DE19922736C2

DE19922736C2 - Vorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls

Info

Publication number: DE19922736C2
Application number: DE19922736A
Authority: DE
Inventors: Seiji Mizuniwa; Kenya Itani; Michinori Wachi
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: US20010018892A1; GB9912194D0; GB2338909A; GB2338909B; US6409831B2; JPH11349392A; DE19922736A1; JP3509556B2; US6290773B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter-Einkristalls nach der vertikalen Bridgeman-Methode des Züchtens eines Einkri stalls durch graduelles Verfestigen einer Halbleiterschmelze vom unteren Teil zum oberen Teil eines Tiegels.

In den letzten Jahren wurde dem vertikalen Bridgeman- Verfahren als Verfahren zum Erhalten von großen GaAs-Kristal len mit Durchmessern über 76,2 mm (3 Zoll) und geringer Ver setzungsdichte vermehrt Aufmerksamkeit geschenkt. Beim verti kalen Bridgeman-Verfahren wird ein Tiegel für das Material und einen Kristallkeim innerhalb der Heizelemente eines ver tikalen elektrischen Ofens angeordnet und das Material im oberen Teil aufgeschmolzen. Danach wird der Keim in die Schmelze getaucht und vom unteren Teil zum oberen Teil des Tiegels ein Einkristall gezogen, das heißt vom unteren Teil auf Seiten des Kristallkeims zum oberen Teil.

Das Verfahren zum Züchten eines Kristalls durch Bewe gen des Tiegels und der Heizvorrichtung relativ zueinander wird VB-Verfahren (vertikales Bridgeman-Verfahren) genannt. Ein Verfahren zum Züchten eines Kristalls durch Vorgeben ei nes Temperaturgradienten, bei dem die Temperatur im oberen Teil hoch ist und im unteren Teil niedriger, und des Verrin gerns der Temperatur insgesamt, während der Temperaturgra dient aufrecht erhalten wird, wird VGF-Verfahren (vertikales Gradientenabkühlen) genannt.

Beim Züchten eines GaAs-Einkristalls läßt man B₂O₃ auf der Oberfläche des Materials schwimmen, um eine Diasozia tion des As zu verhindern, oder es wird der ganze Tiegel in einer Quarzampulle eingeschlossen und der Einkristall gezüch tet, während der Druck in der Ampulle auf 1 Bar (1 atm) ge halten wird, dem Dissoziationsdruck von As in GaAs.

Als Heizvorrichtung für den Teil, der die Grenzfläche zwi schen Festkörper und Flüssigkeit steuert, wird bisher immer eine Heizvorrichtung verwendet, die ohne jeden Spalt in Um fangsrichtung kontinuierlich verläuft, das heißt eine Heiz vorrichtung mit einem kreisförmigen Querschnitt, und zwar aus folgendem Grund: Wenn die Temperatur in Umfangsrichtung vari iert, wird die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze flach. Die elektrischen Eigenschaften in der Ebene eines Wa fers, der aus dem Kristall geschnitten wird, ändern sich da her möglicherweise stark. Entsprechende Heizvorrichtungen sind aus DE 195 80 737 T1 und Journal of Crystal Growth 167 (1996, Seite 292 bis 294) bekannt.

Bei eingehenden Studien der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn eine runde Heiz vorrichtung verwendet wird, die Grenzfläche zwischen Festkör per und Schmelze insgesamt eingetieft ist, und daß ein Nach teil darin besteht, daß die Ausbeute an Einkristallwachstum gering ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls nach der verti kalen Bridgeman-Methode zu schaffen, bei der sich das obige Problem der eingetieften Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze nicht stellt und bei der eine sichere Ausbeute an Einkristallen erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch, daß die Wärme des Tiegels nicht nur in vertikaler sondern auch in seitlicher Richtung abflie ßen kann, bildet sich die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze am Umfang unterschiedlich aus. In Wachstumsrichtung gesehen ergibt sich ein Bereich mit eingetiefter Vorderseite und ein Bereich mit vorstehender Vorderseite an der Grenzflä che. Diese Form vermindert Kristalldefekte und erhöht die Ausbeute an Einkristallen.

In den Weiterbildungen nach Anspruch 2 und 3 ist die Heizvorrichtung zweigeteilt und ermöglicht so eine sattelför mige bzw. symmetrisch sattelförmige Grenzfläche.

