DE1251721B

DE1251721B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiteiknstallen vorzugsweise Halbleiteremknstallen mit einstellbarer, beispielsweise konstanter Fremdstoffkonzentration

Info

Publication number: DE1251721B
Application number: DES88061A
Authority: DE
Inventors: Dipl Ing Fritz Mentzel Heinz Remke München Dipl -Chem Dr Dietrich Eckhardt Starnberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-10-28
Publication date: 1967-10-12
Also published as: DE1444541B2; DE1544250B2; DE1444541C3; US3342560A; DE1444541A1; DE1544250C3; CH440227A; GB1029769A; NL6410933A; DE1544250A1; SE302446B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOIj

C 3OB J5/ ί2

Deutsche Kl.: 12 g-17/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1251721
S8806irVc/12g
28. Oktober 1963
12. Oktober 1967

Bei der Herstellung von dotierten Halbleiterkristallen, vorzugsweise Einkristallen, durch Ziehen aus der Schmelze ist es schwierig, Kristalle zu erhalten, die eine über die ganze Ziehlänge gleichmäßige Dotierung aufweisen. Da der Verteilungskoeffizient des Fremdstoffes im Halbleitermaterial im allgemeinen ungleich 1 ist, steigt oder fällt die Fremdstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Ziehlänge. Diese Tatsache macht sich bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sehr störend bemerkbar, da beim Zerlegen der Einkristallstäbe Teilstücke mit unterschiedlichem spezifischem Widerstand erhalten werden.

Halbleiterkristalle, vorzugsweise Halbleitereinkristalle, lassen sich aber mit einstellbarer, beispielsweise konstanter Fremdstoffkonzentration durch Ziehen aus einer Schmelze, herstellen, wobei die Schmelze auf zwei miteinander durch eine Leitung verbundene, vorzugsweise zylindrische Gefäße unterschiedlichen Volumens aufgeteilt ist und der Kristall aus dem das kleinere Volumen aufweisenden Gefäß, welches innerhalb des größeren Gefäßes angeordnet ist, gezogen und das Volumen der Schmelze im kleineren Gefäß fortlaufend durch Relativbewegungen der beiden Gefäße gegeneinander und damit durch Ergänzung des geschmolzenen Halbleitermaterials aus dem als Vorratsgefäß dienenden größeren Gefäß konstant gehalten wird,.wenn erfindungsgemäß die Relativbewegungen der beiden Gefäße mittels außerhalb der Gefäße angeordneter, miteinander gekoppelter Antriebsvorrichtungen zwangsweise herbeigeführt werden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1101775 ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem der Ziehtiegel in einem größeren, das Ausgangsmaterial enthaltenden Vorratsgefäß angeordnet ist. Das Nachfließen der Schmelze aus dem Vorratsgefäß wird durch eine Verbindungskapillare, die im Boden des Gefäßes angeordnet ist, ermöglicht. Das kleinere, als Ziehtiegel bezeichnete Gefäß schwimmt dabei in der im größeren Gefäß befindlichen Schmelze. Die axiale Verschiebung des Ziehtiegels erfolgt somit auf Grund der Schwerkraft. Bei diesem Verfahren macht es sich als störend bemerkbar, daß die Bewegung des Ziehtiegels innerhalb der im Vorratsgefäß befindlichen Schmelze verhältnismäßig willkürlich ist, so daß eine exakte Justierung des Ziehtiegels nicht möglich ist. Vielmehr kann es bei diesem Verfahren vorkommen, daß der thermische Mittelpunkt der im Ziehtiegel befindlichen Schmelze nicht dem geometrischen Mittelpunkt entspricht, d. h., die Schmelze kann an Stellen, die nicht für das Kristallwachstum vorgesehen sind, kühler sein Verfahren zum Herstellen von
Halbleiterkristallen, vorzugsweise
Halbleitereinkristallen mit einstellbarer,
beispielsweise konstanter
Fremdstoffkonzentration

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Chem. Dr. Dietrich Eckardt, Starnberg;

Dipl.-Ing. Fritz Mentzel,

Heinz Reinke, München

als an den dem Keim benachbarten Stellen, so daß es auch an diesen Stellen zu einer spontanen Kristallisation kommen kann, was sich in erheblichen Kristallbaufehlern bemerkbar macht.

Diese Nachteile werden beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch vermieden, daß die Steuerung der Tiegelbewegung zwangsweise herbeigeführt wird. Dadurch wird erreicht, daß eine äußerst exakte Justierung des Ziehtiegels innerhalb der im Vorratsgefäß befindlichen Schmelze erreicht wird.

In Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Volumen der Schmelze im kleineren Gefäß in gewünschter Weise eingestellt wird, wird weiterhin vorgeschlagen, die Antriebsvorrichtuogen entsprechend einem bestimmten Programm einzustellen.

