DE1619994C3 - Verfahren zum Züchten eines stabförmigen, versetzungsfreien Einkristalls aus Silicium durch tieqelfreies Zonenschmelzen - Google Patents

Description

40

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Züchten eines stabförmigen, versetzungsfreien Einkristalls aus Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines vertikal gehalterten Siliciumstabes mit Hilfe einer relativ zu diesem in seiner Längsrichtung bewegten Induktionsheizspule unter Verwendung eines stabförmigen Keimkristalls aus einkristallinem Silicium, der in eine um eine vertikale Achse drehbare Halterung eingesetzt und an einem Ende des Siliciumstabes derart angeschmolzen wird, daß zwischen der Anwachsrichtung des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Siliciums und jeder der (111)-Richtungen des Keimkristalls din von Null verschiedener Winkel eingestellt ist.

In der DT-AS 1181 166 ist ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Halbleiterstäben durch Zonenschmelzen, wobei an einem Ende des Stabes ein Keimkristall angeschmolzen ist, beschrieben, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Keimkristall angeschmolzen wird, dessen (111)-Richtung verschieden von der Wachstumsrichtung des Kristalls ist Hier ist die Erkenntnis maßgebend, daß der für den Reinigungseffekt durch das Zonenschmelzen verantwortliche Verteilungskoeffizient k von der Kristallrichtung abhängt und in (lll)-Richtung kleiner als in jeder anderen Richtung ist Es handelt sich also hier darum, eine größere Reinigungswirkung des Zonenschmelzens zu erreichen, wobei sich die sachlichen Ausführungen in der DT-AS 81 166 auf Indiumantimonid beziehen.

Außerdem ist in der FR-PS 12 70 844 ein Verfahren zum Herstellen homogener stabförmiger Halbleiterkristalle aus der Schmelze, z. B. einer Schmelzzone beim tiegelförmigen Zonenschmelzen, beschrieben, bei dem die Anwachsrichtung des an den Keimkristall aus der Schmelze ankristallisierenden Halbleitermaterials sowohl von allen (lll)-Richtungen als auch von allen (100)- und (110)-Richtungen um Winkel verschieden ist die wenigstens 5° betragen. Auf diese Weise läßt sich nach den Ausführungen der FR-PS eine — sonst auftretende — inhomogene Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes des Halbleitermaterials über den Querschnitt des aus der Schmelze gezogenen stabförmigen Halbleiterkristalls vermeiden.

Schließlich befaßt sich die GB-PS 9 26 497 und die ihr entsprechende DT-AS 11 28 413 mit einem Verfahren zur Herstellung von versetzungsfreiem einkristallinen Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone durch einen senkrecht stehenden, an seinen Enden gehalterten Siliciumstab, an dessen eines Ende ein einkristalliner Keimkristall angesetzt ist und welches dadurch gekennzeichnet ist daß ein Keimkristall mit einem wesentlich , geringeren Querschnitt als der Siliciumstab ange- ν schmolzen wird, daß alle Durchgänge der Schmelzzone im Keimkristall beginnen und daß bei dem letzten Durchgang der Schmelzzone die Wanderungsgeschwindigkeit der Schmelzzone im Keimkristall zwischen 7 und 15 mm pro Minute gewählt wird, daß der Siliciumquerschnitt an der Übergangsstelle vom Keimkristall zum Siliciumstab durch zeitweiliges Auseinanderbewegen der Stabenden mit einer Geschwindigkeit größer als 25 mm pro Minute eingeschnürt wird, daß von dieser Einschnürungsstelle aus bis zum Erreichen des vollen Querschnittes des Siliciumstabes die Geschwindigkeit der Schmelzzone stetig vermindert wird und daß schließlich die Schmelzzone durch den Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit kleiner als 7 mm pro Minute hindurchgezogen wird.

