DE1544292B2 - Verfahren zum Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit über die gesamte Stablänge homogener AnUmondotlerung - Google Patents

Description

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dem ist ein Einlaßstutzen 16 vorgesehen, durch den Die zu verwendenden Marterialmengen richten das Schutzgas, z. B. Argon, das einem Vorratsgefäß sich nach den geforderten Dotierungskonzentrationen 17 entnommen wird, über das Dosierventil 18 in das und können aus den bekannten Verteilungskoeffizien-Reaktionsgefäß 10 eingeleitet wird. Als oberer Ab- ten der verwendeten Materialien sowie aus der Abschluß für das Reaktionsgefäß 10 ist ein mit einem 5 dampfrate des Dotierungsmaterials ohne Schwierig-Kühlmantel 19 versehenes Kopfteil 20 vorgesehen. keiten berechnet werden.

Der Zu- bzw. Abfluß des Kühlwassers erfolgt über Bei der anderen Verfahrensweise wird zunächst die Stutzen 21 und 22. Durch das Kopfteil 20 ist die eine aus Antimon und Silicium bestehende Vorlegie-Stabhalterung 2, die mit dem Verbindungsglied 3 ge- rung hergestellt. Diese wird dann bei einem Druck koppelt ist, gasdicht hindurchgeführt. Zur Abdich- io von etwa 760 Torr geschmolzen. Man kann dabei tung des Reaktionsgefäßes sind außerdem die Dich- auch so vorgehen, daß man Reinantimon zusammen tungen 23 und 24 vorgesehen. Der Unterdruck im mit dem Siliciumschmelzgut in den Tiegel legt und Reaktionsgefäß wird durch das aus der Diffusions- zum Schmelzen bringt. Anschließend wird der Keimpumpe 25 und der Vorpumpe 26 bestehende Pump- kristall in diese Schmelze eingetaucht und angeaggregat erzeugt. In die Pumpleitungen ist außerdem 15 schmolzen. Das Ziehen des Kristalls geht in der im der Ventilblock 27 eingebaut. Die Druckmessung vorhergehenden Beispiel beschriebenen Weise vonwird mittels des Manometers 28 und des Penning- statten. Temperatur- und Druckeinstellung sowie die meßrohres 29 vorgenommen. Einstellung des Gasdurchsatzes erfolgen in analoger

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- Weise,

fahrens eignen sich besonders zwei Verfahrensweisen. 20 Es hat sich als besonders günstig erwiesen, einen

Bei der einen wird zunächst das Silicium bei ver- Argondruck von etwa 10 bis etwa 3 Torr einzustellen,

mindertem Druck, z. B. bei 10 ~⁵ Torr, geschmolzen. da dieser Druck nicht nur die gewünschte Abdampf-

Die Schmelztemperatur beträgt etwa 1400 bis rate des Antimons bewirkt, sondern auch den Dampf-

1450° C. Dann wird die Temperatur der Schmelze so druck des Siliciummonoxids bei der Schmelztempeweit abgesenkt, daß das Schmelzgut gerade noch 25 ratur des Siliciums entspricht.

flüssig bleibt. Danach wird aus dem Vorratsgefäß Die Erfahrung zeigt, daß bei einem Druck von Argon in das Reaktionsgefäß eingeleitet und der Gas- etwa 10 Torr und weniger das Siliciummonoxid mit druck im Gefäß auf etwa 500 bis 760 Torr einge- hoher Abdampfrate'verdampft und sich an den entstellt. Nach dem Eintauchen und Anschmelzen des fernteren Wänden des Reaktionsgefäßes oder an einer Keimkristalls wird mit dem Zeichen des Kristalls be- 30 anderen Stelle niederschlägt, während bei Normalgonnen. Das als Dotierungsmaterial dienende Anti- druck (ebenfalls in Argonatmosphäre) das Siliciummon wird vor oder nach dem Eintauchen des Keim- monoxid am oberen Rand des Quarztiegels kondenkristalls in kleinen Stücken, z. B. Kugeln gleichen Ge- siert wird. Dieser schnell wachsende Niederschlag ist wichts, in die Siliciumschmelze geworfen. Aus dieser schwammartig und bröckelt vom Tiegelrand ab. Das antimondotierten Schmelze wird nun der mit einer 35 auf diese Weise in die Schmelze fallende Silicium-Umdrehungszahl von etwa 10 bis 100 UpM, Vorzugs- monoxid führt zu erheblichen Störungen des Kristallweise etwa 50 UpM, um seine Längsachse rotieren- Wachstums. Diese lassen sich vermeiden, wenn man den Kristall gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit be- nach der Lehre der Erfindung vorgeht und den Ziehträgt dabei etwa 1 bis 3 mm/Min. Danach wird der Vorgang bei einem Druck von etwa 10 Torr, der geGasdruck im Reaktionsgefäß auf einen Wert von etwa 40 gebenenfalls auf etwa 3 Torr erniedrigt wird, durch-10 Torr eingestellt. Dieser Wert wird entweder dyna- führt.

