DE1644009C2

DE1644009C2 - Verfahren zum Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit homogener Antimondotierung

Info

Publication number: DE1644009C2
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 8024 Oberhaching; Kellerbauer Max-Hugo 8000 München Kappelmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1976-05-26

Description

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Das Hauptpatent 15 44 292 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen stabförmiger SiIiciumeinkristalle mit über die gesamte Stablänge homogener Antimondotierung durch Ziehen aus der Schmelze, bei dem der Einkristall mittels eines Keimkristalls aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze entsprechend gewählten Antimongehalts gezogen wird, wobei während des Kristallwachstums ein Teil des in der Schmelze befindlichen Antimons verdampft wird und der Ziehvorgang in einem evakuierten Reaktionsgefäß in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird und bei dem nach dem Eintauchen des Keimkristalls in die Schmelze ein Druck im Reaktionsgefäß von 10 Torr eingestellt wird, der während des gesamten Ziehvorganges konstant gehalten oder auf 3 Torr abgesenkt wird.

Die formale Bezeichnung für den Verlauf der Störstellenkonzentration längs eines tiegelgezogenen k +

Og- Ri>

- 1 = Null

für das'Kristahziehen aus dem Tiegel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ortsunabhängig gemacht werden. Wird daher während des Ziehvorganges der Druck im Reaktionsgefäß abgesenkt, so wird erfindungsgemäß das Absenken schrittweise vorgenommen und so programmiert, daß die Abdampfrate der Dotierung so geändert wird, daß die Störstellenkonzentration im gezogenen Kristall nahezu konstant bleibt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es, 80% der Länge eines Siliciumeinkristallstabes mit homogener Dotierung herzustellen.

Das Wesen des Erfindungsgedankens soll durch das in der Zeichnung in Fig. 1 dargestellte Kurvendiagramm noch weiter erläutert werden. In diesem Diagramm wird die Kompensation des Abfalls des spezifischen Widerstandes durch das Absenken des Druckes während des Ziehvorgangs dargestellt. Dabei ist als Ordinate die Widerstandsänderung {*/»„, bezogen auf den Anfangswert ρ_ο> eingetragen, während die Abszisse den Anteil an kristallisierter Schmelze in Prozent, also die Länge des bereits gezogenen Stabes, darstellt. Zur Veranschaulichung des Kurvenverlaufes sind in der Fig. 1 drei Kurven mit gleichem Ausgangswert des spezifischen Widerstandes, aber unterschiedlichen Ziehbedingungen, also mit verschieden eingestellten Abdampfkoeffizienten, dargestellt:

Kurve 1: Theoretische Kurve, berechnet mit einem Verteilungskoeffizienten Ic₀ = 0.023 (Antimon im Silicium),

Kurve 2: Siliciumeinkristallstab, gezogen bei 760 Torr,

Kurve 3: Siliciumeinkristallstab, gezogen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung

Kristalls unter Berücksichtigung der Abdampfung 50 der Abdampfrate (nach Gleichung) bei 10 und 7 Torr, lautet Vergleicht man die Kurven 1 und 2 (bisher übliche

Verfahren) mit der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordneten Kurve 3, so ist deutlich zu erkennen, daß durch eine Programmierung des Rezipientendruckes während des Ziehprozesses die Abdampfrate des Antimons und damit der Widerstandsverlauf beeinflußt werden kann. Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung läßt sich die Ausbeute an für die Weiterverarbeitung zu Halbleiterbauelementen brauchbarem Kristallmaterial gegenüber den bisher bekannten Verfahren erheblich verbessern. Die so hergestellten Siliciumeinkristalle sind wegen ihres konstanten spezifischen Widerstandes über nahezu die gesamte Stablänge in besonders vorteilhafter Weise für die Herstellung von Träge rkristallen für epitaktische Aufwachsschichten geeignet, da durch die gleiche Dotierungskonzentration aller Kristallscheiben größere Streuungen der elektrischen Para-

Q =z k ■ C (I — x)^{k +} —^γ-~ - ι
•Dabei bedeutet

Verteilungskoeffizient,
freie Oberfläche der Siliciumschmelze
(= abdampfende Oberfläche),
Abdampfkoeffizient des Störstellenstoffes
(Antimon) aus der Schmelze,
Kristallwachstumsgeschwindigkeit (sec/g),
Dichte der Siliciumschmelze,
= Störstellenkonzentration an der Stelle χ (χ = Ortskoordinate).

Die Bedingungsgleichung für C_x — konst. lautet
Jt ₊ -O^l*., -Null.

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meter der daraus gefertigten Halbleiterbauelemente vermieden werden können.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Apparatur ist aus F i g. 2 ersichtlich.

