DE2422022A1 - Dislocation-free (silicon) semiconductor monocrystal prodn. - with low carrier lifetime zones by hole and recombination centre prodn. - Google Patents

Dislocation-free (silicon) semiconductor monocrystal prodn. - with low carrier lifetime zones by hole and recombination centre prodn.

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Abstract

In the prodn. of dislocation-free semiconductor monocrystals, esp. of si, with zones of low carrier lifetime, zones with an elevated hole density are formed first by partial destruction of the crystal lattice and then defects of foreign atoms forming recombination centres are diffused into the lattice. alternatively, the foreign atoms are diffused into the crystal first and then partial destruction of the crystal lattice is carried out. The zones of elevated hole density can be produced by irradiating the crystal lattice with high-energy particles, pref. non-doping ions, esp. nitrogen, rare gas and/or halogen ions, alpha rays or neutron radiation, using an absorber screen, esp. of Cd, Gd or B, or high-energy x-rays, with a Pb screen. Alternatively, these zones can be produced by non-crucible zone melting of a Si monocrystal by the use of a strong radial temp. gradient at the solid/liquid phase boundary. Starting material for special integrated power elements with zones of varying carrier lifetime can be made reproducibly.

Description

Verfahren zum Herstellen von Halbleitereinkristallen, die Bereiche erniedrigter Trägerlebensdauer aufweisen.Process for the production of semiconductor single crystals, the areas have decreased carrier life.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien EIalbleitereinkristallen, insbesondere aus Silicium, die Bereiche erniedrigter Trägerlebensdauer aufweisen.The present patent application relates to a method of manufacturing of dislocation-free solid-state single crystals, in particular of silicon, the areas have decreased carrier life.

An versetzungsfreien Siliciumeinkristallscheiben mit relativ großen Durchmessern (größer 50 mm) wurden im zentralen Scheibenbereich mehr oder weniger ausgeprägte Vertiefungen beobachtet, die als Ätzdellen bezeichnet werden, weil sie beim Polierätzen in einem Flußsäure-Salpetersäure-Gemisch sichtbar gemacht werden0 Dieser Kristalldefekt tritt bevorzugt an Scheiben vom Keimkristallanfang auf und konnte an (111)- und (100)-orientierten Siliciumkristallen auch in anderen Teilen des Stabes nachgewiesen werden.On dislocation-free silicon single crystal wafers with relatively large Diameters (greater than 50 mm) were more or less in the central disk area pronounced pits are observed, which are referred to as etch dents because they can be made visible during polishing etching in a hydrofluoric acid-nitric acid mixture0 This crystal defect occurs preferentially on wafers from the beginning of the seed crystal could on (111) - and (100) -oriented silicon crystals in other parts as well of the rod.

Es wurde nun gefunden, daß es sich bei den sogenannten Ätzdellen um einen Gitterdefekt handelt, der sich bei kupferdekorierten Kristallscheiben im Gebiet der Ätzdelle durch kräftige Kupferausscheidungen bemerkbar macht. Ein ähnliches Ergebnis wird bei golddiffundierten Scheiben beobachtet0 Im Bereich der sogenannten Ätzdelle bildet sich eine stark erhöhte Goldkonzentration, wobei der Übergang vom nichtgestörten Gitter zum gestörten Kristall deutlich eine zusätz- -liche Goldanhäufung aufweist.It has now been found that it is the so-called etched dents is a lattice defect that occurs in copper-decorated crystal disks in the area which makes etched dents noticeable through strong copper precipitations. A similar The result is observed with gold-diffused disks0 in the area of the so-called Etched dent forms a greatly increased gold concentration, with the transition from undisturbed lattice to the disturbed crystal clearly an additional gold accumulation having.

Diese Erkenntnis macht sich die vorliegende Erfindung zunutze und stellt sich die Aufgabe, 1. auf künstlichem Wege diese Gitterdefekte bzw. Ätzdellen im Kristall herzustellen und 2. diese Bereiche für die Herstellung von Kristallen mit erniedrigter Trägerlebensdauer auszunutzen.This knowledge makes use of the present invention and The task arises, 1. these lattice defects or etched dents in an artificial way manufacture in the crystal and 2. these areas for the manufacture of crystals to be used with reduced carrier life.

