DE2542867A1

DE2542867A1 - Verfahren zur herstellung von halbleitereinkristallen mit einstellbarer dotierstoffkonzentration

Info

Publication number: DE2542867A1
Application number: DE19752542867
Authority: DE
Inventors: Adalbert Ellbrunner; Friedrich Georg; Georg Priewasser
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1975-09-25
Publication date: 1977-03-31
Also published as: FR2325425A1; BE846557A; JPS5240966A; DK381276A; NL7609300A; IT1066181B

Description

WACKER-CHEKITKONIC IHnchen, den 5-9.1975

Gesellschaft fur ~ '

Elektronik-Grundstoffe mbH

Va-Ch 7516

Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen
mit einstellbarer Dotierstoffkonzentration

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen mit einstellbarer Dotierstoffkonzentration durch Ziehen aus einer den Dotierstoff enthaltenden Schmelze.

Bei der Herstellung von antimondotierten Siliciumstäben durch Ziehen aus der Schmelze wird üblicherweise vor dem eigentlichen Ziehprozeß entweder eine Vorlegierung aus Antimon und Silicium oder aber polykristallines Silicium neben Reinstantimon im Ziehtiegel aufgeschmolzen. Da der Schmelzpunkt von
Antimon (63C° C) wesentlich tiefer liegt, als der von Silicium (1410° C), dampft während des Aufschmelzen sehr viel Antimon ab, wodurch es zu einer erheblichen Verunreinigung des Rezipienten, zu Unsicherheiten bezüglich des zu erwartenden Dotierstoffgehaltes und zu Wachstumsstörungen des aufwachsenden Siliciumeinkristalles kommt.

Nach einem anderen gebräuchlichen Verfahren wird daher erst nach dem Aufschmelzen des Siliciums im Ziehtiegel, Antimon in Form von kleinen Stücken in die Siliciumschmelze geworfen. Aufgrund der momentanen starken überhitzung beim Auftreffen auf die Schmelzoberfläche verdampft aber eine unkontrollierte Menge Antimon, ohne in Lösung zu gehen, außerdem kommt es zum Verspritzen von flüssigem Silicium aus dem Oberflächenbereich der Schmelze.

-2-7098 1 3/0858

.. sr -

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine gezielte und reproduzierbare Dotierung von Halbleitereinkristallen mit insbesondere leicht verdampfbaren Elementen gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Dotierstoff dem Halbleitermaterial nach dem Aufschmelzen im Ziehtiegel über eine in die Schmelze eintauchende, rohrförmige Zuleitung zugesetzt wird.

Die weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei anhand der Abbildung erläutert.

Die Abbildung zeigt schematisch eine übliche Anlage zum Ziehen von Kristallen aus der Schmelze mit einer Zusatzvorrichtung, wie sie für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft eingesetzt werden kann.

In einem Quarztiegel 1, der sich in einem Graphittiegel 2 befindet, und über die Welle J> angehoben, abgesenkt oder um die vertikale Achse gedreht werden kann, wird hochreines Halbleitermaterial, beispielsweise über die Gasabscheidung erhaltenes, polykristallines Silicium, in kompakten Stücken eingefüllt und vermittels einer Heizeinrichtung 4, beispielsweise einer Widerstandsheizung, die außen von einem Strahlenschutzmantel 5 abgeschirmt wird, in einer Inertgasatmosphäre von beispielsweise Argon aufgeschmolzen, wobei es günstig ist, während des Aufschmelzens den Druck im Rezipienten stark zu reduzieren, beispielsweise auf einige 10"^ Torr, um flüchtige Verunreinigungen aus dem Schmelzgut auszutreiben. Nachdem sämtliches Silicium aufgeschmolzen ist, wird durch Einströmen eines Inertgases, wie beispielsweise Argon, ein Gasdruck von etwa 1 bis 760 Torr, vorzugsweise 1 bis 100 Torr, eingestellt, wobei die Gaszuleitung bzw. -ableitung durch die im Hezipienten vorgesehenen öffnungen 6 bzw. 7 erfolgt. Anschließend wird in die Schmelze 8 eine rohrförmige Zuleitung 9 aus beispielsweise Edelstahl, welche an ihrem unteren Ende 10 bevorzugt aufgeweitet ist, so daß sie etwa2bis15% der freien

7098 13/0858 -3-

Schmelzoberfläche abdeckt, etwa 1 bis 5 mm tief in die Schmelze eingetaucht. Das in die Schmelze eintauchende Ende 10 der rohrförmigen Zuleitung 9 muß dabei aus einem Material gefertigt werden, welches resistent gegen die Schmelze 8 ist und diese nicht selbst dotiert, also beispielsweise aus Quarz. Diese rohrförmige Zuleitung 9 ragt durch eine gasdichte Manschette 11, in welcher sie in vertikaler Richtung frei bewegt werden kann, aus dem eigentlichen Ziehraum heraus und ist an ihrem oberen Ende über einen flexiblen, beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Schlauch mit dem aus vorzugsweise Quarz bestehenden Vorratsgefäß 13 verbunden, in welchem sich der Dotierstoff 14, beispielsweise Antimon in Form eines Granulats oder kleiner Kugeln mit einem bevorzugten Durchmesser von etwa 0,1 bis 2 mm, befindet. Der Innendurchmesser der rohrförmigen Zuleitung 9 und des außerhalb des Eezipienten befindlichen Schlauches 12 liegt üblicherweise in der Größenordnung von etwa 5 bis 15

