DE1544250B2 - Verfahren zum Herstellen von Halbleitereinkristallen mit einstellbarer Fremdstoffkonzentration - Google Patents

Description

Zusatz zu Hauptanmeldung P 1444 541.1-43 (deutsche Auslegeschrift 1 444 541).

Die Hauptanmeldung 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

ίο Gefäß Schmelze nachgeführt wird, in dem das kleinere Gefäß durch außerhalb der Gefäße angeordnete Antriebsvorrichtungen nach abwärts verschoben wird und bei dem 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 erhaltenen Meßwerte über eine Steuerung derart auf die Antriebsvorrichtungen eingewirkt wird, daß sich das erwünschte Schmelzvolumen im Ziehtiegel einstellt.

Auf diese Weise gelingt es, die bei den herkkömmlichen 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 Einkristallstäbe in Teilstücke zerlegt, so zeigen diese einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand. Mit Hilfe des in dem Hauptpatent beschriebenen Verfahrens lassen sich diese Schwierigkeiten vermeiden. Es bleibt jedoch weiterhin schwierig, durch Steuerung des Füllvolumens im Ziehtiegel den gewünschten Widerstandswert exakt anzupassen.

Bei dem bereits vorgeschlagenen Verfahren wirkt es sich nämlich nachteilig aus, daß gegen Ende des Ziehvorganges die Fremdstoffkonzentration im Einkristall ansteigt, wodurch ein verhältnismäßig großer Abschnitt des Einkristallstabes für die Weiterverwendung zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nicht mehr brauchbar ist. Dieser Teil des Stabes mit zu hoher Fremdstoffkonzentration kann wesentlich verkleinert werden, wenn man nach dem Verfahren gemäß der Erfindung vorgeht und ein Vorratsgefäß verwendet, das in seinem unteren Teil einen wesentlich geringeren Durchmesser als in seinem oberen Teil aufweist, wobei die Höhe des verjüngten Teiles etwa die Höhe des kleineren als Ziehtiegel dienenden Gefäßes entspricht und die lichte Weite des verjüngten Teiles des Vorratsgefäßes bezüglich des Abstandes zur äußeren Begrenzung des Ziehtiegels so bemessen ist, daß das Nachfließen des Halbleitermaterials in den Ziehtiegel gerade noch möglich ist.

Zweckmäßigerweise wird der Abstand zwischen der äußeren Begrenzung des Ziehtiegels und der inneren Begrenzung des Vorratsgefäßes auf wenig mehr als 1 mm eingestellt.
Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem an Hand der Figur beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.

Die in der Figur dargestellte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung entspricht im wesentlichen der in der Hauptanmeldung beschriebenen; sie weist jedoch eine davon abweichende besonders zweckmäßige Formgebung der verwendeten Gefäße auf. Der Ziehraum 2 wird von einem Quarzzylinder 1, der durch mit Dichtungen 15

versehene Abdeckplatten 3 und 4 abgeschlossen ist, gebildet. Schutzgase können durch die Ventile 5 und 6 ein- bzw. abgeleitet werden. In einem Vorratsgefäß 9 ist der Ziehtiegel 10 angeordnet, der durch die Achse 11 mit den in der Hauptanmeldung beschriebenen Antriebsvorrichtungen verbunden ist. Das Vorratsgefäß 9 ist in seinem unteren Abschnitt 21 so stark verjüngt, daß zwischen der Innenwandung des Vorratsgefäßes 9 in diesem Abschnitt und der Außenwand des Ziehtiegels 10 nur ein geringer, spaltförmiger Abstand 22 bleibt. Der obere Teil 23 des Vorratsgefäßes 9 ist stark erweitert, um das erforderliche Schmelzvolumen, das zweckmäßigerweise wenigstens 5mal größer als das Volumen der Schmelze im Ziehtiegel 10 ist, aufzunehmen. Um ein möglichst vollständiges Abfließen der in dem Vorratsgefäß befindlichen Schmelze auch bei Aufsetzen des Ziehtiegels 10 auf den Boden zu ermöglichen, wird die radiale Bohrung 16 in der Seitenwand des Ziehtiegels 10 unmittelbar oberhalb des Tiegelbodens angebracht.

'\ Durch diese Ausbildung der Gefäße 9 und 10 be-

- steht die Möglichkeit, die in dem Vorratsgefäß befindliche Schmelze vollständig in die Einkristallform überzuführen, wobei die Fremdstoffkonzentration fast über die gesamte Stablänge entsprechend einem vorgegebenen Programm eingestellt bzw. konstant gehalten werden kann. Der Anstieg der Fremdstoffkonzentration erfolgt bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Reaktionsgefäße erst spät und verhältnismäßig steil, so daß nur ein geringer Teil des hergestellten Stabes, etwa 5 bis 10 °/o für die Herstellung von Halbleiterbauelementen unbrauchbar ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines stabförmigen Einkristalls aus Germanium werden die beiden, aus Graphit bestehenden Gefäße mit beispielsweise undotiertem Germanium beschickt. Durch induktive Beheizung auf eine Temperatur von ungefähr 950° wird das in dem Gefäß 9 und 10 befindliche Germanium zum Schmelzen gebracht, dann wird das kleinere als Ziehtiegel dienende Gefäß 10 durch ein an der Achse , 11 angebrachtes Gewicht 18 so belastet, daß es in ) der im größeren Gefäß befindlichen Schmelze immer untertaucht.

