DE2241710A1

DE2241710A1 - Vorrichtung zum zuechten von halbleitereinkristallen nach dem horizontalen bridgman-verfahren

Info

Publication number: DE2241710A1
Application number: DE2241710A
Authority: DE
Inventors: David William Boss; Edward Melvin Hull; Salvatore James Scilla
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1972-08-24
Publication date: 1973-03-22
Also published as: DE2241710B2; GB1343384A; FR2154458A1; FR2154458B1; JPS5239389B2; DE2241710C3; JPS4840374A; US3796548A

Description

Vorrichtung zum Züchten von Halbleitereinkristallen nach dem horizontalen Bridgman-Verfahren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Züchten von Halbleitereinkristallen aus zwei Komponenten, von denen die eine bei der Züchtungstemperatur leicht flüchtig ist, nach dem horizontalen Bridgman-Verfahren, bei dem ein das geschmolzene Halbleitermaterial und einen Keimkristall enthaltendes, aus Quarzglas mit sandgestrahlter Oberfläche hergestelltes und in einem zugeschmolzenen Quarzrohr stehendes Züchtungsboot durch einen Ofen, der einen Abschnitt mit einem abfallenden Temperaturprofil hat, mit dem Keimkristall voraus in Richtung des Temperaturabfalls gezogen wird, wobei immer ein Teil des Halbleitermaterials sich auf Schmelztemperatur befindet.

Unter den sehr unterschiedlichen Verfahren zur Züchtung von Halbleitereinkristallen ist das horizontale Bridgman-Verfahren eines der bekanntesten. Der bei der Züchtung verwendete Ofen hat zwei durch den Abschnitt mit dem abfallenden Temperaturprofil getrennte, voneinander unabhängig regelbare und auf unterschiedliche Temperaturen eingestellte Temperaturzonen. Das Züchtungsboot befindet sich in einem waagrecht liegenden Ofenrohr, in dem es sich horizontal verschieben läßt. Die heißere Ofenzone ist auf eine Temperatur oberhalb und die

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kältere Ofenzone auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleltermaterials eingeregelt. Zu Beginn des Züchtens steht das Züchtungsboot so im Temperaturgradienten, daß die Stelle, an der der Keimkristall die Schmelze berührt, eine Temperatur hat, die dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials entspricht.

Da die eine Komponente der Schmelze bei deren Schmelztemperatur leicht flüchtig ist, ist es notwendig, das Züchtungsboot in einem evakuierten Quarzrohr einzuschmelzen. Die Schmelze ist im allgemeinen entsprechend der gewünschten Verbindung im Einkristall zusammengesetzt und wird aus ihren im richtigen Mengenverhältnis vorhandenen Bestandteilen vor der Züchtung im bereits abgeschmolzenen Quarzrohr erzeugt. Die Schmelze wird unter einem Druck gehalten, der dem bei der Dissoziation der geschmolzenen Verbindung bei ihrem Schmelzpunkt sich einstellenden Dampfdruck der leichter flüchtigen Komponente entspricht. Einzelheiten beschreiben T.S. Plaskett u.a. im Journal of the Electrochemical Society, Solid State Science, Januar 1971, Seite 115 am Beispiel des Galliumarsenids.

Im allgemeinen wird das Züchtungsboot aus Quarzglas hergestellt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, die Oberfläche des Quarzglases sandzustrahlen, weil dadurch ein Benetzen des Quarzglases mit der Schmelze verhindert wird.

Die ersten Züchtungsbootkonstruktionen bestanden aus halbzylindrischen Wannen, an deren einem Ende sich der Keimkristall eingebettet in pulverisiertem Quarzglas und im Kontakt zur Schmelze befand.

