DE2204486A1

DE2204486A1 - Verfahren zur beeinflussung des radialen widerstandsverlaufes beim herstellen eines halbleitereinkristallstabes durch tiegelfreies zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2204486A1
Application number: DE19722204486
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Ing Dr Muehlbauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1972-01-31
Publication date: 1973-08-09
Also published as: IT971894B; GB1362739A; NL7213698A; JPS4886705A; FR2169959A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, 3 UAK1972

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

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Verfahren zur Beeinflussung des radialen 7/iderstandsverlaufes beim Herstellen eines Halbleitereinkristallstabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung des radialen V/'id er stands Verlaufes in einem Halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht an. seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes mit ejner den 3tab ringförmig umschließenden, die Schme'J zzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterstab bewegt wird.

Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Halbleiterstäbe, insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt v/erden, daß man eine Schmelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Halbleiterstabes (Vorratsstabes) wandern läßt. Der Halbleiterstab wird hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt, wobei die eine Halterung während des Zonenschmelzen in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.

Im allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallsiäba für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, welche in bezug auf ihren radialen V/iderstandsverlauf sehr gleichmäßige

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7/erte aufweisen, d.h., bei der Herstellung dieser Kristallstäbe wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des tiegelfreien Zonenschmelzens angestrebt, damit der Dotierstoff überall gleichmäßig in das Kristallgitter eingebaut wird.

Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, z. B. von,, über Kopf zündbarer Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches aus (111)-orientierten Siliciumkristallscheiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen Einbruch des elektrischen spezifischen ',Yiderstandes aufweisen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch tiegelfreies Zonenschmelzen Halbleitereinkristallstäbe, insbesondere versetzungsfreie (111)-orientierte Siliciumkristalle herzustellen, bei denen in der Mitte des konzentrisch gezogenen Stabes ein räumlich eingeengter einstellbarer 7iderstandseinbruch erzeugt wurde.
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Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß v/ährend des Zonenschmelzen mindestens eine der beiden, die Schmelze tragenden Stabhaiterungen, durch Zufuhr von Energie in axialer Richtung beeinflußt wird. 25

Dabei liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Zufuhr von Energie durch elektrische Stromimpulsfolgen oder durch Schall impulse zu bewirken.

Folgende Überlegungen haben zu dem Verfahren gemäß der Lohre der Erfindung geführt:

Es ist bekannt, daß beim Ziehen von (111)-orientierten Siliciir:.-kristallen mit zur Schmelze konvex gewölbter Phasengrenze siel.

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eine (111 )-Facette ausgebildet, insbesondere dann, v/er.n der Stab konzentrisch gezogen wird. Diese vornehmlich in der Stabniitte befindliche Facette v/ird umso großer sein, je ungestörter der Kristall wachsen kann. Sie ist beim ver« setzungsfreien Kristall besonders prägnant ausgebildet.

Dies rührt daher, dal?· beim versetzungsfrei wachsenden Kristall die für die Eildung eines Kristallisationskeimes auf der Facette notwendige Unterkühlung größer ist als bein¹, versetzungsbehafteten Silicium, Die Versetzungen wirken auf der (111)-Facette quasi als Eristallisaticnskeine, bevor der starke Unterkühlungsgrad erreicht ist, der für vcrsetsunrsfrei wachsende Stäbe charakteristisch ist, und die Atomschicht beginnt vorzeitig lateral (horizontal) vorzuschießen. Die Facette ist in diesem Fall klein.

Die Figuren 1 und 2 geben die eben geschilderten Verhältnisse wieder, Figur 1 zeigt den Verlauf der Srstarrungsisotherme 1 sowie den der Phasengrenze 2 zwischen Schmelze und dem festen Stabteil beim tiegelfreien Zonenschmelzen. Durch den Doppel· pfeil 3 soll der Grad der Unterkühlung Δ Τ dargestellt werden. Figur 2 zeigt einen Ausschnitt von Figur Λ , bei dem die verschiedenen Unterkühlungsgrade Λ '£ für SilieiumstMbe mit und ohne Kristallversetzungen eingezeichnet sind» Dabei verdeutlicht der senkrechte Doppelpfeil 4 den Unterkühlungsgrad Δ ¹T^, v/elcher typisch für versetzungsreiche Stäbe ist und die Ausbildung kleiner Facetten (siehe waagrechter Doppelpfeil 5), welche von einem Keim 6 ausgehen, zur Folge hat, während der senkrecht eingezeichnete Doppelpfeil 7 den Unterkühlungsgrad Λ Tp5 welcher typisch für versetzungsfreie Kristallstäbe ist, markiert, v/elcher die Ausbildung gro2~r Facetten (angedeutet durch den waagrechten Doppelpfeil 8) vom Keim 9 ausgehend zur Folge hat.

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3 ü 9

2 2 ü 4 A 8

Es ist ferner bekannt, deß in Facettenbereich der Dotierstoff in gröPerer Konzentration in den Kristall eingebaut wird als auSerhalb der Facette. Dies bedeutet einen Einbruch des spezifischen 7/iderstandes des Stabes im Bereich dieser (111)-Facette. Da Thyristor-Silicium bevorzugt versetzungsfrei hergestellt v/ird, ist die Facette und damit auch der £-Einbruch besonders tief und räumlich weit ausgedehnt.

Wünscht man einen begrenztenf -Einbruch in der Stabmitte, v/ie das bei über Kopf zu zündender Thyristoren der FaIl ist, kann das durch eine Störung des "Schichf-V/achstune geschehen. Diese Störung soll ähnlich wie Versetzungen wirken, nämlich eine Keimbildung bei bestimmter Unterkühlung verursachen. Dadurch wird dann mit der Facette auch der j* -Einbruch räumlich begrenzt. Diese Störung darf jedoch das versetzungsfreie ',Vachstum nicht beeinträchtigen.