Die alternativen Kühleinrichtungen nach Anspruch 4 er möglichen eine weitere Beeinflussung der Grenzflächengeome trie.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen den anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der aufgeteilten Heizvorrichtung bei einer ersten Ausführungsform einer Vor richtung zum Züchten eines Einkristalls und die Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze;

Fig. 2A einen vertikalen Schnitt durch die Vorrich tung der Fig. 1; und

Fig. 2B einen Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1 längs der Linie B-B in der Fig. 2A.

Im folgenden wird das Züchten eines undotierten GaAs- Einkristalls mit einem Durchmesser von 76,2 mm (3 Zoll) nach dem VGF-Verfahren (vertikales Gradientenabkühlen) mit einem VGF-Ofen wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt als Ausführungs beispiel beschrieben.

Am unteren Ende eines Tiegels 7 aus PBN ist ein Keim kristall 3 angeordnet. Der Tiegel 7 enthält als polykristal lines Material einer Verbindung der Gruppen III-V einen GaAs- Polykristall. Der Tiegel 7 befindet sich auf einer Tiegelhal terung in einer Kammer 5 im Inneren der Heizvorrichtung 6 ei nes vertikalen elektrischen Ofens.

Die Heizvorrichtung 6 des vertikalen elektrischen Ofens besteht aus einer zylindrischen Heizvorrichtung außer halb des Tiegels 7, die den Tiegel 7 umgibt. Die Heizvorrich tung 6 weist in vertikaler Richtung drei Stufen auf, um eine vorgegebene Temperaturverteilung mit einem Temperaturgradien ten zu erzeugen, bei dem die Temperatur im unteren Teil nied riger ist als im oberen Teil. Die Heizvorrichtung 6 besteht somit aus einer Heizvorrichtung 6a zum Kontrollieren der Po sition der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, die in der Mitte angeordnet ist und die als der Teil der Heizvor richtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkör per und Schmelze dient und die die Grenzflächenheizeinheit bildet; einer Heizvorrichtung 6b zum Erzeugen der Schmelze, die im oberen Teil angeordnet ist und die eine Hochtempera turheizung darstellt; und einer Heizvorrichtung 6c, die im unteren Teil angeordnet ist und eine Niedertemperaturheizung darstellt.

In der Heizvorrichtung 6 ist die Heizvorrichtung 6a zum Kontrollieren der Position der Grenzfläche zwischen Fest körper und Schmelze, die sich als der Teil der Heizvorrich tung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in der Mitte befindet, vertikal in zwei Teile geteilt, das heißt in einen rechten und einen linken Teil, die getrennte Abschnitte 61 und 62 bilden. Zwischen den ge trennten Abschnitten 61 und 62 sind Lücken 63 zum Abführen der Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach außen ausge bildet. Die Wärme des Tiegels 7 kann daher nicht nur in ver tikaler Richtung, sondern auch in radialer Richtung durch die Lücken 63 nach außen abfließen, wie es durch die Pfeile in der Fig. 1 angezeigt ist.

Der Kristall wird derart gezüchtet, daß der GaAs-Po lykristall im Tiegel 7 von der Heizvorrichtung 6 aufgeschmol zen wird, um eine GaAs-Schmelze 2 zu bilden, und die Heizvor richtung 6 wird graduell abgekühlt, um einen GaAs-Kristall 1 als Einkristall einer Verbindung aus Elementen der Gruppen III-V, der die gleiche Orientierung wie der Keimkristall 3 hat, im Tiegel 7 von unten nach oben auszubilden. Auf die GaAs-Schmelze 2 wird als flüssiges Abschlußmittel 4 B₂O₃ ge geben, um eine Dissoziation der GaAs-Schmelze 2 zu verhin dern.

Wie erwähnt, ist die Heizvorrichtung 6a zum Kontrol lieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze ver tikal geteilt, um die vertikalen Lücken 63 als diejenigen Ab schnitte auszubilden, in denen sich in Umfangsrichtung der Heizvorrichtung 6a keine Heizvorrichtung befindet, and die Wärme kann durch die Lücken 63 (zwei Stellen, die in Richtung des Durchmessers symmetrisch liegen) entweichen oder abge führt werden. Auf diese Weise kann die Wärme nicht nur in der Richtung von oben nach unten abfließen, sondern auch in Um fangsrichtung (in seitlicher Richtung).