Später wurde es als günstig angesehen, eine gesonderte, zu der Hanne mit der Schmelze geöffnete Höhlung zur Aufnahme des Keimkristalls anzubringen. Man hoffte, dadurch größere Einkristalle aus kleineren Keimkristallen, als das vorher möglich war, zu

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ziehen. Bei diesen Bootkonstruktionen 1st die radiale, thermische Symmetrie zur Kristallwachstumsachse nicht gewährleistet, was die erwünschte Wachsturnsrichtung entlang der horizontalen Achse des Bootes behindert oder zu polykristallinem Wachstum führt. Außerdem haben die in diesen Züchtungsbooten gezogenen Einkristalle keine einheitliche und reproduzierbare kristallographische Orientierung zur Achse des Bootes. Es ist schwierig, aus so deformierten Einkristallen Blättchen der gewünschten Gestalt und Kristal !orientierung für die Produktion integrierter Schaltkreise zu gewinnen.

Es wurde auch erkannt, daß die Ausbildung der flüssig-festen Grenzfläche wesentlich mitbestimmt, ob das gewünschte Einkri- . stallwachstum oder aber Zwillingsbildung oder gar polykristallines Wachstum stattfindet. Jedoch war es bisher nicht möglich, die Gestalt der flüssig-festen Grenzfläche gezielt und reproduzierbar festzulegen.

Eine Züchtung nach bekannten Verfahren, wobei die diskutierten Schwierigkeiten auftreten, wird z.B. in der US-Patentschrift 3 520 810 beschrieben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit hoher Ausbeute, aus zwei Bestandteilen zusammengesetzte Halbleitereinkristalle zu ziehen, die eine konstante, festgelegte und reproduzierbare kristallographische Orientierung zur Wachstumsrichtung haben, über ein möglichst langes Stück gerade wachsen und einen konstanten, festgelegten und reproduzierbaren Querschnitt senkrecht zur Wachstumsrichtung haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß das Züchtungsboot aufgebaut ist aus einem zur Aufnahme des Halbleitermaterials vorgesehenen und nach oben offenen ersten Abschnitt, der an seinem äußeren Ende abgeschlossen ist in der Form eines Bootsbugs und der sich an seinem anderen Ende koaxial verjüngt zu einem am Ende und nach

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oben offenen, zweiten Abschnitt zur Aufnahme des Keimkristalls, daß auf den zweiten Abschnitt ein scheibenförmiger, durchbohrter Hitzereflektor aufgesteckt ist, dessen Normale zur Bootsachse geneigt ist, und daß das offene Ende des zweiten Abschnitts mit einem die Hitze abstrahlenden,zur Bootsachse koaxial angeordneten Körper verschlossen ist.

Der Hitzereflektor stellt die radiale, thermische Symmetrie speziell in dem Bereich des Boots sicher, in dem sich der erste Abschnitt verjüngt zum zweiten Abschnitt und in dem das Kristallwachstum seinen Anfang nimmt. Der hitzeabstrahlende Körper gibt der fest-flüssigen Grenzfläche eine konvexe Ausbildung in Richtung auf die Schmelze. Beide Vorrichtungen erleichtern die Kontrolle des Kristallwachstums und verhindern insbesondere polykristallines Wachstum.

Es ist vorteilhaft, wenn der hitzeabstrahlende Körper aus Quarzglas hergestellt ist und seine Enden flammenpoliert sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteilhaft anwenden, wenn die beiden Komponenten des Halbleitermaterials aus Gallium und Arsen gebildet werden.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Züchtungsbootes,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Züchtungsboot,

durch das Quarzrohr, in das das Boot eingeschmolzen ist und durch den Zweizonenofen,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Züchtungsboot im Fi 971 032 309812/1102

Längsschnitt, der die Schmelze, den Keimkristall, den Hitzereflektor und den wärmeabstrahlenden Körper erkennen läßt und

Fig. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden Ausschnitt aus

dem Züchtungsboot von oben gesehen, in dem Pfeile die Richtung des Wärmeflusses veranschaulichen.

Die Fig. 1 zeigt eine spezielle Ausführung des Boots für die Züchtung von Halbleitereinkristallen. Der halbzylindrische, zur Aufnahme der Schmelze bestimmte Abschnitt 1 verjüngt sich im Abschnitt 2 koaxial zum Abschnitt 3; der auch halbzylindrisch ausgebildet ist. Der Abschnitt 3 dient zur Aufnahme des Keimkristalls.