Die Zugabe des Dotierstoffes 14 zu der im Ziehtiegel 1 befindlichen und bevorzugt wenige Grad über ihrem Schmelzpunkt erhitzten Halbleiterschmelze 8 erfolgt dadurch, daß die rohrförmige Zuleitung 9 über den die Schmelze 8 enthaltenden Ziehtiegel 1 geschwenkt und etwa 1 bis 5 nmi mit ihrem unteren, auf-• geweiteten Ende 10 in die Schmelze 8 eingetaucht wird. Das Vorratsgefäß 13» in welchem, sich die berechnete Menge Dotierstoff 14 befindet, wird darauf hochgestellt, worauf der Dotierstoff 14 durch den flexiblen Schlauch 12 und die rohrförmige Zuleitung 9 in die Schmelze rieselt und sich darin auflöst. Anschließend wird die rohrförmige Zuleitung 9 aus der Schmelze 8 gezogen, beiseite geschwenkt und der an der Ziehwelle 15 befindliche Impfkristall 16 in die Schmelzoberfläche eingetaucht. Der Impfkristall 16 wird dann um seine Längsachse mit beispielsweise 10 bis 100 U/min drehend unter üblichen Ziehgeschwindigkeiten von etwa 1 bis 5 mm/min aus der Schmelze 8 gezogen, wobei es vorteilhaft ist, während des eigentlichen Kristallziehens einen Druck im Eezipienten von 1 bis 100 Torr einzustellen.

Nach einer besonderen Ausführungsform wird das Vorratsgefäß 1$

70981 3/0858

mit einer Kalibrierung versehen und mit mehr Dotierstoff 14-angefüllt als für die Herstellung eines gewünscht dotierten Stabes eigentlich erforderlich ist. Dies hat den Vorteil, daß die Schmelze 8 - wenn erforderlich - während des Ziehvorganges nachdotiert werden kann. Erforderlich wird dies beispielsweise dann, wenn sich beim Ziehen des Kristalls 16 aus der Schmelze 8 Schwierigkeiten einstellen, beispielsweise Wachstumsstörungen auftreten und das bereits gezogene Kristallstück wieder rückgeschmolzen werden muß. Während dieser Zeit kommt es zu einer Verarmung der Schmelze 8 an Dotierstoff, welche durch nachträgliches Zusetzen von Dotierstoff aber leicht wieder rückgängig gemacht werden kann. Aufgrund von leicht herzustellenden Eichkurven läßt sich die in der fraglichen Zeit aus der Schmelze abgedampfte Dotierstoffmenge berechnen und der Schmelze wieder zuführen. Hierzu wird die rohrförmige Zuleitung 9 einfach wieder über den Ziehtiegel 1 geschwenkt, in die Schmelze 8 eingetaucht und durch .Anheben des kalibrierten Vorratsgefäßes 13 die erforderliche Dotierst off menge zugesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt für die Herstellung von arsen- und antimondotiertem Silicium eingesetzt, wenngleich es nicht darauf beschränkt ist, sondern entsprechend für andere Halbleitermaterialien, die sich durch Ziehen aus der Schmelze in Einkristalle überführen lassen, wie beispielsweise Germanium, einsetzbar ist, wobei als Dotierstoff so gut wie jede den Stab dotierende Fremdsubstanz verwendet werden kann, wie beispielsweise Bor, Aluminium oder Phosphor.

Der Vorteil des Verfahrens liegt in den geringen Dotierstoffverlusten durch Abdampfen aus der Schmelze. Hierdurch kann teurer Dotierstoff eingespart werden, außerdem läßt sich der gewünschte Widerstandswert der solcher Art dotierten Halbleiterstäbe wesentlich genauer einstellen. Aufgrund des geringeren Dotierstoffverbrauches und der verminderten Schad-

-5-709813/0858

st o ff emission im Ziehraum ergeben sich außerdem weit "bessere Ziehbedingungen.

-6-709813/0858

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinkristallen mit einstellbarer Botierstoffkonzentration durch Ziehen aus einer den Dotierstoff enthaltenden Schmelze, d adurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff dem Halbleitermaterial nach dem Aufschmelzen im Ziehtiegel über eine in die Schmelze eintauchende, rohrförmige Zuleitung zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Schmelze eintauchende, rohrförmige Zuleitung außerhalb des eigentlichen Ziehraumes über einen flexiblen Schlauch mit einem den Dotierstoff enthaltenden Vorratsgefäß verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff in weitgehend kugelförmiger Form zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Aasprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Zuleitung an ihrem in die Schmelze eintauchenden Ende so weit aufgeweitet ist, daß sie 2 bis 15 % eier freien Schmelzoberfläche abdeckt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Aasprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Zuleitung 1 bis 5 mm tief in die Schmelzoberfläche eintaucht.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch. gekennzeichnet, daß die rohrförmige Zuleitung während des eigentlichen Eristallziehens aus dem Schmelztiegel herausgefahren wird.

98~1⁷3/08

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierstoff Antimon verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierstoff Arsen verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dotierte Siliciumeinkristalle gezogen werden.

70981 3/0858