Um ein bestimmtes Germaniumvolumen im Gefäß 10 einzustellen, wird dieses mit einer bestimmten Kraft, die durch die Federwaage 19 gemessen wird, durch die Antriebsvorrichtung 12 angehoben und die Lage seiner oberen Begrenzung über die Schmelze im Vorratsgefäß fixiert. Anschließend wird durch die Antriebsvorrichtung 13, die ebenfalls über das Verbindungsglied 14 und die Achse 11 mit dem Ziehtiegel verbunden ist, die Rotation des Ziehtiegels herbeigeführt. Die Rotationsgeschwindigkeit liegt dabei günstigerweise 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 Anbringen des Dotierungsmaterials vorgesehene Rohr 8 in das geschmolzene Germanium im Ziehtiegel 10 gebracht.

Für die Herstellung von η-leitendem Germanium eignet sich beispielsweise Antimon als Dotierungsmaterial. Soll p-leitendes Germanium hergestellt werden, so ist Indium als Dotierungsmaterial geeignet. Beide Materialien zeichnen sich durch einen kleinen effektiven Verteilungskoeffizienten in Germanium aus, was z. B. den Vorteil hat, daß relativ große Mengen des Fremdstoffes benötigt werden, wodurch beim Einwägen des Dotierungsstoffes auftretende Ungenauigkeiten weitgehend vermieden werden. Dieser Vorteil wird auch durch die Wahl des Volumen-Verhältnisses dar Gefäße 9 und 10, das möglichst groß sein soll, begünstigt.

Mit fortschreitendem Wachsen des an der Spindel 7 befestigten Kristalls 17, der nach oben aus der Schmelze gezogen wird, nimmt das Volumen der Schmelze im Ziehtiegel 10 und im Vorratstiegel 9 ab, dadurch steigt der Ziehtiegel 10 nach oben. Durch die hieraus resultierende Veränderung an der Federwaage 19 wird über den entsprechend eingestellten Steuerkontakt die Antriebsvorrichtung 12 mit Hilfe des Verstärkers 20 betätigt und der Tiegel 10 wird über die Achse 11 und das Verbindungsglied 14 so weit gesenkt, daß die erwünschte Volumeneinstellung wieder erreicht wird. Durch Einstellung des Steuerkontaktes an der Waage 19 kann das Volumen im Tiegel 10 entweder konstant gehalten oder entsprechend einem vorgegebenen Programm eingestellt werden, je nach dem, ob Einzelkristalle mit konstantem spezifischen Widerstand oder solche mit über die Ziehlänge nach einem bestimmten Programm veränderten spezifischen Widerstand erwünscht sind.

Gleichzeitig wird während des ganzen Ziehvorganges der Tiegel in gleichmäßiger Rotation gehalten, was sich durch die Antriebsvorrichtung 13 erreichen läßt. Durch die in der Wandung 10 angebrachte Bohrung 16, die zweckmäßigerweise unmittelbar oberhalb des Tiegelbodens angeordnet wird, ist die Zuführung des Nachschubmaterials aus dem Vorratsgefäß 9 bei der Rotation des Ziehtiegels gewährleistet.
Die Anwendung des auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Verfahrens ermöglicht die Herstellung von Kristallstäben mit einer Länge von. beispielsweise 500 mm und einem Durchmesser von etwa 30 mm. Die Kristalle zeigen gegenüber den nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten eine sehr gute Konstanz des spezifischen Widerstandes und außerdem eine erheblich herabgesetzte Versetzungsdichte. So ist es beispielsweise möglich, Kristalle herzustellen, bei denen die Schwankungen des spezifischen Widerstandes über 90 °/o der Ziehänge ± 10% um einen gut einstellbaren Mittelwert betragen und bei denen die Versetzungsdichte bei 1000 bis 3000 Versetzungen pro cm² liegt.

Wenn für die Herstellung von Einkristallen an Stelle von Germanium, Silicium oder andere HaIbleitermaterialien verwendet werden, müssen die Arbeitsbedingungen bzw. die als Dotierungsmaterialien verwendeten Fremdstoffe in entsprechender Weise abgeändert werden. Durch die hohe Gleichmäßigkeit der elektrischen und kristallographischen Eigenschaften der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Einkristalle läßt sich eine geringe Typenstreuung der daraus hergestellten Halbleiterbauelemente bei Transistoren, Gleichrichter od. dgl. erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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 und bei dem 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 erhaltenen Meßwerte über eine Steuerung derart auf die Antriebsvorrichtungen eingewirkt wird, daß sich das erwünschte Schmelzvolumen im Ziehtiegel einstellt, nach Hauptanmeldung P 14 44 541.1-43, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratsgefäß verwendet wird, das in seinem unteren Teil einen wesentlich geringeren Durchmesser als in seinem oberen Teil aufweist, wobei die Höhe des verjüngten Teiles etwa der Höhe des kleineren als Ziehtiegel dienenden Gefäßes entspricht und die lichte Weite des verjüngten Teiles des Vorratsgefäßes bezüglich des Abstandes zur äußeren Begrenzung des Ziehtiegels so bemessen ist, daß ein Nachfließen des Halbleitermaterials in den Ziehtiegel gerade noch möglich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der äußeren Begrenzung des Ziehtiegels und der inneren Begrenzung des Vorratsgefäßes auf wenig mehr als 1 mm eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein konusförmig ausgebildeter Ziehtiegel verwendet wird, der so angeordnet ist, daß der die kleinere Grundfläche aufweisende Teil nach unten gerichtet ist und daß ein Vorratsgefäß verwendet wird, bei dem die Neigung der Innenwandung an die Form des Ziehtiegels angepaßt ist. — --

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ziehtiegel verwendet wird, bei dem die Leitung für die Schmelze als radiale Bohrung in der Seitenwand nur wenig oberhalb des Gefäßbodens angebracht ist.