Solche Halbleiterkristalle, insbesondere aus Silicium, werden zur Herstellung spezieller Leistungshalbleiterbauelemente verwendet.Such semiconductor crystals, in particular made of silicon, are used for Production of special power semiconductor components used.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß zunächst im Halbleitereinkristall Bereiche mit erhöhter Leerstellendichte durch teilweise Zerstörung des Kristallgitters hergestellt werden und daß dann in das gestörte Gitter Störstellen aus Rekombinationszentren bildenden Premdatomen eindiffundiert werden. Es ist aber ebenso möglich, daß zuerst in den Halbleiter Rekombinationszentren bildende Fremdatome eingebracht werden und dann im Halbleitereinkristall Bereiche mit erhöhter Beerstellendichte durch teilweise Zerstörung des Kristallgitters hergestellt werden. Das eindiffundierte Material befindet sich dann näher an den später zu erzeugenden Gitter störungen. Die Fremdatome werden dann auf Gitterplätzen stabil eingebaut und das in Konkurrenz zum festen Einbau der Störatome ablaufende Ausheilen des Kristalls kommt auf diese Weise weniger stark zum Zug.The invention solves the problem set in that initially in Semiconductor single crystal areas with increased vacancy density due to partial destruction of the crystal lattice and that then in the disturbed lattice impurities are diffused in from premdatoms forming recombination centers. But it is It is also possible that foreign atoms first form recombination centers in the semiconductor are introduced and then in the semiconductor single crystal areas with increased density of berries can be produced by partially destroying the crystal lattice. That diffused in Material is then closer to the grid disturbances to be generated later. The foreign atoms are then installed in a stable manner on lattice sites and that in competition For the permanent incorporation of the impurity atoms, the healing of the crystal takes place on this Way less strong to train.

In einer Weiterbildung des Erfindungagedankens ist vorgesehen, die Bereiche mit erhöhter Leerstellendichte durch Bestrahlung des Gitters mit hochenergetischen Teilchen unter Verwendung von Absorberblenden herzustellen. Dabei können entweder Ionen eingestrahlt werden, die keine Dotierung hervorrufen wie z.B. Stickstoff-, Edelgas- und/oder Halogenionen, oder es können auchoQ-Strahlen zur Gitterzerstörung verwendet werden.In a development of the inventive idea it is provided that Areas with increased vacancy density by irradiating the grid with high-energy Manufacture particles using absorber baffles. You can either Ions are irradiated that do not cause doping how e.g. nitrogen, noble gas and / or halogen ions, or oQ rays can be used to destroy the grid.

Eine weitere Möglichkeit bietet sich an durch eine Bestrahlung des Gitters mit Neutronen, oder durch Rötgenbestrahlung mit hoher Energie, wobei zur Abgrenzung der mit Gitterdefekten zu versehenden Bereiche des Kristalls Absorberblenden aus Blei verwendet werden. Bei der Ionenimplantation und der Neutronenbestrahlung verwendet man zweckmäßigerweise zur Abdeckung der Kristalloberfläche Absorberblenden aus Cadmium, Gadolinium oder Bor und auch aus Blei.Another possibility is to irradiate the Lattice with neutrons, or by X-ray irradiation with high energy, whereby for Delimitation of the areas of the crystal absorber diaphragms to be provided with lattice defects made of lead can be used. In ion implantation and neutron irradiation it is expedient to use absorber screens to cover the crystal surface from cadmium, gadolinium or boron and also from lead.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung werden die Bereiche mit erhöhter Leerstellendichte im Gitter beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines aus Silicium bestehenden-Halbleitereinkristalls dadurch erzeugt, daß ein stark radialer Temperaturgradient an der Phasengrenze festflüssig eingestellt wird. Dies geschieht beispielsweise bei einem Stabdurchmesser größer 50 mm durch Einstellung der Ziehgeschwindigkeit beim Zonenschmelzen auf Werte von 3 - 4 mm/Min.According to another embodiment according to the teaching of the invention are the areas with an increased density of vacancies in the grid in the case of crucible-free zone melting of a silicon semiconductor single crystal produced by a strong radial temperature gradient is set solid-liquid at the phase boundary. this happens, for example, with a rod diameter greater than 50 mm by setting the drawing speed during zone melting to values of 3 - 4 mm / min.

und der Drehgeschwindigkeit des rekristallisierten bzw. des Vorratsstabteils auf 5 bis 10 UpM.. Es wurde nämlich gefunden, daß die Entstehung einer sogenannten Ätzdelle - bedingt durch das gestörte Kristallgitter - eng mit den beim Abkühlen des Einkristalls auftretenden mechanischen Spannungen zusammenhängt. Durch randliche Kühlung des erstarrten Stabteils kann der radiale Gradient verstärkt werden.and the speed of rotation of the recrystallized and stock rod portions, respectively to 5 to 10 rpm. Namely, it has been found that the formation of a so-called Etched dents - due to the disturbed crystal lattice - close to those during cooling mechanical stresses occurring in the single crystal. By marginal Cooling the solidified rod part, the radial gradient can be increased.

