung in Gestalt des Kanals 3, der in Bodennähe in die seitliche Wandung des inneren Tiegels eingebracht ist. Es ist darauf zu achten, daß der Kanal 3 an der tiefsten Stelle des äußeren Tiegels 1 angebracht ist. Der Boden des inneren Tiegels 2 soll derart ausgebildet sein, daß bei nur noch geringem Schmelzenspiegel die Halbleiterschmelze sich möglichst nur noch auf einen Punkt in der Mitte des inneren Tiegelbodens konzentriert. Nur so ist es nämlich möglich, die Schmelze restlos durch den Ziehprozeß zu verbrauchen und störende Restschmelzen zu vermeiden.The drawing vessel consists of an outer crucible 1, inside another crucible 2 is arranged concentrically. Between crucible 1 and crucible 2 there is a connection in the form of the channel 3, which is near the bottom in the side Wall of the inner crucible is introduced. Care must be taken that the channel 3 is attached to the lowest point of the outer crucible 1. The bottom of the inner Crucible 2 should be designed such that with only a low melt level the semiconductor melt is as far as possible only on a point in the middle of the Concentrated inner crucible bottom. Only in this way is it possible to completely remove the melt to be consumed by the drawing process and to avoid disruptive residual melts.

Der zunächst zu schmelzende Germaniumstab 4 wird vor dem Schmelzprozeß derart in den inneren Tiegel 2 gestellt, daß das der Bohrung 5 gegenüberliegende Ende des Germaniumstabes gemäß der Figur auf den Boden des inneren Tiegels 2 zu liegen kommt. Dadurch erreicht man, daß beim folgenden Schmelzprozeß das Ende des Halbleiterstabes 4, an dem sich die Bohrung 5 mit dem Dotierungsmaterial 6 befindet, zuletzt geschmolzen wird. Die zum Schmelzprozeß erforderliche Schmelztemperatur kann beispielsweise durch eine Heizspule erzeugt werden, die um den äußeren Tiegel angeordnet ist. Das Schmelzen des Germaniumstabes erfolgt von unten nach oben. Infolge der zwischen Tiegel 1 und Tiegel 2 bestehenden Kanalverbindung 3 gelangt ein Teil der Halbleiterschmelze aus dem inneren Tiegel 2 in den äußeren Tiegel 1, und zwar stets so viel, daß im Gleichgewichtszustand die beiden Schmelzenspiegel die gleiche Höhe einnehmen. Da das für die Dotierung des zu ziehenden Einkristalls erforderliche Dotierungsmaterial sich lediglich in der Bohrung 5 des Halbleiterstabes 4 befindet, ist das in den Tiegel l gelangende schmelzflüssige Halbleitermaterial 8 undotiert, wenn der anschließend durchzuführende Ziehprozeß so schnell nach dem Einschmelzen erfolgt, daß bei Beendigung des Schmelzvorganges das in die Schmelze 7 gehende Dotierungsmaterial 6 noch nicht durch Diffusion in den äußeren Tiegel gelangen konnte. Anschließend wird in bekannter Weise aus dem Tiegel 2 ein Kristallstab gezogen.The germanium rod 4 to be melted first is placed in the inner crucible 2 before the melting process in such a way that the end of the germanium rod opposite the bore 5 comes to rest on the bottom of the inner crucible 2 as shown in the figure. This ensures that in the subsequent melting process, the end of the semiconductor rod 4, on which the bore 5 with the doping material 6 is located, is melted last. The melting temperature required for the melting process can be generated, for example, by a heating coil which is arranged around the outer crucible. The melting of the germanium rod takes place from the bottom up. As a result of the channel connection 3 existing between crucible 1 and crucible 2, part of the semiconductor melt passes from the inner crucible 2 into the outer crucible 1, always so much that the two melt levels assume the same height in the equilibrium state. Since the doping material required for the doping of the single crystal to be pulled is only located in the bore 5 of the semiconductor rod 4, the molten semiconductor material 8 reaching the crucible 1 is undoped if the pulling process to be carried out subsequently takes place so quickly after melting that when the Melting process, the doping material 6 going into the melt 7 could not yet reach the outer crucible by diffusion. A crystal rod is then pulled out of the crucible 2 in a known manner.

Claims

Claims: 1. Method for pulling single crystals more homogeneously, constant and desired concentration of impurities from a melt that is in one divided into two rooms, preferably two nested one inside the other Crucible existing crucible, the rooms of which are adjacent to the bottom of the crucible Channel interconnected, located, with the melt, drawn from the becomes doping material, but the melt communicating with it is not a doping material contains, characterized in that in a known manner a semiconductor rod (4) provided with a hole (5) at one end and the one provided for the doping Material is introduced into this hole that the semiconductor rod with that of the hole placed opposite end in one of the two spaces of the crucible, the fixed one Rod is melted in such a way that the end provided with the bore melts last, and that then in a known manner from the melt containing the doping material, the crystal is pulled.

2. The method according to claim 1, characterized in that that when using two nested crucibles the one provided with the bore Semiconductor crystal is brought into the inner crucible.

3. The method according to claim 2, characterized in that the drawing process after the complete melting of the The starting crystal is introduced before the diffusing into the melt Impurities have reached the outer crucible.

4. Device for carrying out the process according to one of the preceding claims, characterized in that the bottom of the inner crucible is lower than the bottom of the outer crucible. Considered Publications: German Auslegeschrift No. 1032 852; German interpretation document T 8148 VIII c / 21 g (published May 24, 1956); U.S. Patent No. 2,892 739; Austrian patent specification No. 194 444.