DE2015561A1

DE2015561A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter Einkristalls

Info

Publication number: DE2015561A1
Application number: DE19702015561
Authority: DE
Inventors: Donald Richard Phoenix Lenzing John Russell Scottsdale Ariz Causey (V St A) M BOIk 3 06
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1969-04-02
Filing date: 1970-04-01
Publication date: 1971-02-25
Also published as: US3615261A; GB1286024A; BE748239A; FR2038156A1; FR2038156B1

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

n. 1-April 1970

MtlohloritrtB· 42

Μ·Ιη Zilohtn

, M95P-353

Motorola, Inc.

9401 West Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

V.St.A.

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls, wobei das Halbleitermaterial» ζ·Β· Silicium oder Germanium, mit einer bestimmten Störstellenkonzentration geschmolzen und ein bestimmter Dampfdruck in einer Edelgasatmosphäre über dem geschmolzenen Material eingestellt wird, und wobei ferner ein Kristallisationskern in das geschmolzene Halbleitermaterial eingesetzt und aus diesem mit einer Geschwindigkeit herausgezogen wird, die die Ausbildung eines Einkristalls bewirkt.

Pur die Herstellung vieler Halbleiteranordnungen ist es wünschenswert,, ein einkristallines Halbleitermaterial zu besitzen, das im wesentlichen ein gleichförmiges Widerstandsprofil, d.h. über die gesamte länge eine gleichförmige Leitfähigkeit aufweist« Da der Widerstand eine Punktion bestimmter

Fs/wi aktiver

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aktiver» im Halbleitermaterial vorhandener Störstellen ist, sollen Halbleiterkristalle mit einer im wesentlichen gleichförmigen Störstellenverteilung hergestellt werden. In dem üblichen Halbleitermaterial wie Silicium und Germanium werden als Störstellenmaterial meistens Phosphor, Arsen, Aluminium, Bor, Gallium, Indium und Antimon verwendet· Um Silicium oder Germanium su einem Halbleiterkristall zu verarbeiten, wird dieses gewöhnlich geschmolzen und rekristallisiert, damit der Störstellengehalt eingestellt werden kann. Das hierfür benutzte Czochralski-Verfahren zur kommerziellen Herstellung von SiIicium-Einkristallen ist allgemein bekannt, wobei das Halbleitermaterial vollständig geschmolzen und in die Schmelze ein KrI-

* stallisationskern eingeführt wird. Dieser Kristallisationskern wird sodann langsam aus der Schmelze herausgezogen, wobei sich ein Einkristall durch kontinuierliches Anwachsen an den Kristallisationskern ausbildet. Bei diesem bekannten Ziehverfahren tendiert die Störstellenkonzentration im rekristallisierten Material mit zunehmender Kristalliaationsdauer anzusteigen. Als Folge davon erhält man einen rekristallisierten Einkristallblock, der an seinem unteren Ende eine höhere Störstellenkonzentration aufweist, wodurch die unerwünschte ungleichmässige Wider s tends verteilung über die gesamte Einkristallblocklänge entsteht. Das typische Widerstandsprofil eines Silicium-Einkristallblockes mit Phosphor als Störstellen besitzt bei einer

k Herstellung nach diesem bekannten Verfahren ungefähr eine sechzigprozentige Widerstandsänderung über 80$ der Blocklänge. Bei einem derartigen Einkristallblock ist z.B. die Ausbeute bei der Herstellung von mit Phosphor dotierten Zener-Dioden sehr niedrig und liegt ungefähr zwischen 10 und 15%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermaterials zu schaffen, bei dem der gezogene Einkristallblock über nahezu die gesamte Länge eineα im wesentlichen gleichförmigen Widerstand bzw. ein im wesentlichen gleichförmiges Widerstandsprofil aufweist.

- 2 - Ausgehend

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Ausgehend von dem eingangs erwähnten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Brück der Edelgasatmosphäre während des Ziehens des Halbleiterkristalle nach einem vorbestimmten Verlauf verringert wird, vat eine la weßent«· liehen konstante Störstellenkonzentration in der Schmelze aufrechtzuerhalten, und dass der aus der Schmelze gesogene Einkristall derart abgekühlt wird, dass ein Einkristall alt einem im wesentlichen gleichförmigen Widerstandsprofil über den grössten Teil seiner Längenausdehnung entsteht.

