DE1444541B2

DE1444541B2 - Verfahren zum herstellen von halbleitereinkristallen mit einstellbarer fremdstoffkonzentration

Info

Publication number: DE1444541B2
Application number: DE19631444541
Authority: DE
Inventors: Friedrich Adolf Dipl Ing Reinke Heinz 8000 München Eckardt Dietrich Dipl Chem Dr 813OStarnberg Mentzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-10-28
Filing date: 1963-10-28
Publication date: 1973-06-20
Also published as: DE1251721B; CH440227A; US3342560A; DE1444541C3; DE1544250A1; SE302446B; DE1444541A1; GB1029769A; DE1544250B2; DE1544250C3; NL6410933A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitereinkristallen mit einstellbarer Fremdstoffkonzentration durch Ziehen aus einer dotierten Schmelze, die auf zwei miteinander durch eine Leitung verbundene Gefäße unterschiedlichen Volumens aufgeteilt ist, wobei der Kristall aus dem das kleinere Volumen aufweisenden Gefäß, welches innerhalb des größeren Gefäßes angeordnet und in Rotation versetzt ist, gezogen und das Schmelzvolumen in dem kleineren Gefäß dadurch konstant gehalten oder entsprechend einem bestimmten Programm eingestellt wird, daß fortlaufend aus dem als Vorratsgefäß dienenden größeren Gefäß Schmelze nachgeführt wird, indem das kleinere Gefäß durch außerhalb der Gefäße angeordnete Antriebsvorrichtungen nach abwärts verschoben wird.

Auf diese Weise ist es möglich, die bei den herkömmlichen Kristallziehverfahren auftretenden Schwierigkeiten, insbesondere die ungleichmäßige Verteilung der Dotierungsstoffe über die Ziehlänge des Kristalls zu vermeiden. Da der Verteilungskoeffizient des Fremdstoffes im Halbleitermaterial im allgemeinen ungleich 1 ist, steigt oder fällt die Fremdstoffkonzentration in Abhängigkeit von- der Ziehlänge. Werden die nach den herkömmlichen Verfahren hergestellten Einkristallstäbe in Teilstücke zerlegt, so zeigen diese einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand. Mit Hilfe des eingangs beschriebenen Verfahrens lassen sich diese Schwierigkeiten weitgehend vermeiden. Es bleibt jedoch weiterhin schwierig, die Steuerung des Ziehvorgangs dem gewünschten Widerstandswert exakt anzupassen.

Es wird deshalb erfindungsgemäß eine Verbesserung des eingangs erwähnten Verfahrens vorgeschlagen, welche vorsieht, daß die Gewichtsänderung, die aus der durch das Kristallziehen zunächst eintretenden Volumenabnahme der Schmelze im kleineren Gefäß resultiert, kontinuierlich durch einen Kraftmesser bestimmt wird und mittels der erhaltenden Meßwerte über eine Steuerung derart auf die Antriebsvorrichtung eingewirkt wird, daß sich das erwünschte Schmelzvolumen im Ziehtiegel einstellt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Steuerung derart eingestellt wird, daß entweder die Lage der oberen Begrenzung des Ziehtiegels über der ^ ^. Schmelze im Vorratsgefäß konstant gehalten wird ' ....

oder daß die Lage der oberen Begrenzung des Ziehtiegels über der Schmelze im Vorratsgefäß entsprechend einem vorgegebenen Programm verändert wird. Als besonders vorteilhaft ist es anzusehen, daß der Volumenausgleich kontinuierlich vorgenommen werden kann.

Eine Weiterbildung des auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Verfahrens sieht vor, daß der zur Messung der Volumenänderung vorgesehene Kraftmesser aus einer Federwaage besteht.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Halbleiterkristalle sind in vorteilhafter Weise für die Herstellung von Transistoren, Gleichrichter u. dgl. geeignet.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung der Figur und des Ausführungsbeispiels 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 Ven-

tile 5 und 6 dienen zum Ein- bzw. Ableiten von C t Schutzgasen, wie beispielsweise Argon, Stickstoff oder Wasserstoff, vorzugsweise einem 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 Vorratsgefäß dienende Gefäß 9 oder in das kleinere Gefäß 10, das als Ziehtiegel vorgesehen ist, eingebracht werden können. Der Ziehtiegel 10 ist mit einer tangential zur Innenwandung des Gefäßes verlaufenden kapillaren Bohrung 16 versehen. Die Größe der Gefäße wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß das Vorratsgefäß im Verhältnis zum kleineren Gefäß groß ist. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Volumenverhältnis von >5 zu 1 erwiesen. Durch das Volumenverhältnis läßt sich die Ausbeute an einkristallinem Material mit definiertem Fremdstoffgehalt beliebig vergrößern, da die Ausbeute im gleichen Verhältnis steigt, wie das Verhältnis des Volumens des Vorratsgefäßes zu dem des Ziehtiegels wächst. Außerdem ist der weitere

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Nachschub von Halbleitermaterial bis zum Ende des hältnisses der Gefäße 9 und 10, das möglichst groß

Ziehprozesses beim Aufsetzen des Ziehtiegels auf den sein soll, begünstigt.