misch konstantgehalten oder auf etwa 3 Torr abge- Das Absinken des spezifischen Widerstandes über senkt. Dabei wird die Pumpleistung zweckmäßiger- die Stablänge wird durch das Verfahren nach der Erweise so eingestellt, daß der Gasdurchsatz mindestens findung praktisch verhindert, gegenüber einem Abfall 3 l/Min, beträgt. 45 von etwa 6O°/o bei den bekannten Verfahren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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nach dem Eintauchen des Keimkristalls in die

Patentanspruch: Schmelze ein Druck im Reaktionsgefäß von 10 Torr

eingestellt wird, der während des gesamten Ziehvor-

Verfahren zum Herstellen stabförmiger Silici- ganges konstant gehalten, oder auf 3 Torr abgesenkt umeinkristalle mit über die gesamte Stablärtge 5 wird. Dadurch wird erreicht, daß nur so viel Antimon homogener Antimondotierung durch Ziehen aus während des Kristallwachstums aus der Schmelze verder Schmelze, bei dem der Einkristall mittels eines dampft, daß der durch den Verteilungskoeffizienten Keimkristalles aus einer in einem Tiegel befind- bewirkte Anstieg der Antimonkonzentration durch liehen Schmelze entsprechend gewählten Anti- Abdampfen des Antimons kompensiert wird,
mongehaltes gezogen wird, wobei während des io Aus dem Aufsatz von Bradshaw und MIavsky Kristallwachstums ein Teil des in der Schmelze aus der Zeitschrift »Journal of Electronics«, Bd. 2, befindlichen Antimons verdampft wird und der I.Serie Juli 1956 bis Mai 1957, S. 134 bis 142, istzwar Ziehvorgang in einem evakuierten Reaktionsgefäß zu entnehmen, daß die Herstellung von dotierten, insin einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, besondere mit Antimon dotierten Siliciumkristallen, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem 15 durch einen Schutzgasdruck, insbesondere mit Argon Eintauchen des Keimkristalles in die Schmelze ein gesteuert werden kann. Doch werden hier pn-Über-Druck im Reaktionsgefäß von 10 Torr eingestellt gänge und keine über die gesamte Stablänge mit Antiwird, der während des gesamten Ziehvorganges mon homogen dotierte Einkristallstäbe hergestellt, bei konstant gehalten oder auf 3 Torr abgesenkt wird. dem das Antimon in einer vorgegebenen Menge nach

20 dem Schmelzprozeß zugeführt wird und eine spezielle Einstellung eines die Abdampfrate des Antimon korrigierenden Druckes im Reaktionsgefäß erfolgt.

Das Silicium wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren günstigerweise zunächst im Hochvakuum bei 25 Drucken von weniger als 10 -* Torr geschmolzen und

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum so von flüchtigen Verunreinigungen befreit.
Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit über Die nach der Lehre der Erfindung hergestellten

die gesamte Stablänge homogener Antimondotierung Siliciumeinkri&alle sind in besonders guter Weise für durch Ziehen aus der Schmelze, bei dem der Ein- die Herstellung von Trägerkristallen für epitaktische kristall mittels eines Keimkristalles aus einer in einem 30 Aufwachsschichten geeignet. Diese können dann unTiegel befindlichen Schmelze entsprechend gewählten mittelbar anschließend an die Beschichtung zu HaIb-Antimongehaltes gezogen wird, wobei während des leiterbauelementen wie Transistoren, Gleichrichter Kristallwachstums ein Teil des in der Schmelze be- u. dgl. verarbeitet werden. Sie können aber auch findlichen Antimons verdampft wird und der Zieh- ebenso gut direkt zu Halbleiterbauelementen wie Vorgang in einem evakuierten Reaktionsgefäß in einer 35 Transistoren, Dioden oder Festkörperschaltkreise Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. weiterverarbeitet werden.