Weitere Merkmale und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das Verfahren gem&ss der Erfindung wird besondere vorteilhaft zur Herstellung eines Halbleiterkrietalle aus z.B. Silicium verwendet, das in einem Schmelztiegel mit einer bestirnten Störstellen Jconzentr ation unter einer Edelg&satmoephäre, z.B. Heliumatmosphäre, geschmolzen wird» dl© Schmelze wird durch Erhitzen des Slliciummaterlale auf eine Temperatur von ungefähr 1420⁰C hergestellt. Ansehliessend wird ein Kristallis&tionekern aus einem monokristallinen Silicium in die Schmelze eingeführt und mit einer Geschwindigkeit aus dieser herausgezogen, die die Ausbildung eines Einkristallbloekes mit einem im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser bewirkt. Gemüse der Erfindung wird beim Ziehen des Einkristallbloekes der Druck der Edelgaeatmosphäre über dem geschmolzenen Silicium langsam verringert, um eine im wesentlichen gleichbleibende Störstellenkonzentratlon im geschmolzenen Silicium aufrechtzuerhalten. Nachdem der Einkristallblock die gewünschte Länge angenommen hat, wird er bis auf Zimmertemperatur abgekühlt. Der auf diese Welse hergestellte Einkristallblock besitzt eine im wesentlichen gleichförmige Störstellenkonzentration über nahezu die gesamte Lange· Aufgrund dieser im wesentlichen konstanten Störstellenkonzen-. tratlon ist auch das Widerstandsprofil über die entsprechende Länge im wesentlichen gleichförmig.

- 5 - Die .

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Die Erfindung wird anhand eines Beispieles nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Ale Halbleitermaterial für die Ausführung des Verfahrens wird entweder Silicium,oder Germanium benutzt. Phosphor,Arsen und Antimon sind die am häufigsten verwendeten Störstellenmaterialien, um Silicium N-leitend zu machen. Antimon und Indium sind die bevorzugten Storstellenmaterialien., welche bei der Durchführung der Erfindung mit Germanium Verwendung finden. Der Bereich der Störstellenkonzentration kann sich in einem verhältnismässig grossen umfang von z.B. Ix 10 Atome/cnr bis zu 2,2 χ 10 ° Atome/cm' in Abhängigkeit von dem gewünschten Widerstandewert des hergestellten Einkristalls ändern.

Das Halbleitermaterial wird bei der Verwendung von Germanium in einen Schmelztiegel aus Kohlenstoff und bei der Verwendung von Silicium in einen entsprechenden Tiegel aus Quarz oder -einem glasartigen Kohlenetoff gebracht, wie dies gemäss dem Stand der Technik üblich ist. Zur Herstellung einer Edelgasatmosphäre wird vorzugsweise Helium oder Argon über das Silicium in einer Flussmenge von etwa 0,56 mVStd. bis ungefähr 0,85 · /Std. und vorzugsweise in einer Menge von 0,63 nr/Std. geführt. Es können auch andere Gase wie Neon und Xenon Verwendung finden.

Das Halbleitermaterial wird sodann geschmolzen, wobei Silicium auf eine Temperatur von ungefähr 1420⁰C und Germanium auf eine Temperatur von ungefähr 946⁰C erhitzt wird. Nachdem das Material geschmolzen 1st, wird ein Kristallisationskern aus demselben Halbleitermaterial in die Schmelze eingeführt, z.B. ein SiIicium-Krlstalllsation8kern in eine Siliciumschaelze.

Sobald sich ein Kristall um den Kristallisationekern herum ausbildet, wird dieser mit einer solchen Geschwindigkeit aus der

- 4 - Schmelze

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Schmelze herausgezogen^ dass sich ein EinkriBtallbloek mit verbaltnismässig gleichmässigem Duiäraesser ausbildet.

Durch die Anwendung der Erfindung erhält man einen Einkristallblock mit einem im wesentlichen gleichförmigen, über den grossten Teil seiner Länge sich erstreckenden Widerstandsprofil, in dem die Überschuss-Störstellen aus der Schmelze verdampftwerden, entsprechend dem Herausziehen des Einkristallblocks, so dass man eine im wesentlichen gleichbleibende Störstellenkonzentration in der Schmelze besitzt. Um die im wesentlichen gleichförmige und konstante Störstellenkonzentration in der Schmelze gleichförmig aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, den Druck innerhalb des Systems schrittweise zu verringern, um dadurch die Verdampfung von mehr Störstellen aus der Schmelze zu begünstigen und eine Zunahme der Störstellenkonzentration zu verhindern. .