Boden des Vorratstiegels gewährleistet. Mit fortschreitendem Wachsen des an der Zieh-

Der Ziehtiegel 10 wird durch eine Achse 11 mit den spindel 7 befestigten Kristalls, der nach oben aus der

Antriebsvorrichtungen 12 und 13 über ein Verbin- 5 Schmelze gezogen wird, nimmt das Volumen der

dungsglied 14 verbunden. Außerdem ist an der Achse Schmelze im Ziehtiegel 10 und im Vorratstiegel 9 ab,

ein Belastungsgewicht 18 angebracht, das so bemes- dadurch sinkt der Ziehtiegel 10 entsprechend ab.

sen ist, daß der Tiegel 10 in der im Vorratsgefäß 9 Durch die hieraus resultierende Veränderung an der

vorhandenen Schmelze untertaucht. Die ebenfalls an Federwaage 19 wird über den entsprechend einge-

der Achse 11 angebrachte Federwaage 19 dient zur io stellten Steuerkontakt die Antriebsvorrichtung 12 mit

Messung der Kraft, die notwendig ist, um den mit Hilfe des Verstärkers 20 betätigt, und der Tiegel 10

dem Gewicht 18 belasteten Ziehtiegel 10 so weit zu wird über die Achse 11 und das Verbindungsglied 14

heben, daß seine obere Begrenzung über die obere so weit gesenkt, daß die erwünschte Volumeneinstel-

Begrenzung der im Vorratsgefäß vorhandenen lung wieder erreicht wird. Durch Einstellung des

Schmelze herausragt. Die Waage 19 ist mit einem in 15 Steuerkontaktes an der Waage 19 kann das Volumen

der Figur nicht bezeichneten Stcuerkontakt versehen, im Tiegel 10 entweder konstant gehalten oder ent-

der über einen Verstärker 20, die Antriebsvorrich- sprechend einem bestimmten Programm eingestellt

tung 12, die für eine vertikale Verschiebung des Tie- werden, je nach dem, ob Einkristalle mit konstantem

gels 10 vorgesehen ist, betätigt. Durch das Verbin- spezifischem Widerstand oder solche, mit über die

dungsglied 14 wird außerdem die Antriebsvorrich- 20 Ziehlänge nach einem bestimmten Programm ver-

tung 12 mit der Antriebsvorrichtung 13, die eine änderten spezifischen Widerstand erwünscht sind.

Rotation des Tiegels 10 bewirkt, in sinnvoller Weise· Aus dem Gesagten geht hervor, daß die Änderung

gekoppelt. des Volumens im Ziehtiegel 10 die Antriebsvorrich-

Außerdem sind zur Abdichtung des Ziehraumes 2 tung 12, die eine vertikale Verschiebung des Zieh-

die Dichtungen 15 zwischen dem Quarzzylinder 1 25 tiegels bewirkt, betätigt, so daß sich das Volumen

und den Abdeckplatten 3 und 4 angebracht. Als im Tiegel gewissermaßen selbst steuert. Gleichzeitig

Dichtungsmaterial werden hitzebeständige Stoffe, bei- wird während des ganzen Ziehvorgangs der Tiegel

spielsweise Silikongummi, verwendet. in gleichmäßiger Rotation gehalten, was sich durch

