DE1254590B - Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W7WW> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

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3OB ί 3/ÖO-Ä

Deutsche KL: 12 c - 2

1 254 590
S 95239IV c/12 c 29. Januar 1965 23. November 1967

Zur Herstellung von hochreinem Halbleitermaterial für elektronische Zwecke wird unter anderem das tiegelfreie Zonenschmelzen angewendet. Ein stabförmiger Körper des zu behandelnden Stoffes, z. B. aus Silicium, wird an seinen Enden eingespannt und lotrecht in einer Zonenschmelzapparatur, z. B. in einer Vakuumkammer oder einer mit Schutzgas gefüllten Kammer, gehalten. Ein kleiner Teil der Stablänge wird durch eine Heizquelle, z.B. durch eine Induktionsheizspule oder durch eine Strahlungsheizquelle, derart beheizt, daß an dieser Stelle eine Schmelzzone entsteht. Durch Relativbewegung zwischen Heizquelle und dem zu behandelnden stabförmigen Körper wird die Schmelzzone von einem zum anderen Ende des Stabes durch diesen hindurchgeführt.

Wird an das eine Ende des Halbleiterstabes ein Keimkristall, d. h. ein durch vorherige Behandlung einkristallin gewachsener Stabteil angesetzt, so kann von diesem Keimkristall ausgehend der gesamte stabförmige Körper in einen Einkristall umgewandelt werden. Indem man die Schmelzzone mehrfach durch den Halbleiterstab hindurchwandern läßt, wird die Verunreinigungskonzentration in dem behandelten Material verringert bzw. durch besondere Maßnahmen vergleichmäßigt. Durch verschiedene Maßnahmen kann die Querschnittsgröße des behandelten Körpers gesteuert bzw. geregelt werden. So kann man z. B. durch Auseinander- bzw. Zueinanderbewegen der beiden Stabhalterungen dafür sorgen, daß die Schmelzzone gestaucht bzw. gestreckt wird, wodurch der Querschnitt der Schmelzzone vergrößert bzw. verringert wird, was zur Folge hat, daß auch der Querschnitt des aus der Schmelzzone wieder anwachsenden Stabteiles entsprechend vergrößert bzw. verkleinert wird. Dieser Streck-Stauchprozeß kann in Abhängigkeit von verschiedenen Meßgrößen, ζ. B. in Abhängigkeit von dem in die Heizspule eingespeisten Strom, bzw. in Abhängigkeit von optischen Meßgrößen geregelt werden. Für gewöhnlich wird eine solche Regelung vorgenommen, daß der Stabquerschnitt über die gesamte Stablänge gleich ist, wodurch die Möglichkeit besteht, die von dem Stab durch Schnitte senkrecht zur Stabachse abgeschnittenen Scheiben ohne weitere Zerteilung zu Halbleiterbauelementen weiterzuverarbeiten, da sie alle die gleiche Flachengröße aufweisen.

Für die Weiterverarbeitung der Halbleiterscheiben zu Halbleiterbauelementen ist nicht nur die Reinheit des Materials, sondern auch die Kristallqualität sehr wichtig. In den meisten Fällen ist es erwünscht, daß Versetzungen nur in sehr geringer Menge vorhanden Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. phil. nat. Konrad Reuschel, Pretzfeld (OFr.)

sind und weiter, daß sie über den Stabquerschnitt verhältnismäßig gleichmäßig verteilt sind. Es ist in neuerer Zeit gelungen, vollkommen versetzungsfreies einkristallines Material herzustellen, doch ist dies nicht in jedem Falle erwünscht. So hat es sich z. B.

für die Herstellung von Bauelementen durch Legieren als zweckmäßig erwiesen, wenn eine geringe Anzahl von Versetzungen vorhanden ist.

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Halbleitermaterial mit verbesserter Kristallqualität. Sie bezieht sich deshalb auf ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium, bei dem ein stabförmiger Körper des zu behandelnden Stoffes lotrecht an seinen Enden gehaltert und eine Schmelzzone von einem an einem Ende angeschmolzenen Keimkristall ausgehend durch den Körper der Länge nach hindurchgeführt wird, wobei die Größe des Querschnitts des stabförmigen Körpers gesteuert wird. Es ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsgröße wenigstens beim letzten Durchgang der Schmelzzone so gesteuert wird, daß sie vom Keimkristall ausgehend bis zum anderen Stabende ständig ansteigt.

Es zeigte sich, daß auf diese Weise dafür gesorgt werden kann, daß die Versetzungsdichte, d. h. die Anzahl der Versetzungen, bezogen auf die Flächeneinheit des Querschnitts, sowohl über den Stabquerschnitt als auch über die Stablänge in erwünschten Grenzen gleichmäßig gehalten werden kann, z. B.

zwischen 10 000 und 80 000/cm². Es werden auch die schädlichen Reihenversetzungen (lineages) verhindert, während Gleitlinien (slippages) zwar auftreten, aber nur in einem verhältnismäßig geringen, als zulässig zu erachtenden Rahmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Behandlung von Halbleiterstäben großen Querschnitts, z. B. von 35 oder 40 mm Durchmesser und darüber geeis

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net, bei denen in erhöhtem Maße die Gefahr besteht, daß die Versetzungsdichte mit der Entfernung vom Keimkristall zunimmt und daß besonders am Rand des Querschnitts Reihenversetzungen (lineages) auftreten.