Die Volumina der beiden Gefäße werden vorteilhafterweise so bemessen, daß das Volumen des größeren Gefäßes groß ist im Verhältnis zu dem des kleineren, insbesondere so, daß das Volum en verhältnis 5 :1 überschreitet.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der die Gefäße konzentrisch zur Ziehachse angeordnet sind, soll das kleinere Gefäß durch eine durch den Boden des größeren Gefäßes und den des Ziehraumes hindurchgeführte Achse mit den Antriebsvorrichtungen verbunden sein. Eine Antriebsvorrichtung dient zur Herbeiführung einer Rotationsbewegung des kleineren Gefäßes, eine andere zur Herbeiführung einer Höhenverschiebung desselben Gefäßes. Das umgebende Gefäß kann hierbei unbewegt bleiben. Die Anbringung eines Verbindungsgliedes ermöglicht es, Rotation und Höhenverschie

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bung des kleinen Gefäßes gleichzeitig oder unabhängig voneinander vorzunehmen.

Zweckmäßigerweise werden die Bewegungen, insbesondere die Rotation, derart gesteuert, daß es zu einer für die Einkristallbildung günstigen Temperaturverteilung im kleineren Gefäß kommt, insbesondere so, daß der thermische Mittelpunkt dem geometrischen entspricht.

Um ein Zufließen der in dem größeren Gefäß befindlichen Schmelze zu der im kleineren Gefäß vorhandenen zu ermöglichen, wird die Seitenwand des kleineren Gefäßes mit einer kapillaren Bohrung versehen. Es ist vorteilhaft, die Bohrung so anzuordnen, daß sie tangential zur Innenwandung des Gefäßes verläuft. Die Richtung der Bohrung wird dabei so gewählt, daß das Einströmen des Halbleitermaterials in das kleinere als Ziehtiegel dienende Gefäß durch dessen Rotation unterstützt wird, was sich beispielsweise dadurch erreichen läßt, daß die Richtung der Bohrung von der Tiegelinnenwand zur Tiegelaußenwand in der Rotationsrichtung verläuft.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Einkristallstäbe zeigen nicht nur eine besonders gleichmäßige Verteilung der Fremdstoffe (der Donatoren bzw. Akzeptoren) und damit einen über die ganze Ziehlänge nahezu konstanten spezifischen Widerstand, sondern zeichnen sich außerdem durch eine besonders gute Kristallperfektion aus.

Sie sind daher für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, beispielsweise Transistoren, Gleichrichtern u. dgl., geeignet.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung der Figuren und dem Ausführungsbeispiel hervor.

In F i g. 1 ist ein aus einem Quarzzylinder 1 bestehender Ziehraum 2 dargestellt, der durch die Abdeckplatten 3 und 4 abgeschlossen wird. Die Ventile 5 und 6 dienen zum Ein- bzw. Ableiten von Schutzgasen, beispielsweise Argon, Stickstoff oder Wasserstoff, vorzugsweise als Gemisch mit Wasserstoff.

Durch die obere Abdeckplatte 3 ist die Ziehspindel 7, an der der Keimkristall 17 befestigt ist, hindurchgeführt. Außerdem ist in der Abdeckplatte 3 ein verschließbares Rohr 8 angebracht, das an seinem unteren Ende gebogen ist und so gedreht werden kann, daß durch das Rohr eingeführte Fremdstoffe in das größere — als Vorratstiagel dienende — Gefäß 9 oder in das kleinere Gefäß 10, das als Ziehtiegel vorgesehen ist, eingebracht werden können.

Der Ziehtiegel 10 ist durch eine Achse U mit den Antriebsvorrichtungen 12 und 13 über ein Verbindungsglied 14 verbunden. Außerdem sind zur Abdichtung des Ziehraumes 2 die Dichtungen 15 zwischen dem Quarzzylinder 1 und den Abdeckplatten 3 und 4 angebracht; als Dichtungsmaterial eignen sich hitzebeständige Stoffe, beispielsweise Silikongummi.

In F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch den Ziehtiegel 10 dargestellt. Die Seitenwände des Tiegels, der bei Germanium zweckmäßigerweise aus Graphit besteht, ist mit einer kapillaren Bohrung 16 versehen. Diese Bohrung wird — wie in Fi g. 3 angedeutet — so angebracht, daß sie tangential zur Innenwandung in der Seitenwand des Tiegels verläuft.