Zur Herstellung eines stabförmigen Einkristalls aus die Antriebsvorrichtung 13 erreichen läßt. Durch die Germanium werden die beiden aus Graphit bestehen- 30 in der Wandung des Ziehtiegels 10 angebrachte Bohden Gefäße mit beispielsweise undotiertem Germa- rung 16 ist die Zuführung des Nachschubmaterials nium beschickt. Durch beispielsweise induktive Be- aus dem als Vorratstiegel dienenden größeren Gefäß heizung auf eine Temperatur von ungefähr 950° C bei der Rotation des Ziehtiegels gewährleistet,
wird das in den Gefäßen 9 und 10 befindliche Ger- Durch die Rotation des Ziehtiegels wird eine gute manium zum Schmelzen gebracht. Dann wird das 35 Durchmischung des im Tiegel befindlichen Halbleiterkleinere, als Ziehtiegel dienende Gefäß durch ein materials erreicht, was zu einer gleichmäßigen Veraußerhalb des Reaktionsgefäßes 2 an der Achse 11 teilung des Fremdstoffes über die gesamte Länge angebrachtes Gewicht 18 derart belastet, daß es in des aus der Schmelze gezogenen Kristalls führt, der im größeren Gefäß befindlichen Schmelze unter- Außerdem bewirkt die Rotationsbewegung eine güntaucht. Um ein bestimmtes Germaniumvolumen im 40 stige Temperaturverteilung in der im Ziehtiegel vorGefäß 10 einzustellen, wird dieses mit einer bestimm- handenen Schmelze. Auf diese Weise gelingt es, die ten Kraft, die durch die Federwaage 19 gemessen Versetzungsdichte beträchtlich herabzusetzen. Die wird, durch die Antriebsvorrichtung 12 angehoben Anwendung des auf dem Erfindungsgedanken be- und die Lage seiner oberen Begrenzung über der ruhenden Verfahrens ermöglicht die Herstellung von Schmelze im Vorratsgefäß 9 fixiert. Anschließend 45 Kristallstäben mit einer Länge von beispielsweise wird durch die Antriebsvorrichtung 13, die ebenfalls 500 mm, einem Durchmesser von etwa 30 mm. Diese über das Verbindungsglied 14 und die Achse 11 mit Kristalle zeigen gegenüber den nach den herkömmdem Ziehtiegel verbunden ist, die Rotation des Zieh- liehen Verfahren hergestellten eine sehr gute Kontiegels herbeiführt. Die Rotationsgeschwindigkeit stanz des spezifischen Widerstandes und außerdem liegt dabei günstigerweise zwischen 10 und 100 Um- 50 eine erheblich herabgesetzte Versetzungsdichte. So drehungen pro Minute. Dann wird die den gewünsch- ist es beispielsweise gelungen, Kristalle herzustellen, ten spezifischen Widerstand des einkristallinen Mate- bei denen die Schwankungen des spezifischen Widerrials entsprechende Menge eines Fremdstoffes durch Standes über 9O°/o der Ziehlänge nur ±lO°/o um das für das Einbringen des Dotierungsmaterials vor- einen gut einstellbaren Mittelwert betragen und bei gesehene Rohr 8 in das geschmolzene Germanium im 55 denen die Versetzungsdichte bei 1000 bis 3000 Ver-Ziehtiegel 10 gebracht. Setzungen pro cm² liegt.

Für die Herstellung von η-leitendem Germanium Werden für die Herstellung von Einkristallen an eignet sich beispielsweise Antimon als Dotierungs- Stelle von Germanium, Silicium oder andere Halbmaterial; soll p-leitendes Germanium hergestellt wer- leitermaterialien verwendet, müssen die Arbeitsden, so ist Indium als Dotierungsmaterial geeignet. 60 bedingungen bzw. die als Dotierungsmaterialien ver-Beide Dotierungsmaterialien zeichnen sich durch wendeten Fremstoffe in entsprechender Weise abgeeinen kleinen effektiven Verteilungskoeffizienten in ändert werden. Durch die hohe Gleichmäßigkeit der Germanium aus, was unter anderem den Vorteil hat, elektrischen und kristallografischen Eigenschaften der daß relativ große Mengen des Fremdstoffes benötigt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellwerden, wodurch bei der Einwaage auftretende Un- 65 ten Einkristalle läßt sich eine geringe Typenstreuung genauigkeiten weitgehend vermieden werden. Dieser der daraus hergestellten Halbleiterbauelementen, wie Vorteil wird auch durch die Wahl des Volumenver- Transistoren, Gleichrichter od. dgl., erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleitereinkristallen mit einstellbarer Fremdstoffkonzentration durch Ziehen aus einer dotierten Schmelze, die auf zwei miteinander durch eine Leitung verbundene Gefäße unterschiedlichen Volumens aufgeteilt ist, wobei der Kristall aus dem das kleinere Volumen aufweisenden Gefäß, welches innerhalb des größeren Gefäßes angeordnet und in Rotation versetzt ist, gezogen und das Schmelzvolumen in dem kleineren Gefäß dadurch konstant gehalten oder entsprechend einem bestimmten Programm eingestellt wird, daß fortlaufend aus dem als Vorratsgefäß '■ dienenden größeren Gefäß Schmelze nachgeführt wird, indem das kleinere Gefäß durch außerhalb der Gefäße angeordnete Antriebsvorrichtungen, nach abwärts verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsänderung, die aus der durch das Kristallziehen zunächst eintretenden Volumenabnahme der Schmelze im kleineren Gefäß resultiert, kontinuierlich durch einen Kraftmesser bestimmt wird und mittels der erhaltenden Meßwerte über eine Steuerung derart auf die Antriebsvorrichtung eingewirkt wird, daß sich das erwünschte Schmelzvolumen im Ziehtiegel einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung derart eingestellt wird, daß die Lage der oberen Begrenzung des Ziehiiegels über der Schmelze im Vorratsgefäß konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung derart eingestellt wird, daß die Lage der oberen Begrenzung des Ziehtiegels über der Schmelze im Vorratsgefäß entsprechend einem vorgegebenen Programm verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftmesser eine Federwaage verwendet wird.