Für die Erzeugung von Halbleitervorrichtungen geht man bekanntlich von Silicium- oder sonstigen Halbleiterscheiben aus, die man durch Maßnahmen der lokalen Dotierung und Kontaktierung mit pn-Übergängen und Elektroden versieht. Dabei ist es wünschenswert wenn die Oberfläche dieser Halbleiterscheiben mit einer kristallographischen Hauptebene, vor allem mit einer (lll)-Ebene zusammenfällt weil die (111)-Fläche, als Ebene dichtester Atompackung im Siliciumgitter, die Entstehung besonders gleichmäßiger ebener pn-Übergänge begünstigt, wie sie im Interesse gleichförmiger, definierter elektrischer Eigenschaften der Halbleitervorrichtungen, z.B. Hochfrequenztransistoren und Dioden, in besonderem Maße erwünscht sind.

Eine Reinigung von Siliciumstäben durch tiegelfreies Zonenschmelzen ist erfahrungsgemäß mit gutem Wirkungsgrad auch möglich, wenn die zu behandelnden Siliciumstäbe und auch das aus der Schmelzzone auskristallisierende Silicium nicht einkristallin sind. Im allgemeinen wird man das tiegellose Zonenschmelzen zu Reinigungszwecken mehrmals am gleichen Stab vornehmen und erst beim letzten Durchgang eine monokristalline Struktur des auskristallisierenden Siliciums anstreben. Dann kann man aber auch mit einer rasch wandernden Schmelzzone arbeiten, wenn man von dem letzten Durchgang absieht Außerdem stehen für die Herstellung von Siliciumstäben durch thermische Abscheidung von Silicium auf dünnen, elektrisch erhitzten Siliciumstäben aus einem aus Silan oder

Halogensilan und Wasserstoff und/oder Inertgas bestehenden Reaktionsgas Möglichkeiten der Herstellung eines so reinen Produktes zur Verfügung, daß das in der DT-AS 11 81 166 behandelte Problem für Silicium, im Gegensatz z. B. zu Indiumantimonid, keine besondere Bedeutung aufweist

Eine Ungleichmäßigkeit der Dotierung über den Stabquerschnitt, wie er in den Ausführungen der FR-PS 12 70 844 festgestellt ist, ist durch einen in radialer Richtung wirksamen Segregationsprozeß bedingt, der sich aber ausschalten läßt, wenn die Kristallisationsgrenze eine gegen das feste Material ebene oder konkav gekrümmte Form beibehält Am günstigsten ist es, wenn man im Interesse einer Unterbindung der in der FR-PS 12 70 844 genannten Störung bei Beibehaltung einer (111)-Richtung koinzidierenden Wachstumsrichtung das tiegelfreie Zonenschmelzen mit einer den Stab mit geringem Abstand umgebenden Heizquelle, insbesondere Induktionsheizspule, durchführt und/oder den unteren, aus der Schmelzzone auskristallisierenden Stabteil langsam, d. h. nicht schneller als lOmal in der Minute, um seine Achse rotieren läßt Auch die in der DT-AS 1128 413 angegebenen Arbeitsbedingungen bringen eine wirksame Abhilfe.

Somit lassen sich die in der FR-PS12 70 844 und die in der DT-AS 11 81 166 angegebenen Schwierigkeiten mit an sich bekannten Mitteln auch auf andere Weise, als dort angegeben lösen, so daß der Anwendung einer (111)-Wachstumsrichtung beim tiegelfreien Zonenschmelzen die dort beschriebenen Schwierigkeiten nicht im Wege stehen. Dies ist vor allem auch im Hinblick auf die Erzeugung von Siliciumscheiben mit (11 ^-orientierter Oberfläche von Bedeutung, die man aus solchen Stäben mit (11 l)-orientierter Stabachse durch einfaches senkrechtes Abscheiden erhält, während andererseits eine Präparierung von definierten Schnittflächen durch schräges Abschneiden nicht nur unhandlich sondern auch wesentlich störungsanfälliger ist

Allerdings tritt bei Anwendungen einer (lll)-orientierten Ziehrichtung eine weitere Schwierigkeit auf, mit deren Beseitigung sich die vorliegende Erfindung befaßt Wendet man nämlich das eingangs definierte Verfahren zum Ziehen versetzungsfreier stabförmiger Siliciumeinkristalle, z. B. in der in der DT-AS 11 28 413 gezeigten Weise an, so stellt man zwar bei kurzen Stäben die gewünschte Versetzungsfreiheit fest Bei längeren, z.B. 0,75m und mehr Länge aufweisenden Stäben treten in größerem Abstand vom Flaschenhals spontan neue Versetzungen auf.

Zur Vermeidung dieser Störung wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß der stabförmige Keimkristall so ausgerichtet wird, daß eine in seiner Längsrichtung verlaufende (lll)-Richtung gegen die Richtung der Drehachse der Halterung des Keimkristalls und damit zu der Anwachsrichtung des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Siliciums einen Winkel zwischen 0,5° und 5° einschließt, und daß in an sich bekannter Weise zu Beginn der von der Grenze zwischen dem Keimkristall und dem umzuschmelzenden Siliciumstab durch den letzteren erfolgenden Verschiebung der Schmelzzone zunächst eine flaschenhalsförmige Dünnstelle durch Vergrößern des Abstandes der Stabhalterung von der Halterung des Keimkristalls geschaffen wird.

Die aus der Schmelzzone auskristallisierenden stabförmigen Siliciumeinkristalle weisen nämlich erfahrungsgemäß keinen völlig runden Querschnitt auf, sondern zeigen Tendenz zur Ausbildung mehr oder minder Undefinierter Längsrippen, wobei diese Rippen oftmals ohne erkennbare äußere Ursache abrupt abbrechen, um längs der Peripherie des Stabes verschoben erneut zu erscheinen. Die genauere Untersuchung dieser Erscheinung zeigte, daß dieses Springen einer Längsrippe des in (lll)-Richtung gezogenen Stabes von einem spontanen Auftreten neuer Versetzungen begleitet ist

Die von der Erfindung vorgeschlagene geringfügige Neigung zwischen einer (lll)-Richtung und der Wachstumsrichtung des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Siliciumstabes sorgt dafür, daß die Lage der besagten Rippen fixiert und damit ein seitliches Verschieben derselben durch eine durch die Neigung bedingte Änderung der Temperaturverhältnisse in bezug auf die (111)-Richtung vermieden wird. Damit zeigte sich aber zugleich, daß dadurch mit Erfolg das Auftreten neuer Versetzungen vermieden wird, sofern man dafür sorgt daß zunächst an den Keimkristall ankristallisierende Silicium versetzungsfrei wird.

Hierzu dient das Anbringen einer flaschenhalsförmigen Dünnstelle in Höhe der Anschmelzstelle des Keimkristalls, das beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift 10 79 593 bekanntgeworden ist Dieser Verfahrensschritt ist im Zusammenhang mit der gezielten Desorientierung förderlich, wenn versetzungsfrei gezogen werden soll. Besonders vorteilhaft hat sich ein Neigungswinkel einer (111)-Richtung gegen die Richtung der Drehachse der Halterung des Keimkristalls und damit der Wachstumsrichtung von ca. 2° erwiesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch Anwendung einer optischen Justiereinrichtung erleichtert werden. Dabei dient eine (lll)-Fläche oder eine (lll)-Spaltfläche als kristallographische Bezugsgröße. Wird nämlich ein Keimkristall, dessen Längsachse etwa mit der (lll)-Achse zusammenfällt in einer Halterung so befestigt daß seine Längsachse auch etwa mit der Verlängerung der Drehachse seiner Halterung fluchtet, so ergibt sich bei Bestrahlung der Stirnfläche dieses Keimkristalls mit einem etwa in der Verlängerung der Drehachse verlaufenden Lichtstrahl ein Lichtreflex mit drei von einem Zentrum ausgehenden und um 120° gegeneinander versetzten Streifen. Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, daß der Lichtreflex von der Durchtrittsstelle des Lichtstrahles aus so versetzt wird, daß die Durchtrittsstelle des Lichtstrahles mit der Verlängerung eines der drei Lichtstreifen über das Zentrum des Lichtreflexes hinaus zusammenfällt oder die Verbindungslinie zwischen der Durchtrittsstelle des Lichtstrahles und dem Zentrum des Lichtreflexes mit der genannten Verlängerung einen Winkel von höchstens 15° bildet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine optische Justiereinrichtung für den Keimkristall zum Züchten eines versetzungsfreien, einkristallinen Halbleiterstabes mit von oben nach unten geführter Schmelzzone;

Fig.2 zeigt die Lage des Lichtreflexes auf einem Auffangschirm bei gezielter Desorientierung des Keimkristalls beim Züchten eines versetzungsfreien, einkristaüinen Halbleiterstabes mit von oben nach unten geführter Schmelzzone;

Fig.3 zeigt einen Teil eines versetzungsfreien, einkristallinen Halbleiterstabes mit einer flaschenhals-

förmigen Dünnstelle mit von oben nach unten geführter Schmelzzone.

In F i g. 1 ist ein geläppter und in Kalilauge geätzter einkristalliner Keimkristall mit 1 bezeichnet Der Keimkristall 1 ist in einer orientierbaren Halterung 2 gehaltert Die Halterung 2 ist an einer oberen dreh- und verschiebbaren Antriebswelle 3 befestigt Auf einer unteren dreh- und verschiebbaren Antriebswelle 4 ist eine Beleuchtungseinrichtung 5 mit einer Lochblende 6, die als Auffangschirm für den an der freien Stirnfläche des Keimkristalls 1 reflektierenden Lichtstrahl 7 dient Der aus der Lochblende 6 an der Durchtrittsstelle 8 austretende Lichtstrahl 9 wird von den an der Stirnfläche des Keimkristalls 1 herausgeätzten (Hl)-Flächen als Strahl 7 reflektiert und bildet auf dem Auffangschirm 6 einen Lichtreflex 10, der aus drei von einem gemeinsamen Punkt ausgehenden und um 120° gegeneinander versetzten Streifen besteht Die Lage dieser Streifen 10a, 10ö und 10c ist maßgebend für die Lage der Wachstumsnähte lla, 116 und lic des wachsenden Einkristalls 12 (vergleiche Fig.3). Die Lage der (111)-Richtung des Keimkristalls 1 ist mit dem Strahl 13 angedeutet Dieser Strahl bildet jeweils einen Winkel δ von etwa 2° mit den Lichtstrahlen 7 und 9.

In F i g. 2 ist die Lage des von der freien Stirnfläche des Keimkristalls 1 reflektierten Lichtreflexes auf dem Auffangschirm 6 bei einer gezielten Desorientierung des Keimkristalls 1 von etwa 2° beim Züchten eines versetzungsfreien, einkristallinen Halbleiterstabes mit von oben nach unten geführter Schmelzzone dargestellt. Der Lichtreflex 10 ist von der Durchtrittsstelle 8 des durch den Auffangschirm tretenden Lichtstrahles 9 aus in einer Richtung versetzt, die mit der Richtung eines der Lichtstreifen, beispielsweise des Lichtstreifens 106 zusammenfällt. Die Abweichung des Lichtreflexes von dieser Richtung darf höchstens ± 15° betragen. Dieser Grenzbereich ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Desorientierung des Keimkristalls 1 wird hierbei mit Vorteil so eingestellt, daß das Verhältnis des Abstandes des Lichtreflexes 10 von der Durchtrittsstelle 8 des Lichtstrahles 9 zum Abstand Auffangschirm-Stirnfläche des Keimkristalls 1

— = tg2<5 -0,07

45

ist (s. F i g. 1). Bei einer derartigen Desorientierung zeigt die (111)-Richtung des Keimkristalls 1 zu einem Streifen 10a des Lichtreflexes 10 und ist unter einem Winkel von 2° gegen die Drehachse der Antriebswelle 3 der Keimkristallhalterung 2 geneigt Damit verläuft die (111)-Achse des Keimkristalls 1 in Richtung einer der Wachstumsnähte des zu züchtenden einkristallinen Halbleiterstabes 12. An dieser Stelle bildet sich beim versetzungsfreien einkristallinen Stab eine Querschnittsausbuchtung 14 aus (s. Fig.3), die längs des Einkristalls 12 etwa rippenförmig verläuft. ' Diese Querschnittsausbuchtung ist ein sicheres Anzeichen dafür, daß der auskristallisierende Stabteil frei von Versetzungen ist

