DE2234515B2

DE2234515B2 - Verfahren zum Herstellen von (Umorientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abfallendem spezifischen Widerstand

Info

Publication number: DE2234515B2
Application number: DE19722234515
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Keller; Alfred Dipl.-Ing. Dr. Muehlbauer; Konrad Dipl.-Chem. Dr. 8011 Vaterstetten Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1972-07-13
Publication date: 1980-07-31
Also published as: CA1009548A; FR2192871B1; BE802325A; GB1375133A; DK143456B; DE2234515A1; DK143456C; IT992610B; DE2234515C3; NL7304672A; FR2192871A1

Description

TO

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von (lil)-orientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte hin abfallendem spezifischem ">"> Widerstand durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen beiden Enden gehalterten, dotierten Halbleiterkristallstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem (lll)-orientierten Keimkristall ausgehend die Schmelzzone in Richtung der Stabachse des Vorratsstabteils bewegt wird.

Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von ^b5 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 mindestens 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 Werte aufweisen, d. h, bei der Herstellung dieser Kristallstäbe wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des tiegelfreien Zonenschmelzens angestrebt, damit die Dotierungsstoffverteilung möglichst homogen über den Querschnitt des Siliciumkristalistabes erfolgt.

Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, z. B. von überkopfzündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches vorzugsweise aus (1 Umorientierten Siliciumkristaiischeiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen gezielten Einbruch des elektrischen spezifischen Widerstands (ρ) aufweisen. Für andere Leistungsbauelemente ist es z. B. vorteilhaft, bei homogenem ρ-Verlauf in der Scheibenmitte einen gezielten Randanstieg des spezifischen Widerstandes zu haben.

Die F i g. 1 und 2 der Zeichnung zeigen Widerstandsprofile, wie sie für überkopfzündfeste Thyristoren (Fig. 1) und für Hochleistungsdioden (Fig. 2) verwendet werden. Dabei ist als Ordinate der spezifische elektrische Widerstand ρ in Ohm · cm und als Abszisse der Radius der Kristallscheibe aufgetragen. Die parallel zur Ordinate verlaufende gestrichelte Linie soll die Scheibenmilie anzeigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die in den F i g. 1 und 2 aufgezeigten Widerstandsprofile durch tiegelfreies Zonenschmelzen in Halbleitereinkristallstäben, insbesondere in versetzungsfreien (11 ^-orientierten Siliciumeinkristallen, zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Achsenversetzung Vorratsstabteil: Halbleiterkristallstab auf kleiner als 10% des Durchmessers des herzustellenden Halbleiterkristallstabes, die Ziehgeschwindigkeit auf höchstens 3,5 mm/min und die Drehgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung auf einen höheren Wert als die der oberen Stabhalterung eingestellt werden.

Vorzugsweise liegt die Ziehgeschwindigkeit im Bereich von 0,2 bis 2 mm/min.

Folgende, in der F i g. 3 dargestellte Überlegungen haben zu dem Verfahren gemäß der Lehre der Erfindung geführt: Es ist bekannt, daß beim Ziehen von (lll)-orientierten Siliciumkristallen 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 versetzungsfreien 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 (lll)-Facette quasi als Kristallisationskeime, bevor der starke Unterkühlungs-Krad erreicht ist, der für versetzungsfrei wachsende

Stäbe charakteristisch ist Die Atomschicht beginnt vorzeitig lateral (horizontal) vorzuschießen; die Facette ist in diesem Fall klein.

Es ist ferner bekannt, daß im Facettenijereich der Dotierstoff 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 Thyristorsiiicium bevorzugt versetzungsfrei hergestellt wird ist die Facette und damit auch der ρ-Einbruch besonders tief und räumlich weit ausgedehnt. Mit dem Bezugszeichen 1 in Fig.3 ist der wachsende Siliciumkiistall 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 Wachstumsrichtung des Kristalls in (111)-Richtung an.

Käufig schließt sich an einen der Schmelze zu konvex gewölbten facettierten Innenbereich 6 der Crenzfläche am Rand noch ein ringförmiger konkaver Bereich 7 an. Es wurde festgestellt, daß sich auch hier längs dieses Ringes 7 meist ein Dotierstofimaximum befindet, das von Nachteil bei der Bauelementeherstellung ist. Wünscht man einen begrenzten ρ-Einbruch in der Stabmitte, wie er bei den überkopfzuzündenden Thyristoren vorhanden sein soll, so kann dieser, wie durch die Lehre der Erfindung vorgesehen, durc 1 eine Beeinflussung der Form der Grenzfläche fest-ilüssig erzielt werden.

F i g. 4 zeigt die Form der fest-flüssig-Phasengrenze, Jo wie sie durch die Erfindung erreicht wird. Dabei ist wieder mit dem Bezugszeichen 1 der rekristallisierte Siliciumkristall und mit 2 die Süiciumschmelze bezeichnet. Die Linie 8 zeigt den Verlauf der Schmelzisothermen und die Linie 9 die Phasengrenze fest-flüssig. Außer J5 der in der Mitte auftretenden (lll)-Facette 10, deren Breite durch die Merkmale gemäß der Lehre der Erfindung beeinflußt wird, sind keine weiteren Facetten zu erwarten. Die in Fig. 3 im Randbereich 7 vorhandenen Nebenminima im ρ-Profil sind verschwunden.