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß als Rekombinationszentren bildende Fremdatome bei Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial die Elemente Gold, Platin oder Kupfer bei Temperaturen größer 8000 C in das gestörte Gitter eindiffundiert werden. Dabei ist die Diffusionszeit erheblich geringer als beim Vorhandensein eines nichtgestörten Gitters.It is within the scope of the present invention that as recombination centers foreign atoms that form the elements when silicon is used as the semiconductor material Gold, platinum or copper diffused into the disturbed lattice at temperatures above 8000 C will. The diffusion time is considerably shorter than with the presence of one undisturbed grid.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung kann im Bedarfsfall der Grad der Gitterstörung durch vorherige Temperung bei Temperaturen größer 8000 C während einer Zeitdauer von mehreren Stunden zum Teil wieder ausgeheilt werden.According to an embodiment according to the teaching of the invention can if necessary, the degree of lattice disruption due to prior annealing at temperatures higher than 8000 C partially healed again over a period of several hours will.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Figur im folgenden näher erläutert.The method according to the invention is illustrated below with reference to the figure explained in more detail.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Halbleitereinkristallscheibe aus Silicium bezeichnet, welche eine Scheibendicke von ungefähr>250/um aufweist. Auf dieser Kristallscheibe befindet sich ein aus Cadmium bestehendes, ca. 5 mm starkes Blech 2, welches mit einem Fenster 3 versehen ist, das einen Teil der Oberfläche der Kristallscheibe 1 freiläßt. Aus einer Neutronenquelle 4 werden Neutronen 5 auf die Siliciumscheibe 1 gestrahlt. Dadurch wird im Gebiet 6 das Kristallgitter teilweise zerstört (in der Fig. durch Punkte dargestellt). Im Ausführungsbeispiel ist dies die gesamte Dicke der Kristallscheibe. Es ist aber ebenso möglich, durch Bestrahlung mit Ionen sowie durch entsprechende Einstellung der Bestrahlungszeit auch nur bis zu einer bestimmten Tiefe das Kristallgitter zu stören.A semiconductor single crystal disk is denoted by the reference numeral 1 Designates silicon which has a slice thickness of approximately> 250 / μm. On this crystal disc there is a cadmium, approx. 5 mm thick Sheet 2, which is provided with a window 3, which is part of the surface the crystal disc 1 leaves free. Neutrons 5 are generated from a neutron source 4 the silicon wafer 1 blasted. As a result, the crystal lattice is partially in area 6 destroyed (shown in the figure by dots). In the exemplary embodiment this is the entire thickness of the crystal disk. But it is also possible by irradiation with ions as well as by setting the irradiation time accordingly only up to to disturb the crystal lattice to a certain depth.

Nach Abschluß des Bestrahlungsvorganges und nach Entfernung der Absorberblende werden dann in bekannter Weise Stoffe, die die Trägerlebensdauer im Kristall vermindern, z.B. Gold oder Kupfer, in die Kristallscheibe eindiffundiert.After completion of the irradiation process and after removing the absorber screen then, in a known manner, substances are used that reduce the carrier life in the crystal, e.g. gold or copper, diffused into the crystal disc.

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist es möglich, Ausgangsmaterial für spezielle integrierte Leistungsbauelemente mit Bereichen verschiedener Trägerlebensdauer gezielt und reproduzierbar herzustellen.By the method according to the teaching of the invention, it is possible to use starting material for special integrated power components with ranges of different carrier lifetimes to be produced in a targeted and reproducible manner.