Die vorstehend beschriebene Methode der Desorientierung des Keimkristalls 1 läßt sich bei den verschiedenartigsten Zonenschmelzverfahren, beispielsweise beim sogenannten Nadelöhrverfahren, bei dem der Vorratsstab und der zu züchtende versetzungsfreie, einkristalline Halbleiterstab dicker als der Innendurchmesser der Schmelzspule sind, oder aber beim herkömmlichen konzentrischen sowie den neueren exzentrischen Zonenschmelzverfahren anwenden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei den genannten Zonenschmelzverfahren an der Anschmelzstelle des Keimkristalls 1 an den Vorratsstab eine flaschenhalsförmige Dünnstelle 15 vorgesehen wird.

Außerdem ist es wichtig, daß der Übergang von dieser flaschenhalsförmigen Dünnstelle 15 auf eine vorgeschriebene Querschnittsgröße des wachsenden Einkristalls 12 allmählich erfolgt Die Geschwindigkeit der Bewegungen der Halterungen des Stabes und des Keimkristalls relativ zur Induktionsheizspule 16 und die Umlaufgeschwindigkeit der Halterungen müssen so weitgehend konstant gehalten bzw. Änderungen so langsam durchgeführt werden, daß die Änderungsgeschwindigkeit 15% pro Sekunde nicht überschreitet Weiterhin ist es für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens wichtig, daß der Hochfrequenzstrom der Induktionsheizspule 16 so weitgehend geglättet wird, daß er höchstens 1% Welligkeit hat und keine Modulationen oberhalb von 10 Hz enthält. Fernerhin darf der Effektivwert des Hochfrequenzstromes nach dem Übergang von der flaschenhalsförmigen Dünnstelle 15 auf eine vorgeschriebene Querschnittsgröße des wachsenden Einkristalls 12 nur so geregelt werden, daß er sich höchstens mit einer Geschwindigkeit von 5% pro Sekunde ändert.

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Siliciumstäbe von kleinen Durchmessern bis zu Durchmessern von 45 mm gelang es in der Regel eine absolute Versetzungsfreiheit zu erzielen. Man kann das erfindungsgemäße Verfahren noch durch Vermeidung abrupter Änderungen der Zielparameter unterstützen, da abrupte Änderungen an sich das Auftreten neuer Versetzungen begünstigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Züchten eines stabförmigen, versetzungsfreien Einkristalls aus Silicium durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines vertikal gehalterten Siliciumstabes mit.Hilfe einer relativ zu diesem in seiner Längsrichtung bewegten Induktionsheizspule und unter Verwendung eines stabförmigen Keimkristalls aus einkristallinem Silicium, der in eine um eine vertikale Achse drehbare Halterung eingesetzt und an einem Ende des Siliciumstabes derart angeschmolzen wird, daß zwischen der Anwachsrichtung des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Siliciums und jeder der (111)-Richtungen des Keimkristalls ein von Null verschiedener Winkel eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Keimkristall so ausgerichtet wird, daß eine in seiner Längsrichtung verlaufende (lll)-Richtung gegen die Richtung der Drehachse der Halterung des Keimkristalls und damit zu der Anwachsrichtung des aus der Schmelzzone auskristallisierenden Siliciums einen Winkel zwischen 0,5° und 5° einschließt, und daß in an sich bekannter Weise zu Beginn der von der Grenze zwischen dem Keimkristall und dem umzuschmelzenden Siliciumstab durch den letzteren erfolgenden Verschiebung der Schmelzzone zunächst eine flaschenhalsförmige Dünnstelle durch Vergrößern des Abstandes der Stabhalterung von der Halterung des Keimkristalls geschaffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anwachsrichtung und einer (lll)-Richtung ein Winkel von etwa 2° eingestellt wird.