Beim Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist es von Bedeutung, daß beim konzentrischen Ziehen die Achsenversetzung während des Zonenschmelzen kleiner als 10% des Durchmessers des herzustellenden Halbleiterkristallstabes eingestellt wird.

Dies bedeutet für einen Stabdurchmesser ve η 50 mm eine Achsenverseuung von kleiner als 5 mm, vorzugsweise kleiner als 4 mm bei Stabdurchmessern von 35 bis 45 mm. Die Abweichung von der (lll)-Orientierung sollte unter 1,5 Grad liegen.

Als besonders vorteilhaft für die Ausbildung der gewünschten Form der Phasengrenze hat sich eine Nachbeheizung des Randbereiches des aus der Schmelze rekristallisierten Stabes erwiesen. Diese Nachbeheizung kann induktiv oder durch IR-Strahlung erfolgen.

Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfinaung der Vorratsstabteil in Nähe der Schmelzspule gekühlt wird, beispielsweise mittels eines aus Argon bestehenden Gasstroms.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Durchmesserverhältnis Vorratsstabteil D: Einkristallstab d auf größer als 0,6 und kleiner als 2, vorzugsweise auf 1,3 :1, eingestellt wird. Das Verhältnis Schmelzzonenhöhe Λ : Stabdurchmesser d sollte größer als 0,5 und kleiner als 1 sein, das heißt, bei einem Einkristallstabdurchmesser von 30 mm wird zweckmäßigerweise eine Schmelzzonenhöhe von 25 mm, bei einem Stabdurchmesser von 45 mm eine Schmelzzonenhöhe von 26 mm und bei einem Stabdurchmesser von 70 mm eine Schmelzzonenhöhe von 28 bis 30 mm eingestellt.

Des weiteren läßt sich auch die gem ³P der Erfindung gewünschte Breite der Facette in iiabmittp dadurch erzeugen, daß die Drehgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung im Vergleich zur oberen Stabhalterung sehr viel schneller eingestellt wird, das heißt, die Drehgeschwindigkeit des untenliegenden Keimkristalls wird beispielsweise auf einen Bereich von 10 bis 100 UpM eingestellt, während für den obenliegenden Vorratsstabteil eine Umdrehungsgeschwindigkeit von kleiner als 10 UpM gewählt wird. Dies bedeutet, daß bei einem Siliciumeinkristallstab vom gewünschten Stabdurchmesser von beispielsweise 33 mm eine Rotationsgeschwindigkeit des oberen Stabteils von 5 UpM und des unteren Γ' bteils von 35 UpM eingestellt wird. Für einen Stabdurchmesser von 45 mm gelten für den unteren Stabteil 15UpM, für den oberen Stabteil 5 UpM und für einen Kristalistabdurchmesser von 18 mm wird unten eine Rotationsgeschwindigkeit von 90 UpM eingestellt, während sich die obere Stabhalterung nicht dreht.

Fertige Einkristallstäbe mit örtlich eng begrenzten starken Widerstandsschwankungen (zum Beispiel durch ρ-Spikes. Striations und Nebenminimas) können für überkopfzündbare Thyristoren verwendbar gemacht werden, wenn 3ie in Weiterbildung des Erfindungsgedankens möglichst nahe am Schmelzpunkt des Halbleitermaterials in Schutzgasatmosphäre oder in Luft getempert werden. Für Siliciumeinkristallstäbe ist dabei eine Temperung in einem Bereich von 1300 bis 1400⁰C im Zeitraum von fünf Stunden in einem Siliciumrohr ausreichend. Ein breiter Widerstandseinbruch in der Stabmitte bleibt dabei erhalten; ein eng begrenzter Widerstandseinbruch wird eingeebnet.

Durch das Verfahren nach der Lehre dei Erfindung konnten in Siliciumeinkristallstäben in der Stabmitte ρ-Einbrüche im Bereich von 30 bis 60% erreicht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von (ni)-orientierten Halbleiterkristallstäben mit zur Stabmitte hin abfallendem spezifischem Widerstand durch tiegel- ■> freies Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen beiden Enden gehalterten, dotierten Halbleiterkristallstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem (11 l)-orientierten Keimkristall ausgehend die Schmehzone in Richtung der Stabachse des Vorratsstabteils bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsenversetzung Vorratsstabteil: Halbleiterkristallstab auf kleiner als 10% des Durchmessers des herzustellenden Halbleiterkristallstabes, die Ziehgeschwindigkeit auf höchstens 3,5 mm/min und die Drehgeschwindigkeit der unteren Stabhalterung auf einen höheren Wert als die der oberen Stabhalterung eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ziehgeschwindigkeit von 0,2 bis 2 mm/min eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich des aus der Schmelze rekristallisierten Stabes beheizt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsstabteil in Nähe der Schmelzspule mittels eines Gasstroms gekühlt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis Vorratsstabteil (D): Einkristallstab (d) auf größer als 0,6 und kleiner als 2 eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis D: d auf ^ 1,3 :1 eingestellt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Schmelzzonenhöhe Λ: Stabdurchmesser d größer als 0,5 und kleiner als 1 eingestellt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des untenliegenden Keimkristalls auf 10 bis 100 UpM eingestellt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des obenliegenden Vorratsstabteiles auf kleiner als 10 UpM eingestellt wird.