Zur Herstellung eines stabförmigen Einkristalls aus Germanium werden die beiden aus Graphit bestehenden Gefäße mit undotiertem Germanium beschickt. Durch induktive Beheizung auf eine Temperatur von 950° C wird das in den Gefäßen 9 und 10 befindliche Germanium zum Schmelzen gebracht. Danach wird durch Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung 12, die mit dem Ziehtiegel 10 über das Verbindungsglied 14 und die Achse 11 verbunden ist, die Lage der oberen Begrenzung des Ziehtiegels über der Schmelze im Vorratsgefäß 9 so verändert, bis das gewünschte Volumen eingestellt ist. Anschließend wird durch die Antriebsvorrichtung 13, die ebenfalls über das Verbindungsglied 14 und die Achse 11 mit dem

ίο Ziehtiegel verbunden ist, die Rotation des Ziehtiegels herbeigeführt. Die Rotationsgeschwindigkeit liegt dabei zwischen 10 und 100 Umdrehungen pro Minute. Dann wird die dem gewünschten spezifischen Widerstand des einkristallinen Materials entsprechende Menge eines Fremdstoffes durch das für das Einbringen des Dotierungsmaterials vorgesehene Rohr 8 in das geschmolzene Germanium im Ziehtiegel gebracht.
Für die Herstellung von η-leitendem Germanium

ao eignet sich Antimon als Dotierungsmaterial, für die ' Herstellung von p-leitendem Germanium Indium.

Nach Absenken des an der Ziehspindel 7 befestigten Kristallkeims 17 in die Schmelze im Ziehtiegel und Einregeln der optimalen Temperatur beginnt der Einkristall zu wachsen. Mit fortschreitendem Herausziehen des an der Ziehspindel 7 befestigten und ständig wachsenden Kristalls 17 nimmt das Volumen der Schmelze im Tiegel 10 ab. Der Tiegel wird möglichst kontinuierlich so gesenkt, daß das Volumen der Schmelze durch aus dem Vorratsgefäß 9 durch die kapillare Bohrung 16 einströmendes Halbleitermaterial entweder konstant gehalten oder entsprechend einem vorgegebenen Programm verändert wird. So gelingt es beispielsweise Einkristallstäbe mit einer Länge von 500 mm, mit einem Durchmesser von etwa 30 mm herzustellen. Die Schwankungen des spezifischen Widerstandes über 9O°/o der Ziehlänge betragen nur + 10% um einen gut einstellbaren Mittelwert. Die Versetzungsdichte liegt bei 1000 bis 3000 Versetzungen/cm².

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterkristallen, vorzugsweise Halbleitereinkristallen mit einstellbarer, beispielsweise konstanter Fremdstoffkonzentration, durch Ziehen aus einer Schmelze, die auf zwei miteinander durch eine Leitung verbundene, vorzugsweise zylindrische Gefäße unterschiedlichen Volumens aufgeteilt ist, wobei der Kristall aus dem das kleinere Volumen aufweisenden Gefäß, welches innerhalb des größeren Gefäßes angeordnet ist, gezogen und das Volumen der Schmelze im kleineren Gefäß fortlaufend durch Relativbewegungen der beiden Gefäße gegeneinander und damit durch Ergänzung des geschmolzenen Halbleitermaterials aus dem als Vorratsgefäß dienenden größeren Gefäß konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegungen der beiden Gefäße mittels außerhalb der Gefäße angeordneter, miteinander gekoppelter Antriebsvorrichtungen zwangsweise herbeigeführt werden.

2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Volumen der Schmelze im kleineren Gefäß in gewünschter Weise eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtungen entsprechend einem bestimmten Programm eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der beiden Gefäße so bemessen werden, daß das Volumen des größeren Gefäßes groß ist im Verhältnis zu dem des kleineren, insbesondere daß das Volumenverhältnis 5:1 übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Antriebsvorrichtung eine Rotation des kleineren Gefäßes herbeigeführt wird. ίο

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen derart gesteuert werden, daß es zur Einstellung der für die Einkristallbildung günstigen Temperaturverteilung im kleineren Gefäß kommt, insbesondere so, daß der thermische Mittelpunkt dem geometrischen entspricht.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungsglied angebracht wird, durch das die ao Rotation und die Höhenverschiebung des kleineren Gefäßes auch gleichzeitig herbeigeführt werden kann.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kleinere Gefäß durch eine durch den Boden des größeren Gefäßes und den des Ziehraumes hindurchgeführte Achse mit den Antriebsvorrichtungen verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsvorrichtung zur Herbeiführung einer Rotationsbewegung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Antriebsvorrichtung zur Herbeiführung einer Höhenverschiebung vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des kleineren Gefäßes mit einer kapillaren Bohrung versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung im kleineren Gefäß derart tangential zur Innenwandung des Gefäßes angeordnet ist, daß die Richtung der Bohrung von der Gefäßinnenwand zur Gefäßaußenwand in der Rotationsrichtung verläuft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1101775;
USA.-Patentschriften Nr. 2 892 739,2 872 299.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen