DE2234512A1 - Verfahren zum herstellen von (111)orientierten halbleitereinkristallstaeben mit zur stabmitte abfallendem spezifischem widerstand - Google Patents

Verfahren zum herstellen von (111)orientierten halbleitereinkristallstaeben mit zur stabmitte abfallendem spezifischem widerstand

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Description

Verfahren zum Herstellen von (111)-orientierten. Halbleitereinkristallstä"ben mit zur Stabmitte abfallendem spezifischem Widerstand
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von (111)-orientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abfallendem spezifischem Widerstand durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelzzone in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterkristallstab bewegt wird.
Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreieo Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Halbleiterstäbe, insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt werden, daß man eine Schmelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Halbleiterstabes (Vorratsstabteil) wandern läßt. Der Halbleiterstab wird hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt, wobei min~. destens die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallstäbe für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, welche in bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf sehr gleichmäßige
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Werte aufweisen, das heißt, bei der Herstellung dieser Kristallstäbe wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des tiegelfreien Zonenschmelzen angestrebt, dami-t die Dotierungsstoffverteilung möglichst homogen über den Querschnitt des Siliciumkristallstabes erfolgt.
*- ο
Pur die Herstellung von Halbleitermaterial- für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, zum Beispiel von überkopfzündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches vorzugsweise aus (11T)-orientierten SiIiciuffikriotallscheiben besteht, die in der !.litte der Kristallscheibe einen gesielten Einbruch des elektrischen spezifischer: Widerstandes (Q) aufweisen. Für andere Leistungsbauelemente ist es zum Beispiel vorteilhaft, bei homogenem ρ-Verlauf in der Scheibennitte einen gezielten Sanaanstieg des spezifischen Widerstandes zu haben.
Die' Figuren 1 und 2 der-Zeichnung zeigen Y/iderstandsprofile, wie sie für Überkopfzündfeste Thyristoren (Fig. 1) und für Hochleistungsdioden (Fig. 2) verwendet werden. Dabei ist als Ordinate der spezifische elektrische Widerstand O in Ohm'cm und als Abszisse der Radius der Kristallscheibe aufgetragen. Die. parallel zur Ordinate verlaufende gestrichelte linie soll die Scheibenmitte anzeigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die in den Fig. 1 und 2 aufgezeigten Widerstandpprofile durch tiegelfreies Zonenschmelzen in Halbleitereinkristallstäben, insbesondere in versetzungsfreien (111)-orientierten Siliciumeinkristallen, zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß durch konzentrisches oder nahezu konzentri- ■ sches Ziehen des Einkristallstabes aus einem Vorratsstab mit
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größerem' Durchmesser als der herzustellende Einkristallstab mit schneller Ziehgeschwindigkeit eine stetig konkav gekrümmte Grenzfläche an der Phasengrenze .fest-flüssig erzeugt wird, an die nur. in der Stabmitte eine (111)»Tangente angelegt werden kann.
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß eine Ziehgeschwindigkeit von mindestens 3,5 mm/min eingestellt wird. Vorzugsweise liegt die Ziehgeschv/indigkeit bei 5,5 mm/min.
Beim konzentrischen Ziehen soll die Achsenversetzung kleiner sein als 10 cß> des Durchmessers des herzustellenden Halbleitereinkristalls.
Folgende,. in der Pig. 3 dargestellte Überlegungen haben zu dem Verfahren gemäß der lehre der Erfindung geführt:
Es ist.bekannt, daß beim Ziehen von (111)-orientierten SiIiciumkristallen mit zur Schmelze konvex gewölbter Phasengrenze sich eine (111)-Facette ausbildet, insbesondere dann, wenn der Stab konzentrisch gezogen wird. Diese vornehmlich in der Stabmitte befindliche Facette wird um so größer sein, je ungestörter der Kristall wachsen kann. Sie ist beim versetsungsfreien Kristall besonders prägnant ausgebildet. Dies rührt daher, daß beim versetzungsfrei wachsenden Kristall die für die Bildung eines Kristallisationskeims auf der Facette notwendige Unterkühlung größer ist als beim versetzungsbehafteten Silicium. Die Versetzungen wirken auf der (111 )-Facett.e quasi als Kristallisationskeime, bevor der'starke Unterkühlungsgrad erreicht ist, der für versetzungsfrei wachsende Stäbe charakteristisch ist. Die Atomschicht beginnt vorzeitig lateral (horizontal) vorzuschießen; die Facette ist in diesem Fäll klein.
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Es ist ferner "bekannt, daß im Facettenbereich der Dotierungsstoff in größerer Konzentration in den Kristall eingebaut wird als außerhalb der Facette. Dies bedeutet einen Einbruch des spezifischen Widerstandes des Stabes im Bereich dieser (111) — Facette. Da Thyristorsilicium bevorzugt versetzungsfrei hergestellt wird, ist die Facette und damit auch- der P-Einbruch besonder« tj ef und räumlich :veit ausgedehnt.
Mit dem Bezugszeichen 1 in Fig. 3 ist der wachsende Silieiunikristall bezeichnet, mit 2 die Schmelze; die Linie 3 zeigt den Verlauf der Schmelzisothermen an und die Linie 4 die Phasengrenze fest-flüssig. Der Pfeil 5 gibt die V/achstumsrichtimg , des Kristalls in (111)-Richtung an.
Häufig schließt ε-ich an einen konvex gewölbten facettierten Innenbereich 6 der Grenzfläche am Rand noch ein ringförmiger konkaver Bereich 7 an. Dieser konkave Bereich 7 wird entsprechend .dem in Stabmitte auftretenden Hauptminimum. im P-Profil als Iiebenninirmi im «-Profil bezeichnet. Es wurde festgestellt, daß sich auch hier längs des Ringes 7 ein Dotierstoff·- maximum befindet. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, durch die Beeinflussung der Form der Grenzfläche fest-flüssig dieses im Nebenminimum liegende Dotierstoffmaximum und damit« den konkaven Bereich in die Stabmitte zu verschieben.
Fig. 4 zeigt die Form der fest-flüssig-Phasengrenze, wie sie durch die Erfindung erreicht wird. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 1 der rekristallisierte Siliciumstab und mit 2 die Siliciumschmelze bezeichnet. Die Linie 8 zeigt den Verlauf der Phasengrenze fest-flüssig, und die waagrechte Linie 9 soll die nur in Stabmitte anlegbare (111)-Tangente darstellen. Durch den Pfeil 10 wird die Y/achstumsrichtung des Kristalls in (111)*Richtung angezeigt, das heißt, bei untenliegenden Keimkristall wächst der EinkristalLstab von unten nach oben. Das
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DurchiaeSserverhältnis Vorratsstabteil 3D : Einkristallstab d wird auf mindestens 1,1 eingestellt, das heißt, es gilt die Beziehung D : d größör als 1,1. Im Ausführungsbeispiel wird aus einem 45 Bim dicken Vorratsstab bei eiiier Ziehgeschwindigkeit von 5,5 mm/min ein Einkristallstab von 33 nun- 0 gezogen.
Die nach dem Verfahren 'nach der Lehre der Erfindung hergestellten Siliciumeinkristallstäbe zeigen O-Einbrüche in der Stabmitte in einem Bereich von 20 bis 40 <fo.
Fertige Sinkristallstäbe mit örtlich eng begrenzten starken Y/iderstandsschwankungen können für überkopfzündbare Thyristoren verwendbar gemacht werden, wenn sie möglichst nahe am Schmelzpunkt des Haibleitermaterials in Schutzgasatmosphäre oder Luft getempert werden. Pur Silicium als Halbleitermaterial ist dabei eine Temperung 121 einem Bereich von 1300 bis 1400 0O während ca. fünf Stunden in einem.Siliciumrohr ausreichend. Ein breiter WiderStandseinbruch in der Stabmitte bleibt.- dabei erhalten. Ein eng begrenzter Widerstandseinbruch wird eingeebnet.
9 Patentansprüche -----
4 Piguren . .
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Claims (9)