Nach der lehre der Erfindung sollen diese Störungen in Strorn- oder Schall impulsen, auch Ultraschallimpulsen bestehen. Duron 2q die Amplitude kann der Grad der Störung, durch das Tastverhältnis und die Impulsbreite zusätzlich die 7/achstumsperiode des "Schicht"-".Vachsturns über eine Stabhalterung des zonenzuziehenden Halbleiterkristallstabes variiert und beeinflußt v/erden.

In Figur 3 ist im Prinzip dargestellt, wie eine durch einen von außen auf die Stabhalterung zugeführte Energie verursachte Störung durch Beeinflussung des Unterkühlungsgrades ^T auf die Ausbildung einer Facette wirkt. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 1 ■·> die Linie bezeichnet, welche die einzelnen "iVachstumsschichten umschließt, während der Pfeil 11 die durch einen periodisch getasteten Strain- ^d er Ul traschalllmpul s verursachende Störung darstellen irill. Mit dem Bezugszeichen '2 i et die durch die Störung bedingte« vom Kreis 13 aiirsgehende, im Vergleich r-;ur störungsfreie:] Facette kleinere Facette

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bezeichnet. Diese schmälere (111)-Facette 12 in der Mitte des konzentrisch tiegelfrei .gezogenen Halbleiterstabes ist die Ursache, die zu einem räumlich eingeengten '.Viderstandoeinbruch in der Stabmitte führt.

Als Schallgeber werden im. Rahmen der vorliegenden Erfindung elektr-iir.echanische Schallgeber mit einer Frequenz von mehr als 2o kHz wie piezoelektrische oder magnetostriktive Schwinger verv/endet, bei welchen über ein Koppe !medium, welches zwischen Stab und Stabhalterung geschaltet ist, die Schallimpulsfolgen auf die Schmelze übertragen v/erden.

Für die Zuführung voxi äußerer Energie in Form von elektrischen Stromimpulsfolgen zur Beeinflussung der Phasengrenze flüssig/ fest im zonengeschmolzenen Siliciumkristallstab haben sich folgende Bedingungen als sehr günstig erwiesen:

Impulsform: rechteckförnig
Impulsainplitude: A -- ο, 1 bis Io A/cm Impulsfrequenz: ψ = 1o bis o,1 sec" (T = o,1 bis 1o see) Impulsbreite.?: t = Io bis looo ms = o,oo1 bis 1 see damit Tastverhältnis ψ = o,o5 bis ο,5.

Der erzielte 5³~2iⁿ^^>rucn l^a6 i^m Mittel bei 1o bis 4o >' bei einem Siliciumeinkristall mit einem· spezifischen '.Viderstand von 6o bis 7ο Ohm.cm.

Figur 4 zeigt den radialen '.Viderr. t^# ::I.iver"iauf (durchgezeichn^v Kurve) einer; nach dem erf indurigs._:v":!.:^;i.;en Verfahren heiles to Π ο versetzungsfreien ( 11 1)-orientier Ut: rilici umninkristü llei;. Dabei ist al.=: Ordinate der el ektr i.-;r.h<* '.Vi !orrtand in Chn.cm und als Abszisse die Flächenausdehrmii" einer uus Silicium bestehf;nden Kristallscheibe v^n Rand zu Rand dargestellt.

VPA 9/1 ίο/1o87 . _ßÄD ORIGINAL

3 O 9 in 2 I 1 O U 5

_ ₆ _ 220U86

Zum Vergleich int in der mit der gestrichelten Linie dargestellten Knrve ein "normaler" ξ -Einbruch abgebildet

1o Patentansprüche
4 Figuren

BAD OBiGiNAL VPA 9/11 o/io87 3 O 9 B 3 .: /10 4 5

Claims

Pa t e η t a η s ό r ü c h e

1. Verfahren zur Beeinflussung des radialen V/iderstandsverlaufe in einen; Halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten HaIbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließender., die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung:, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterstab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, da£ während des Zonenschmelzens mindestens eine der beiden, die Schmelze tragenden Stabhalterungen durch Zufuhr von Energie in axialer Richtung beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Energie durch elektrische Stromimpulsfolgen bewirkt v/ird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Energie durch Schallimpulsfnlgen bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da.': der Grad der von außen auf die Stabhalterung zugeführten Zne durch die Amplitude, durch das Tastverhältnis und die Impuls breite der Energiequelle variiert und beeinflußt wird.

5. Verfahren nach Anspiuxch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallimpulsfolgen mittels el ektrome chani scher Schal geber mit einer Frequenz von mehr als 2o kHz erzeugt werden, und über ein Koppelmedium, welches zwischen Stab und Stathalterung geschaltet ist, auf den Stab übertragen werden.

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3098-r'M(KB * BADOR^lNAi,

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gekühlte magnetostriktive Schallgeber verwendet werden.

7· Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gekühlte piezoelektrische Schallgeber verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallgeber verwendet werden, welche periodisch getastet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß rechteckförmige elektrische Stromimpulse verwendet werden.

1o. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsamplitude A ungefähr auf o,1 bis 1oA/cm , die Impulsfrequenz 1/T auf ungefähr 1o bis o,1 sec" (T = o,1 bis 1o see), die Impulsbreite t auf ungefähr 1o bis 1ooo ms = o_to1 bis 1 see und damit das Tastverhältnis t/T auf ungefähr o,o5 bis o,5 eingestellt wird.

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