14 Patentansprüche 1 Figur14 claims 1 figure

Claims (13)

Patentansprüche 1.) Verfahren zum Herstellen von versetzungsfreien Halbleitereinkristallen, insbesondere aus Silicium, die Bereiche erniedrigter Trägerlebensdauer aufweisen, d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t, daß zunächst im Halbleitereinkristall Bereiche mit erhöhter Leerstellendichte durch teilweise Zerstörung des Kristallgitters hergestellt werden und daß dann in das gestörte Gitter Störstellen aus Rekombinationszentren bildenden Fremdatomen eindiffundiert werden. Claims 1.) Method for producing dislocation-free Semiconductor single crystals, in particular made of silicon, the areas of reduced carrier life have, d a d u rc h e k e n n n z e i c h n e t, that initially in the semiconductor single crystal Areas with increased vacancy density due to partial destruction of the crystal lattice are produced and that then in the disturbed lattice impurities from recombination centers forming foreign atoms are diffused. 2.) Verfahren in Abänderung des Anspruches 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zuerst in den Halbleiterkristall Rekombinationszentren bildende Fremdatome eingebracht werden und dann in Ealbleitereinkristall Bereiche mit erhöhter-Leerstellendichte durch teilweise Zerstörung des Kristallgitters hergestellt werden.2.) Method as an amendment to claim 1, d a d u r c h g e k It is noted that first recombination centers in the semiconductor crystal forming foreign atoms are introduced and then in Ealbleitere single crystal areas with increased vacancy density produced by partial destruction of the crystal lattice will. 3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e -k -e n n z e i c h n e t, daß die Bereiche mit erhöhter Beerstellendichte unter Verwendung von Absorberblenden durch Bestrahlung. des Kristallgitters mit. hochenergetischen Teilchen hergestellt werden.3.) The method according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e -k -e n n z e i n e t that the areas with increased density of berries are being used of absorber screens by irradiation. of the crystal lattice with. high energy Particles are produced. 4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e-> e n n z e i c h n e t, daß Ionen eingestrahlt werden, £eine Dotierung hervorrufen.4.) The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e-> e n n shows that ions are radiated in and cause doping. 5.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß Stickstoff-, Edelgas und/oder Halogenionen eingestrahlt werden.5.) The method according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c It does not mean that nitrogen, noble gas and / or halogen ions are irradiated. 6.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß Alphastrahlen verwendet werden. 6.) The method according to claim 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c That is, alpha rays are used. 7.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine Neutronenbestrahlung durchgeführt wird.7.) The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h e t that neutron irradiation is carried out. 8.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß Röntgenstrahlung mit hoher Energie und Absorberblenden aus Blei verwendet werden.8.) The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that x-rays with high energy and absorber diaphragms made of lead be used. 9.) Verfahren nach Anspruch 3 bis 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß Blenden aus Cadmium, Gadolinium oder Bor verwendet werden.9.) The method according to claim 3 to 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h e t that diaphragms made of cadmium, gadolinium or boron are used. 10.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Bereiche mit erhöhter Leerstellendichte im Gitter beim tigelfreien Zonenschmelzen eines aus Silicium bestehenden Halbleitereinkristalls durch Einstellung eines starken radialen Temperaturgradienten an der fest/flüssig-Phasengrenze erzeugt werden.10.) The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the areas with increased vacancy density in the lattice in the case of the well-free Zone melting of a semiconductor single crystal made of silicon by adjustment a strong radial temperature gradient is generated at the solid / liquid phase boundary will. 11.) Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der erstarrte Stabteil zusätzlich gekühlt wird.11.) The method according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the solidified rod part is additionally cooled. 12.) Verfahren nach Anspruch 10 und 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß bei einem Stabdurchmesser von größer 50 mm die Ziehgeschwindigkeit auf 3 - 4 mm/min.12.) The method according to claim 10 and 11, d a d u r c h g e -k e n n it is clear that the pulling speed is greater than 50 mm for a rod diameter to 3 - 4 mm / min. und die Drehgeschwindigkeit des rekristallisierten und/oder Vorratsstabteils auf 5 - 10 UpM eingestellt wird. and the speed of rotation of the recrystallized and / or stock rod portion is set at 5-10 rpm. 13.) Verfahren nach Anspruch 1 - 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Grad der Gitterzerstörung im Bedarfsfall durch Temperung bei Temperaturen größer 8000 C während einer Zeitdauer von mehreren Stunden zum Teil wieder geheilt wird.13.) The method according to claim 1 - 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the degree of grid destruction, if necessary, by tempering at temperatures greater than 8000 C for a period of several hours Part is healed again. 14o) Verfahren nach Anspruch 1 - 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als Rekombinationszentren bildende fremdatome bei Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial die Elemente Gold, Platin oder Kupfer bei Temperaturen größer 8000 C eindiffundiert werden.14o) Method according to claim 1-13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that as recombination centers forming foreign atoms when used of silicon as a semiconductor material, the elements gold, platinum or copper at temperatures higher than 8000 C can be diffused. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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