An Hand eines Ausführungsbeispiels, aus dem weitere Einzelheiten hervorgehen, soll das erfindungsgemäße Verfahren im nachfolgenden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

In der Zeichnung ist ein Halbleiterstab 2 dargestellt, der an seinen Enden in Halterungen 3 und 4 lotrecht gehaltert ist. An das untere Ende des Halbleiterstabes 2 ist ein Keimkristall 5 angeschmolzen. Zweckmäßigerweise hat der Keimkristall 5 einen wesentlich geringeren Durchmesser als der zu behandelnde Halbleiterstab 2, wodurch die Kristallqualität verbessert werden kann. Beispielsweise die obere Stabhalterung 3 kann gehoben und gesenkt und dadurch die Schmelzzone 6 gestreckt und gestaucht werden. Die untere Stabhalterung 4 wird zweckmäßigerweise um ihre eigene Achse gedreht, wodurch das aufwachsende Halbleitermaterial gezwungen wird, einen kreisförmigen Querschnitt anzunehmen. Die Schmelzzone 6 wird durch eine Heizspule 7 erzeugt, die das Halbleitermaterial induktiv erhitzt. Die Wanderungsrichtung der Heizspule 7 und damit der Schmelzzone 6 ist vom Keimkristall 5 ausgehend von unten nach oben.

Es wurde nun beobachtet, daß bei größeren Stabquerschnitten, z. B. bei Stäben mit Durchmessern von mehr als 30 mm, Schwierigkeiten hinsichtlich der Kristallqualität auftraten. Wenn durch bestimmte Maßnahmen, z. B. die Auswahl des Keimkristalls und durch entsprechende Kühlungs- und Heizungsverhältnisse, z. B. durch die Wahl der Geschwindigkeit der Wanderung der Schmelzzone, erreicht wurde, daß die Versetzungsdichte in dem auf dem Keimkristall folgenden Stabteil die gewünschten Werte, z.B. 50000Versetzungen pro cm² hatte, nahm die Versetzungsdichte mit zunehmender Entfernung vom Keimkristall ebenfalls zu und erreichte am Ende des Stabes weit mehr als den doppelten Wert..

Es wurde nun festgestellt, daß in dem Fall, daß der Querschnitt des Halbleiterstabes mit der Entfernung vom Keimkristall zunimmt, die Versetzungsdichte praktisch gleich gehalten werden kann und daß sie auch über den Stabquerschnitt gemessen keine größeren Abweichungen als den Faktor 1,5 aufweist. Wie weiter festgestellt wurde, genügt es in den meisten Fällen, wenn nicht während des gesamten Zonenschmelzprozesses mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone eine anwachsende Querschnittsform des Halbleiterstabes vorgesehen wird, sondern lediglich beim letzten Zonendurchgang eine derartige Querschnittsform erzeugt wird. Man kann also während des Zonenschmelzens durch automatische Regelung dafür sorgen, daß der auf andere Weise, z. B.

durch Abscheidung aus der Gasphase gewonnene Halbleiterstab, einen gleichmäßigen Wert der Querschnittsgröße über seine gesamte Stablänge behält, während beim letzten Zonendurchgang die Querschnittsgröße durch Stauchen so gesteuert wird, daß die erwünschte Wirkung eintritt. Häufig kann man mit nur einem Durchgang der Schmelzzone aus einem polykristallinen Stab einen zur Weiterverarbeitung zu Halbleiterbauelementen geeigneten konischen Ein-

ίο kristall herstellen.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Stärke der Vergrößerung des Querschnitts und der erzielbaren Wirkung in der Hinsicht, daß mit einer stärkeren Vergrößerung des Querschnitts eine stärkere Verminderung der Versetzungsdichte einhergeht. Bezogen auf runde Querschnitte, ist es in den meisten Fällen ausreichend, wenn der Durchmesser um etwa 5 mm auf etwa 50 mm Stablänge anwächst, damit das gewünschte Ziel, nämlich eine gleichmäßige Versetzungsdichte über die gesamte Stablänge erreicht wird. Ein Ansteigen des Stabdurchmessers um 1 mm auf 200 mm Stablänge sollte nicht unterschritten und ein Ansteigen um 1 mm auf 1 mm nicht überschritten werden.

Es ist auch wichtig, daß während des Durchganges der Schmelzzone, bei dem die konische Gestalt des Einkristalls erzeugt wird, dafür Sorge getragen wird, daß das leichte Ansteigen der Querschnittsgröße an keiner Stelle kurzzeitig unterbrochen wird, z. B.

durch Querrillen, Einschnürungen od. dgl. Deshalb darf z. B. die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone nicht über 5 mm/Min, gesteigert werden, da darüber mit stärkeren Querrillen gerechnet werden muß, die gegebenenfalls einen kurzen negativen

Anstieg zur Folge haben. Als untere Grenze der Wanderungsgeschwindigkeit erscheint 1 mm/Min, als notwendig.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium, bei dem ein stabförmiger Körper des zu behandelnden Stoffes lotrecht an seinen Enden gehaltert und eine Schmelzzone von einem an einem Ende angeschmolzenen Keimkristall ausgehend durch den Körper der Länge nach hindurchgeführt wird, wobei die Größe des Querschnitts des stabförmigen Körpers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsgröße

wenigstens beim letzten Durchgang der Schmelzzone so gesteuert wird, daß sie vom Keimkristall ausgehend bis zum anderen Stabende ständig ansteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsgröße so gesteuert wird, daß der Stabdurchmesser zwischen 1:1 und 1:200, bezogen auf die Stablänge, anwächst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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