Wenn der GaAs-Einkristall mit der Vorrichtung dieses Aufbaus gezüchtet wird, schreitet die Grenzfläche des Berei ches, der in Umfangsrichtung gekühlt wird, voran, und die Grenzfläche des Bereiches, der der Heizvorrichtung gegenüber liegt, bleibt zurück. Folglich hat die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze eine Sattelform, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist. Das heißt, daß bei der Form der Fig. 1 eine ein getiefte Vorderseite, die bei A-E-C gezeigt ist, und eine vorstehende Vorderseite, die bei B-E-D gezeigt ist, in Rich tungen ausgebildet werden, die sich senkrecht schneiden.

Wenn eine Grenzfläche mit einer solchen Sattelform in Wachstumsrichtung (in der Fig. 1 von oben) betrachtet wird, liegen die Bereiche mit eingetiefter Vorderseite und die Be reiche mit vorstehender Vorderseite an der Grenzfläche zwi schen Festkörper und Schmelze gemischt vor. In dieser Form treten weniger Kristalldefekte auf, und die Ausbeute an Ein kristallwachstum nimmt zumindest im Vergleich zu dem Fall, daß die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze insge samt eine eingetiefte Vorderseite hat, erheblich zu.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß das Ausmaß der Eintiefung des am meisten eingetieften Bereichs (des Bereichs E in der Fig. 1) im Vergleich zu dem Fall, daß eine runde Heizvorrichtung verwendet wird, gering wird, wenn die Grenzfläche mittels der in Hälften aufgeteilten Heizvor richtung 6 in Sattelform ausgebildet wird. Das heißt, daß Va riationen in den elektrischen Eigenschaften einer Ebene, wenn ein Wafer ausgebildet wird, im Vergleich zu einem Kristall, der mit einem herkömmlichen runden Heizvorrichtung erzeugt wurde, klein werden.

Der optimale Wert der Breite des Abschnittes, an dem sich in Umfangsrichtung keine Heizvorrichtung befindet, das heißt die Breite der Lücke 63 zwischen den getrennten Teilen 61 und 62, läßt sich nicht leicht als numerische Zahl aus drücken. Wenn die Breite zu groß ist, wird die Eintiefung und der Vorsprung der Sattelform zu groß. Wenn sie zu klein ist, kann keine Sattelform erhalten werden. Der optimale Wert der Lücke 63 ändert sich mit der Kristallgröße, das heißt der Größe der Heizvorrichtung.

In jedem Fall wird, wenn die in Hälften aufgeteilte Heizvorrichtung 6a verwendet wird, die Vertiefung in der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze verbessert. Folglich lassen sich Vorteile wie eine erheblich verbesserte Ausbeute an einkristallinem Wachstum und eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen Eigenschaften an der Oberfläche der herausgeschnittenen Wafer erhalten.

Beispiel

Anhand der Fig. 2A und 2B wird eine konkrete Ausfüh rungsform näher beschrieben. Der Keimkristall 3, 3000 g des GaAs-Materials, ein Dotierstoff Si und 200 g B₂O₃ 4 werden in einen PBN-Tiegel 7 mit einem Innendurchmesser von 80 mm gege ben. Der Tiegel 7 wird in den elektrischen Ofen gesetzt. Die Heizvorrichtung 6 hat einen Innendurchmesser von 120 mm und ist in Hälften aufgeteilt. Die Breite der Lücke 63 ohne Heiz vorrichtung beträgt etwa 20 mm.

Nachdem das atmosphärische Gas in der Kammer 5 durch N₂-Gas ersetzt wurde, wurde die Temperatur erhöht. Der Tempe raturgradient wurde auf 4°C/cm eingestellt, das Material ge schmolzen und der Keim in die Schmelze eingetaucht. Danach wurde die Temperatur mit 1°C/h abgesenkt, um den Kristall zu züchten. Nach dem Ende des Züchtens wurde der Kristall mit 25 bis 100°C/h auf Raumtemperatur gekühlt und dann herausgenom men.

Nach dem zehnmaligen Ausführen des Züchtvorganges auf ähnliche Weise erreichte die Ausbeute an einkristallinem Wachstum 90%. Als jeder dieser Einkristalle vertikal ge schnitten und die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmel ze durch Striation untersucht wurde, stellte sich heraus, daß die Grenzfläche eine Sattelform hatte, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist.