_ 5 — Patentansp'r'üc he'
1. Verfahren zum Herstellen von (111)-orientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabraitte abfallendem spezifir schem Widerstand durch tiegelfreies Zonenschmelzen' eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Ilalbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden induktiven Heiseinrichtung, bei dein von einem Keimkristall ausgehend die Scheelζzone in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabtei'ls durch den Halbleiterkristallstab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet , daß durch konzentrisches oder nahezu konzentrisches Ziehen des Einkristallstabes aus einem Vorratsstab mit größerem Durchmesser- als der herzustellende Einkristallstab mit schneller Ziehgeschwindigkeit eine stetig konkav gekrümmte Grenzfläche an der Phasengrenze festflüssig erzeugt wird, an die nur in der Stabmitte eine (111)-Tangente angelegt v/erden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet , daß eine Ziehgeschwindigkeit von mindestens 3,5 mm/min eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Ziehgeschwindigkeit von vorzugsweise 5,5 mm/min eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet , daß beim konzentrischen Ziehen die Achsenversetzung kleiner als 10 io des Durchmessers des herzustellenden Halbleitereinkristallstabes eingestellt wird.
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5, Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis Vorrats sta"b : Einkristallstab auf größer als 1 ,.1 eingestellt Y/ird.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5» dad. urchge-
k c η η ζ e i c h η e t , daß in Anschluß an den Zonenschmelaprozeß der Hal"bleitereinkristallsta"b einer Temperung rjöglichst nahe am Schmelzpunkt des Halbleitermaterials -unn v/ird. " .
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch -gekennzeichnet , daß die Tenperung in Schutzgasatmosphäre oder Luft vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7» dadurch g e k e η η ζ e i ahnet , daß die Temperzeit auf mindestens fünf Stunden eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6-8, dadurch gekenn zeichnet , daß "zur Herstellung eines Siliciuiaeinkristallsta"bes mit zur Stat mit te anfallendem spezifischem Y/iderstand eine Temperung "bei. 1300 bis 1400 0G in einem Siliciumrohr durchgeführt wird.
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