In einem Reaktionsgefäß 10 befindet sieb ein Keimkristall 1, der mittels einer Halterung 2 mit einer in der Figur nicht mehr dargestellten Antriebsvorrichtung verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Halterung 2 und der Antriebsvorrichtung wird dabei durch ein Zwischenglied 3 hergestellt. Durch diese Antriebsvorrichtung kann der Keimkristall 1 zusammen mit dem daran anwachsenden einkristallinen Siliciumstab 4 in Rotation um seine Längsachse versetzt und nach Maßgabe des Kristallwachstums nach oben aus der Schmelze 5, die sich in einem Quarztiegel 6 befindet, gezogen werden. Der Quarztiegel 6 ist innerhalb eines Graphittiegels 7 angeordnet, der durch die außerhalb des Reaktionsgefäßes 10 befindliehe Hochfrequenzspule 8 aufgeheizt wird, wobei deren Heizwirkung durch den Energiekonzentrator 9 verstärkt wird. Außerdem wird der Quarztiegel 6 seinerseits durch Wärmeübergang vom Graphittiegel 7 beheizt. Die Temperatur der Schmelze wird mittels des Pt/Pt-Rh-Thermoelements 11, das in einem Schutzrohr 12 aus Aluminiumoxid oder Quarz untergebracht ist, oder durch Messung der HF-Leistung der HF-Spule, bestimmt. Das Thermoelement 11 kann mit einem in der Figur nicht dargestellten Regelkreis zur Steuerung der Energiezufuhr und damit zur Einstellung der Schmelztemperatur verbunden werden. Den unteren Abschluß des Reaktionsgefäßes 10 bildet die Bodenplatte 13, durch die die rohrförmig'¹. Tiegelhalterung 14 und die stabförmige Halterung 15 für den Energiekonzentrator 9 gasdicht hindurchgeführt sind. Außerdem ist ein Einlaßstutzen 16 vorgesehen, durch den das Schutzgas, z. B. Argon, das einem Vorratsgefäß 17 entnommen wird, über das Dosierventil 18 in das Reaktionsgefäß 10 eingeleitet wird. Als oberer Abschluß für das Reaktionsgefäß 10 ist ein mit einem Kühlmantel 19 versehenes Kopfteil 20 vergesehen. Der Zu- bzw. Abfluß des Kühlwassers erfolgt über die Stutzen 21 und 22. Durch das Kopfteil 20 ist die Stabhalterung 2, die mit dem Verbindungsglieds gekoppelt ist, hindurchgeführt. Zur Abdichtung des Reaktionsgefdßes sind außerdem die Dichtungen 23 und 24 vorgesehen. Der Unterdruck im Reaktionsgefäß wird durch das aus der Diffusionspumpe 25 und der Vorpumpe 26 bestehende Pumpaggregat erzeugt. In die Pumpleitungen ist außerdem der Ventilblock 27 eingebaut. Die Druckmessung wird mittels des Manometers 28 und des Penningmeßrohres 29 vorgenommen.

Zunächst wird das Silicium bei vermindertem Druck, z. B. bei 10"⁵ Torr, geschmolzen. Die Schmelztemperatur beträgt etwa 1400 bis 1450° C. Dann wird die Temperatur der Schmelze so weit abgesenkt, daß das Schmelzgut gerade noch flüssig bleibt. Danach wird aus dem Vorratsgefäß Argon in das Reaktionsgefäß eingeleitet und der Gasdruck im Gefäß auf etwa 500 bis 750 Torr eingestellt. Nach dem Eintauchen und Anschmelzen des Keimkristalls wird mit dem Ziehen des Kristalls begonnen. Das als Dotiermaterial dienende Antimon wird vor oder nach dem Eintauchen des Keimkristalls in kleinen Stücken, z. B. in Kugeln, gleichen Gewichts, in die Siliciumschmelze geworfen. Aus dieser antimondotierten Schmelze wird nun der mit einer Umdrehungszahl von etwa 10 bis 100 UpM, vorzugsweise etwa 50 UpM, um seine Längsachse rotierende Kristall gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit beträgt dabei etwa 1 bis 3 mm pro Minute. Danach wird der Gasdruck im Reaktionsgefäß auf einen Wert von etwa 10 Torr eingestellt. Dieser Wert wird durch programmiertes, schrittweises Absenken so verändert, daß er nach einer halben Stablänge (50% der kristallisierten Schmelze) etwa 7 Torr erreicht hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen stabförmiger SiIiciumeinkristalle mit über die gesamte Stablänge homogener Antimondotierung durch Ziehen aus der Schmelze, bei dem der Einkristall mittels eines Keimkristalls aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze entsprechend gewählten Antimongehaltes gezogen wird, wobei während des Kristallwachstums ein Teil des in der Schmelze befindlichen Antimons verdampft wird imd der Ziehvorgang in einem evakuierten Reaktionsgefäß in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird und bei dem nach dem Eintauchen des Keimkristalls in die Schmelze ein Druck im Reaktionsgefäß von 10 Torr eingestellt wird, der während des gesamten Ziehvorganges auf 3 Torr abgesenkt wird, nach Patent 15 44 292, dadurch gekennzeichnet, daß das Absenken des Druckes im Reaktionsgefäß während des Ziehvorganges schrittweise vorgenommen und so programmiert wird, daß die Abdampfrate der Dotierung so geändert wird, daß die Störstellenkonzentration im gezogenen Kristall nahezu konstant bleibt.

Infolge der technischen Gegebenheiten beim Kristallziehen bleiben die Faktoren O (= freie Oberfläche der Siliciumschmelze) und R (= Kristallwachstumsgeschwindigkeit) während des Ziehvorgangs nicht immer konstant, d. h., C_x bleibt nicht konstant. Die Erfindung lehrt, daß der Abdampfkoeffizient g des Störstellenstoffes vom Rezipientdruck abhängig ist. Durch eine geeignete Programmierung des Rezipientdruckes und damit des Abdampfkoeffizienten g kann die Bedingungsgleichung