Als aus dem Kristall ein Wafer geschnitten und die Ladungsträgerkonzentration in der Ebene gemessen wurde, zeig te sich, daß die Ladungsträgerkonzentration 1,0 × 10¹⁸ cm^-3 betrug und die Variation innerhalb von ±3% lag. Dieser Wert ist besser als im folgenden Vergleichsbeispiel.

Vergleichsbeispiel

Unter den gleichen Bedingungen wie oben mit dar Aus nahme, daß eine runde Heizvorrichtung verwendet wurde, wurde ein Vergleichskristall gezogen. Die Ausbeute an einkristalli nem Wachstum war bei einer zehnmal wiederholten Ausführung des Ziehvorganges 60%. Bei der Untersuchung der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze wurde festgestellt, daß die eingetiefte Vorderseite insgesamt groß war. Es stellte sich auch heraus, daß von dem Teil des Meniskus, der mit dem Tie gel in Kontakt stand, viele Defekte ausgehen.

Als aus dem Kristall ein Wafer geschnitten und die Ladungsträgerkonzentration in der Ebene gemessen wurde, zeig te sich, daß die Ladungsträgerkonzentration 1,0 × 10¹⁸ cm^-3 betrug und die Variation innerhalb von ±10% lag.

Modifikationen

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorste hende Ausführungsform beschränkt, sondern kann wie folgt mo difiziert werden.

1. Neben GaAs können als Material für den Kristall alle Verbindungshalbleiter verwendet werden. Beispiele für Halbleitermaterialien, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind Verbindungen der Gruppen III-V wie GaAs, InAs, GaSb, InSb, GaP und InP, Verbindungen der Gruppen II-VI wie CdTe, ZnSe, ZnS und HgTe, Elemente der Gruppe IV wie Si und Ge und Mischkristalle aus einer oder mehreren Arten der obi gen Elemente.
2. Es kann sowohl das VB-Verfahren (das vertikale Bridgeman-Verfahren) als auch das VGF-Verfahren (das vertika le Gradientenabkühlverfahren) angewendet werden.
3. Auch wenn die Anzahl der vertikalen Unterteilun gen der Heizvorrichtung, das heißt die Aufteilung der Heizvorrichtung in Umfangsrichtung in zwei Teile erfolgt ist, wird eine Aufteilung in bis zu vier Teile als effektiv zur Ausbildung der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in Sattelform betrachtet. Eine stärkere Unterteilung der Heizvorrichtung ist unter dem Gesichtspunkt des Ausbildens der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in Sattel form nicht erforderlich.
4. Da die Heizvorrichtung 6 in Hälften unterteilt ist, um die Wärme des Tiegels in den Abschnittes in Umfangs richtung in radialer Richtung nach außen abzuführen, in denen sich keine Heizvorrichtung befindet (die den Lücken 63 ent sprechenden Abschnitte), kann die Wärme auch dadurch in Um fangsrichtung (seitlich) abgeführt werden, daß eine runde Heizvorrichtung verwendet und eine Kühlvorrichtung (zum Bei spiel ein wassergekühltes Rohr, eine teilweise entfernte Wär meisolierung oder dergleichen) an in Umfangsrichtung symme trischen Stellen vorgesehen wird, mit der die Wärme auch in Umfangsrichtung (seitlich) abgeführt werden kann. Diese Mög lichkeit wird von der Erfindung auch erfaßt.
5. Da sich wie erwähnt der optimale Wert für die Breite des Abschnittes in Umfangsrichtung ohne Heizvorrich tung (der Abschnitt mit der Lücke 63 oder der Abschnitt mit der Kühlvorrichtung) mit der Größe des zu erhaltenden Einkri stalls (dem Durchmesser der Heizvorrichtung 6) und dem Mate rial und der Form des Isoliermaterials, wenn als Mittel zur Kühlung ein Teil des Isoliermaterials am Umfang der Heizvor richtung entfernt wird, ändert, kann die Breite nicht ein heitlich festgelegt werden. In jedem Fall wird jedoch, wenn die Heizvorrichtung 6a verwendet wird, die in Hälften unter teilt ist, die eingetiefte Ebene der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze verbessert.

Folglich lassen sich die Vorteile einer erheblich verbesserten Ausbeute an einkristallinem Wachstum und einer gleichmäßigen Verteilung der elektrischen Eigenschaften in der Ebene eines aus dem Kristall herausgeschnittenen Wafers erhalten.