Für zahlreiche Anwendungsgebiete in der Halb- Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den

leitertechnik werden Siliciumstäbe mit über die ge- an Hand der Figur beschriebenen Ausführungsbeisamte Stablänge homogener Antimondotierung benö- spielen hervor.

tigt. Diese Stäbe können dann beispielsweise durch 40 In einem Reaktionsgefäß 10 ist ein Keimkristall 1 ein geeignetes Trennverfahren wie Sägen oder Bre- untergebracht, der mittels einer Halterung 2 mit einer chen in scheibenförmige Körper zerlegt und als Trä- in der Figur nicht mehr dargestellten Antriebsvorgerkristalle (Substratscheiben) für epitaktische Auf- richtung verbunden ist. Die Verbindung zwischen der wachsschichten verwendet werden. Diese können Halterung 2 und der Antriebsvorrichtung wird dabei dann zu Halbleiterbauelementen weiterverarbeitet 45 durch ein Zwischenglied 3 hergestellt. Durch diese werden, ohne daß ein weiteres Zerteilverfahren zur Antriebsvorrichtung kann der Keimkristall 1 zusam-Anwendung kommen muß. Hierbei ist es insbeson- men mit dem daran anwachsenden einkristallinen dere für die Serienfertigung wünschenswert, daß mög- Siliciumstab 4 in Rotation um seine Längsachse verliehst alle Scheiben die gleiche Dotierungskonzentra- setzt und nach Maßgabe des Kristall Wachstums nach tion aufweisen, da nur so eine Vielzahl von Halb- 50 oben aus der Schmelze 5, die sich in einem Quarzleiterbauelementen mit gleichen oder zumindest nahe- tiegel 6 befindet, gezogen werden. Der Quarztiegel 6 zu gleichen Eigenschaften reproduzierbar hergestellt ist innerhalb eines Graphittiegels 7, der durch die werden können. Die Herstellung von stabförmigen außerhalb des Reaktionsgefäßes 10 angeordnete Siliciumeinkristallen mit über die gesamte Stablänge Hochfrequenzspule 8, deren Heizwirkung durch den homogener Antimondotierung bereitet aber nach den 55 Energiekonzentrator 9 verstärkt wird, aufgeheizt wird, bisher üblichen Verfahren erhebliche Schwierigkeiten. angeordnet und wird seinerseits durch Wärmeüber-Vor allem wirkt es sich nachteilig aus, daß bei den gang vom Graphittiegel 7 beheizt. Die Temperatur Verfahren, bei denen unter Normalbedingungen (etwa der Schmelze wird mittels des Pt/Pt-Rh-Thermoele-760 Torr) gearbeitet wird, der spezifische Widerstand ments 11, das in einem Schutzrohr 12 aus Alumibei einer Stablänge, die etwa 90% der kristallisierten 60 niumoxid oder Quarz untergebracht ist, bestimmt. Schmelze entspricht, auf etwa 40 % des Wertes am Das Thermoelement 11 kann mit einem in der Figur Stabanfang absinkt. Einkristallstäbe mit einem der- nicht dargestellten Regelkreis zur Steuerung der artig steilen Dotierungsgradienten sind aber für eine Energiezufuhr und damit zur Einstellung der Schmelzunmittelbar anschließende Weiterverwendung zu temperatur verbunden werden. Den unteren Ab-Trägerkristallen wenig geeignet. 65 schluß des Reaktionsgefäßes 10 bildet die Boden-

Es wird daher gemäß der Erfindung ein Verfahren platte 13, durch die die rohrförmige Tiegelhalterung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, welches 14 und die stabförmige Halterung 15 für den Energieerfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß konzentrator 9 gasdicht hindurchgeführt sind. Außer-