Der Druck innerhalb des Systems, welcher die Masse des Halb-* leitermaterial umgibt, wird mit Hilfe einer Serie von Vakuumpumpen und mit der Edelgasqueile verbundenen Ventilen reguliert. Der Druck innerhalb des Systems verändert sich vom Beginn des Verfahrens von einem Wert zwischen ungefähr 50 bis ungefähr 760 mm Hg, wobei der bevorzugte Druck bei ungefähr 100 mm Hg liegt. Sobald mit dem Ziehen des Kristallisationskerns aus der Schmelze begonnen wird, wird der Zufluss des Edelgases, vorzugsweise Helium oder Argon, schrittweise durch ein langsames Schliessen der Ventile verringert, wobei gleichzeitig mit der Abnahme des Edelgasflusses eine langsame Verringerung des Druckes innerhalb des Systems verbunden ist«, Mit dieser Druckverringerung werden, immer mehr Störstellen aus der Schmelze verdampft, wodurch die normalerweise sich elnstellen&öu Erhöhung der StSrstellenkonzentration vermieden wird«, Durch eine geeignete Programmierung der Druckverminderung innerhalb des Systems ist es somit möglich, die Schmelze auf einem im

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wesentlichen konstanten Niveau bezüglich der Störstellenkonzentration zu halten« Daraus ergibt sich, dass der Widerstand des Einkristallblockes ebenfalls im wesentlichen auf einem gleich« förmigeitytert gehalten wird, wodurch sich ein gleichförmiges Widerstandsprof11 über 80 bis 9O# der Länge des Einkristal1- -blocks herstellen lässt.

Der Druck wird von ungefähr 50 bis 760 mm Hg bis herunter zu einem Wert von ungefähr 10 bis 1 χ 10 mm Hg verringert. Der Endwert des Druckes hängt von dem Widerstandswert ab, den der Einkristallblock aufweisen soll. Ein Widerstandswert in der Grössenordnung von 1 χ 10 mm Hg wird verwendet, wenn der Einkristallblock einen Wert von 45 Ohm-cm besitzen soll, wogegen ein Druck in der Grössenordnung von 1 mm Hg vorzugsweise verwendet wird, wenn der Widerstandswert in der Grössenordnung von 0,005 Ohm-cm liegen soll. Die Zeit, die für die Verringerung des Druckes erforderlich ist, variiert zwischen einer halben Stunde bis viereinhalb Stunden, wobei die Zeit für Einkristallblöcke mit einem höheren Widerstandswert die kürzere ist. Diese Druckverringerung kann mit Hilfe automatischer Einstellvorrichtungen vorgenommen werden, so dass dadurch ein wirklich kommerzielles Herstellungsverfahren für Einkristallblöcke möglich ist.

Der gesamte Wachstumszyklus eines Einkristallblockes kann zwischen 3 bis 10 Stunden variieren, Je nach Abhängigkeit der Grosse der Siliciummasae* Am End» des Wachstums wird der EInkriatallblock abgekühlt und der Druck bis sum atmosphärischen Druck angehoben.

Bei einem in der Tv&xis awsgefi^r**?⁴ Ye^fahran wurde im Schmelztiegal Silicium mit 3*6 χ 10 Ätosae/caa^ vorgesehen, wobei Helium mit ungefähr 0»62 aVStd«. an der Sillciummasse vorbeigeführt wurde. Das Silicium tnixue »ixf eine Temperatur von ungefähr 1420°ö ei'hltzt tmd gaschirol^en, Fin Sillelum-KrLatalliaationskern ward's oodann ία die Ochmelze eingeführt ,und sobald

*" ^ "" der,

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der Einkristall zu wachsen begann, langsam aus der Schmelze herausgezogen. Dabei wurde der Heliumzufluss und der Druck innerhalb des Systems während einer Zeit von 1,75 Std. von 100 mm Hg auf 0,04 mm Hg langsam verringert. Der Druck von etwa 0,04 mm Hg wurde für 3,75 Std. aufrechterhalten, um das Wachstum des Einkristallblockes su vollenden. Anschliessend wurde der Einkristallblock abgekühlt und der Druck im System auf Atmosphärendruck erhöht. Der Einkristallblock besitzt nach der Fertigstellung etwas konisch zulaufende Teile an den beiden Enden, die anschliessend beseitigt werden. Diese konisch verlaufenden Enden machen jeweils etwa 10% der Längenausdehnung des Einkristallblockes aus. Nach der Beseitigung dieser etwa 20% der Gesamtlänge umfassenden Endteile erhält man einen Einkristallblock mit einer im wesentlichen gleichförmigen Widerstandsverteilung, die z.B. am oberen Ende des Blockes einen Wert von 0,0182 0hm cm und am unteren Ende des Blockes einen Wert von 0,0180 Ohm-cm besitzt.