Erfindungsgemäß lassen sich somit die folgenden Wir kungen erhalten.

1. Beim Herstellen eines Einkristalls wird ein Teil zum Abführen der Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach außen zumindest teilweise in Umfangsrichtung des Teiles der Heizvorrichtung zum Kontrollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze, die den Tiegel umgibt, vorgesehen, und der Einkristall wird gezüchtet, während die Wärme des Tiegels nicht nur in vertikaler Richtung, sonder auch in ra dialer Richtung nach außen abgeführt wird. Damit liegt die Grenzfläche des Bereiches, der in Umfangsrichtung gekühlt wird, vorn und die Grenzfläche des Bereiches, der der Heiz vorrichtung gegenüberliegt, hinten. Bei der Betrachtung der Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in Wachstumsrichtung liegen daher in der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze die Bereiche mit eingetiefter Vorder seite und mit vorstehender Vorderseite gemischt vor. In die ser Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze treten weniger Kristalldefekte auf, und die Ausbeute an ein kristallinem Wachstum nimmt stark zu, verglichen mit dem Fall, daß die Grenzfläche insgesamt eingetieft ist. Die Ver teilung der elektrischen Eigenschaften in der Ebene von aus dem Kristall geschnittenen Wafern ist gleichmäßig.
2. Der Einkristall wird gezüchtet, während die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze sattelförmig ge halten wird. Bei der Betrachtung der Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze in Wachstumsrichtung liegen daher in der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze die Bereiche mit eingetiefter Vorderseite und mit vorstehender Vorderseite gemischt vor. In dieser Form der Grenzfläche zwi schen Festkörper und Schmelze treten weniger Kristalldefekte auf, und die Ausbeute an einkristallinem Wachstum nimmt stark zu, verglichen mit dem Fall, daß die Grenzfläche insgesamt eingetieft ist. Die Verteilung der elektrischen Eigenschaften in der Ebene von aus dem Kristall geschnittenen Wafern ist gleichmäßig.
3. Bei der Vorrichtung zur Herstellung des Einkri stalls ist wenigstens der Teil der Heizvorrichtung zum Kon trollieren der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze vertikal um den Tiegel herum in eine Anzahl von Teilen unter teilt, wobei die Lücken zum Abführen der Wärme des Tiegels in radialer Richtung nach außen in der Heizvorrichtung in Um fangsrichtung ausgebildet sind und die Wärme des Tiegels nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch von den Lücken in radialer Richtung nach außen abströmen kann. Folglich geht die Grenzfläche des Bereiches, der in Umfangsrichtung gekühlt wird, voran, und die Grenzfläche des Bereiches, der der Heiz vorrichtung gegenüberliegt, bleibt zurück. Im Ergebnis hat die Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze eine Form, bei der die Bereiche mit eingetiefter Vorderseite und die Be reiche mit vorstehender Vorderseite gemischt vorliegen, gese hen in Wachstumsrichtung. Bei dieser Form der Grenzfläche zwischen Festkörper und Schmelze treten weniger Kristallde fekte auf, und die Ausbeute an einkristallinem Wachstum nimmt stark zu, verglichen mit dem Fall, daß die Grenzfläche insge samt eingetieft ist. Die Verteilung der elektrischen Eigen schaften in der Ebene von aus dem Kristall geschnittenen Wa fern ist gleichmäßig.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen eines Verbindungshalbleiter- Einkristalls (1) nach der vertikalen Bridgeman-Methode, mit einer einen Schmelztiegel (7) ringförmig umgebenden, vertikal angeordneten Heizeinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, daß der die Grenzfläche zwischen festem Halbleiter und Halblei terschmelze (2) beheizende Teil (6a) der Heizeinrichtung (6) an mindestens einer Stelle seines Umfangs durch eine Lücke (63) oder Kühleinrichtung unterbrochen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Grenzfläche beheizende Teil (6a) der Heizeinrichtung (6) durch zwei vertikal verlaufende Lücken (63) bzw. Kühlein richtungen unterbrochen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lücken (63) bzw. Kühleinrichtungen einander diame tral gegenüber liegen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein mit einer wassergekühlten Leitung versehener oder ein von Isoliermate rial befreiter Abschnitt der Heizeinrichtung (6) ist.