Ein scheibenförmiger, durchbohrter Hitzereflektor 4, der über den Abschnitt 3 geschoben ist und dessen Normale zur Bootsachse geneigt ist, befindet sich bei der Mitte von Keimkristall 5. Der Hitzereflektor 4 hat, wie die Fig» 4 illustriert, die Aufgabe, vom Abschnitt 2 abgestrahlte Wärme zu diesem zurückziareflektieren und dadurch Wärmeverluste an dem konischen Abschnitt 2 zu verhindern. Die daraus resultierende Temperaturstabilisierung verhindert lokale, kalte Stellen, die polykristalline Kristallisation begünstigen würden und dadurch eine Qualitätsverminderung des fertigen Kristalls und infolgedessen eine verminderte Ausbeute verursachen würden.

Der wärmeabstrahlende Körper 6 besteht aus einem glatten, nicht sandgestrahlten Quarzglaszylinder, mit flammenpolierten Enden. Dieser Quarzzylinder strahlt Wärme in Richtung der Bootsachse in den kälteren Abschnitt des Ofens ab. Einzelheiten werden im Zusammenhang mit Fig. 2 erklärt. Die durch die beschriebene Ausstattung des Boots gewährleistete, radiale, thermische Symmetrie sorgt dafür, daß der Kristall entlang der Bootsachse wächst, ohne davon wesentlich abzuweichen.

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Die Fig. 2 zeigt das Züchtungsboot in einem geschlossenen Rohr, das seinerseits in einem Zwei-Zonen-Ofen liegt. Die heiße Zone wird auf einer Temperatur gehalten, bei der einerseits das Halbleitermaterial geschmolzen ist und andererseits eine flüssigfeste Grenzfläche an der Stelle 9 zwischen dem geschmolzenen Material 8 und dem Keimkristall 5 sich bildet und erhalten bleibt.

Die fest-flüssige Grenzfläche an der Stelle 9 hat eine leicht konvexe Ausbildung in Richtung der Schmelze. Diese Ausbildung der Grenzfläche rührt her von dem relativ hohen Hitzeabfluß in der Rohrachse im Verhältnis zur radialen Abstrahlung. Die Pfeile IO und 11 in der Fig. 4 sollen die Verhältnisse verdeutlichen. Wäre die radiale Abstrahlung relativ höher als die axiale, würde sich eine in Richtung der Schmelze konkave Ausbildung der Grenzfläche ergeben, was sich nachteilig auf die Züchtung von weitgehend defektfreien Kristallen auswirken würde.

Im folgenden wird die beschriebene Kristallzüchtungsanordnung bei ihrer Verwendung für das Züchten von dotierten oder undotierten Galliumarsenid-Einkristallen näher erläutert.

Allgemein gesprochen läßt man stöchiometrische Mengen von Gallium und Arsen in einem geschlossenen Rohr, das einem Temperaturgradient zwischen etwa 614 und etwa 1240 ⁰C ausgesetzt wird, miteinander reagieren. Arsen verdampft bei 614 ⁰C und bei 1240 ⁰C bildet sich eine fest-flüssige Grenzfläche im Galliumarsenid aus.

Zur Züchtung wird ein Zwei-Zonen-Ofen, wie ihn die Fig. 1 zeigt, mit einer kalten Zone 12 und einer heißen Zone 13, die voneinander durch eine Isolation 14 getrennt sind, benutzt. Eine bestimmte Menge Gallium und die gewünschte Menge des Dotierüngsstoffs werden in den Abschnitt 1 des Züchtungsboots eingefüllt und ein vorbereiteter Keimkristall mit der gewünschten kristallographischen Orientierung zur Kristallachse wird in den Abschnitt 3 des Züchtungsboots gelegt. Anschließend wird das Züchtungsboot und

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eine so große Menge Arsen, daß nach der vollständigen Umsetzung mit der Galliummenge zu Galliumarsenid noch so viel Arsen im Überschuß vorhanden ist, daß bei 1 Atmosphäre Druck, d.h. bei etwa 614 ⁰C noch kondensierte Arsenphase übrig bleibt, in ein einseitig geschlossenes Quarzrohr 7 gebracht.