Beispiele für Einkristallblock Nr. 2 bis Nr. 5

Einkristall- Halbleiter« Zeit in Std.f.Druck- Zelt in Std.f« block konzentra- änderung konstanten Druck tion in der Schmelze

3,5

4,75 5,0

4,5

2	2,6x1019	2,0
3	' 8,4x1017	0,75
4	*1,5x107**	0,5
5	2,26x101*	0,5

- 7 - Einkristall

block

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Einkristall- Druck in na Hg Druck la ram Eg Blockwideretand in block bei Beginn an Ende Obm cm

oberes unteres Ende Ende

2	100	1,0	0,005	0,0062
3	100	0,018	0,041	0,035
4	100	0,0001	0,113	0,100
5	50	0,0001	49,4	43,8

für Beispiel Nr. 4 und BTr. 5 Blockwiderstand auf 80% der Länge

bezogen;

für Beispiel STr. 2 Blockwideretand auf 70% der Länge bei ο gen;

für Beispiel Nr. 3 Blockwideretand auf 60% der Länge bezogen.

P Aus den vorausstehenden Beispielen ergibt sich, dass der Widerstandswert sich nur verhältnlsmässig wenig zwischen de» oberen Ende des Blockes und de« unteren Ende des Blockes verändert, wenn man dies mit dem Standard-Czochralski-Verfahren vergleicht, bei dem sieh der Widerstand über 80% eines phosphordotierten Sillclum-Einkristallblockes etwa in der Grössenordnung von 60% ändert.

Tor ausstehend wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Einkrietallblockee dargestellt, der im wesentlichen einen gleichförmigen Vlderstandswert über die gesamte Länge besitzt· Das Halbleitermaterial, vorzugsweise Silicium, wird in einer Heliumedelgasatmosphäre angeordnet und sum Schmelzen gebracht. ' Anschliessend wird ein Kriftel llsationskern in die Schmelze eingeführt und aus dieser mit einer Geschwindigkeit herausgezogen, die einen im wesentlichen gleichförmigen Einkrietallblock mit Im wesentlichen gleichem Durchmesser entstehen lässt. Sobald der Kristallisationekern aus der Schmelze gezogen ist, wird der Druck im System langsam verringert, um eine Verdampfung der Störstellen aus der Schmelze zu bewirken, so dass diese Im wesentlichen eine konstante Störeteilenkonzentration während der Herstellung des Einkristallblcekea behält.

- 8 - Patentansprüche

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Claims

I.April 1970

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Patentanspruch

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Einkristalls, wobei das Halbleitermaterial, z.B. Silicium oder ©ermanium, mit einer bestimmten Storsteil©nkonsentratioii geschmolzen und ein bestimmter Dampfdruck in siner Edelgasatmosphäre über dem geschmolzenen Material eingestellt wird, und wobei ferner ©in Eristallisatioaskern in das geschmolzene Halbleitermaterial eingesetzt und aus diesem mit einer Geschwindigkeit herausgezogen wird, die die Ausbildung eines Einkristalls bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüsk der Edelgasatiaosphär® während des Ziehens des Halfel®It@rkrlstalls nach einem vorbestimmtrn "^erlauf verringert wird, ua @in© isa wesentlichen, kons«ante StSratellenkonzenfcration la der Schmelze aufrechtzuerhalten ₉ und dass der aus dar Schmelze gezogene Einkristall derart abgekühlt wird, dass ©in Ein» kristall mit einem im wesentlichen gl®ie&f@?s3lg@a Mlder- * Standsprofil über den grossten Teil seiner längenausdehnung entsteht·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g @ ken η ζ e ic fanet, dass für die Herstellung der Edelgasataoepbär© '■ Helium oder Argon Verwendung findet» ' '

-Q-

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3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennseich·* n · t» da·· al* Störstellenaaterial Phosphor, Arsen oder Antiaoc Verwendung findet·

%» Verfahren nach «ine· der Ansprüche 1 bis 3· dadurch g e -kennsalchnet, daes daa Edelgas In «lner iteog· ▼on ungefähr 0,36 e'/3td; bis «ageftte 0,85 «Vfltd. durch das BjwX%% nissit, uad dtes dar SAslgssfluss eur Terrlagaroag de« Brooks der Idelgmstt&esphire nach eines bestlsBtin Torgesehenen Verlauf verringert wird.

5· Ytrfsferon nach Anspruch ^₁ dadurch | ι k · s α ι a i β ha e t_t dass der Edelgas fluss auf weniger als ungefähr 0,028 m'/Std. in 30 bis 90 Minuten verringert wird.

6. Ye?fafe?ea nach eines öd@r se$hr®?en der Ansprüche 1 bis 5, fafforeb g e Sc # η η ε ι ί c b ία λ t, dass der Druck aus» gehend von JO bis 760 η Hg auf 1 χ 10 bsi Big verringert

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