Anschließend wird ein Stück einseitig geschlossenes Quarzrohr 15 in das Quarzrohr 7 eingeschoben, dann wird auf 10 Torr evakuiert und schließlich an der Stelle, wo sich das Rohr 15 befindet, abgeschmolzen. Rohr 7 wird nun in den Ofen geschoben, auf thermisches Gleichgewicht gebracht und so positioniert, daß das dotierte Gallium sich in der heißen Zone befindet und geschmolzen gehalten wird. Hat das Arsen mit dem Gallium reagiert, so bildet sich die flüssig-feste Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen Galliumarsenid und dem Keimkristall an der Stelle im Ofen aus, die etwa 1240 ⁰C heiß ist.

Das Rohr 7 wird nun mit der gewünschten Kristallziehgeschwindigkeit in Richtung der kalten Zone Bewegt. Dabei bleibt die flüssig-feste Grenzfläche am 1240 C-Punkt stehen, oder mit anderen Worten, die Schmelze kristallisiert in horizontaler Richtung, wobei sich die flüssig-feste Grenzfläche vom Keimkristall wegbewegt. Ist die Schmelze vollständig in den kristallinen Zustand übergegangan, läßt man das Rohr 7 langsam auf Raumtemperatur abkühlen, um einen thermischen Schock zu vermeiden. Dann wird das Rohr geöffnet und das Züchtungsboot mit dem Einkristall . wird herausgeholt.

Mit dem bekannten Verfahren der Galliumarsenid-Einkristallherstellung wurde eine zehnprozentige Ausbeute an brauchbaren Einkristallen erzielt. Die Ausbeute mit dem beschriebenen Verfahren beträgt mehr als 60 %. Gleichzeitig wurde eine wesentliche bessere Reproduzierbarkeit des gewünschten Kristallorientierung in bezug auf die Kristallachse mit dem beschriebenen Züchtungsboot erreicht. Außerdem waren die Abmessungen der aus den Kristallen hergestellten Blättchen so reproduzierbar, wie es die in der

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Produktion eingesetzten Geräte und damit ein rationeller Herstellungsprozeß verlangen.

Es soll noch angemerkt werden, daß der Querschnitt des Züchtungsbootes nicht notwendigerweise halbzylindrisch sein muß.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Züchten von Halbleitereinkristallen aus zwei Komponenten, von denen die eine bei der Züchtungstemperatur leicht flüchtig ist, nach dem Horizontalen Bridgman-Verfahren, bei dem ein das geschmolzene Halbleitermaterial und einen die Schmelze berührenden Keimkristall enthaltendes, aus Quarzglas mit sandgestrahlter Oberfläche hergestelltes und in einem zugeschmolzenen Quarzglas stehendes Züchtungsboot durch einen Ofen, der einen Abschnitt mit einem abfallenden Temperaturprofil hat, mit dem Keimkristall voraus in Richtung des Temperaturabfalls gezogen wird, wobei immer ein Teil des Halbleitermaterials sich auf Schmelztemperatur befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Züchtungsboot aufgebaut ist aus einem zur Aufnahme des Halbleitermaterials (8) vorgesehenen, nach oben offenen ersten Abschnitt (1), der an seinem äußeren Ende abgeschlossen ist' in der Form eines Bootsbugs und am anderen Ende sich koaxial verjüngt zu einem am Ende und nach oben offenen zweiten Abschnitt (2) zur Aufnahme des Keimkristalls (5), daß auf den zweiten Abschnitt (2) ein scheibenförmiger, durchbohrter Hitzereflektor (4) aufgesteckt ist, dessen Normale zur Bootsachse geneigt ist, und daß das offene Ende des zweiten Abschnitts (2) mit einem die Hitze abstrahlenden,, zur Bootsachse koaxial angeordneten Körper (6) verschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (1, 3) des Züchtungsbootes halbzylindrisch und der wärmeabstrahlende Körper (6) zylindrisch ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabstrahlende Körper (6) aus Quarzglas hergestellt ist und seine Enden flammenpoliert sind.

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4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Komponenten des Halbleitermaterials aus Gallium und Arsen gebildet werden.

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