DE2639563A1

DE2639563A1 - Verfahren zur herstellung von tiegelgezogenen siliciumstaeben mit gehalt an leichtfluechtigen dotierstoffen, insbesondere antimon, innerhalb enger widerstandstoleranzen

Info

Publication number: DE2639563A1
Application number: DE19762639563
Authority: DE
Inventors: Heinz-Joerg Dipl Chem Dr Rath; Dietrich Dipl Phys Dr Schmidt; Werner Dipl Phys Dr Zulehner
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1976-09-02
Filing date: 1976-09-02
Publication date: 1978-03-09
Also published as: US4111742A

Description

Einkristalline Siliciumstäbe, die aus beispielsweise antimondotierten Siliciumschmelzen nach einem Tiegelziehverfahren, beispielsweise nach dem bekannten Czochralsky-Verfahren, gezogen werden, weisen üblicherweise einen starken axialen Widerstandsgradienten auf. Antimon reichert sich aufgrund seines Verteilungskoeffizienten in Silicium von 0,023 in der abnehmenden Schmelze an, so daß am Stabanfang weit weniger Antimon eingebaut wird als am Stabende. Der Stab liefert somit nach dem Zersägen Substratscheiben mit jeweils unterschiedlicher Dotieretoffkonzentration und somit unterschiedlichem ohm'sehen Widerstand. Die Bauelementhersteller benötigen aber Substratscheiben, die innerhalb gewisser Toleranzbreiten eine möglichst gleiche Dotierstoffkonzentration aufweisen, um Bauelemente mit gleichen oder nahezu gleichen Eigenschaften herstellen zu können. Dies führt dazu, daß ein großer Teil derartiger tiegelgezogener Siliciumstäbe verworfen werden muß.

Nach dem Verfahren gemäß der DT-PS 15 44 292 wird das Problem dadurch gelöst, daß nach dem Eintauchen des Keimkristalls in die Schmelze ein Druck im Reaktionsgefäß von 10 Torr eingestellt wird, der im Verlauf des Ziehvorganges bis auf 3 Torr abgesenkt wird. Dieses Verfahren erfordert aber Rezipienten, die mit einer vergleichsweise aufwendigen Unterdruckregelung ausgerüstet sind.

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Aufgabe der- Erfindung war es daher, ein demgegenüber einfacheres und somit wirtschaftlicheres Verfahren zu finden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß während des Kristallziehens zeitweise oder kontinuierlich ein Inertgasstrom durch die entsprechend dotierte Siliciumschmelze geleitet wird.

Das Verfahren wird im nachstehenden für die bevorzugte Herstellung von über die gesamte Stablänge innerhalb enger Toleranzen gleichmäßig antimondotiert em Silicium näher erläutert, wenngleich es auch zur Herstellung entsprechend phosphor- oder arsendotierten Siliciums geeignet ist.

In einer üblichen Tiegelziehanlage wird eine Charge polykristallinen und mit Antimon vordotierten Siliciums in bekannter Art und Weise unter Schutzgas, beispielsweise Argon in einem Quarztiegel aufgeschmolzen. In die auf etwa l4lO bis 1550° erhitzte

Schmelze wird nachfolgend ein Impfling eingetaucht und unter Drehen ein monokristalliner Siliciumstab aus der Schmelze gezogen. Nachdem beispielsweise ein Drittel der insgesamt erreichbaren Stablänge gezüchtet ist wird der Kristallzug abgebrochen. Anschließend wird in die Siliciumschmelze ein Gaseinleitungsrohr, beispielsweise aus Quarz oder Glaskohle vorzugsweise bis auf den Tiegelgrund eingefahren und aus der am Rohrende angebrachten Glasfritte, bzw. einem am Rohrende angebrächten Siebboden aus Glaskohle mit einer Porenweite von vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm, ein Inertgas, wie insbesondere Argon, aber auch Helium, Wasserstoff oder Mischungen daraus mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 1 bis 4000 Normalliter pro Stunde, vorzugsweise 50 bis 1000 Normalliter pro Stunde etwa 1 bis 3 Stunden lang durchgeleitet, wobei die insgesamt durchgeleitete" Gasmenge von der Schmelzmenge und der Dotierstoffkonzentration abhängig ist. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Dotierstoffkohzentration, die sich in der Siliciumschmelze aufgrund der Segregation erhöht hat, wieder vermindert wird. Das Inertgas muß dabei vorgewärmt eingeleitet werden, um eine partielle Unterkühlung der Schmelze an der Austrittsstelle zu vermeiden. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß ein doppelwandiges Quarzrohr, welches im Mantel kohlebeschichtet ist und dadurch induktiv beheizt werden kann, verwendet wird oder vorzugsweise in der Art, daß das Rohr in Form

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einer Wendel durch den Ziehraum geleitet wird, wodurch sich das durchströmende Gas durch die von der Schmelzoberfläche abgestrahlte Wärme aufheizt. Der im Ziehraum eingestellte Druck beträgt vorzugsweise etwa 0,8 bis 1,5 bar, während er bei den gegenüber Antimon schwerer verdampfbaren Dotierstoffen wie Phosphor und insbesondere Arsen günstiger weiter reduziert wird. Die Druckverhältnisse die allgemein innerhalb dotierstoffspezifischer Grenzen in einem weiten Bereich zwischen Hochvakuum und Überdruck, also zwischen etwa 10 bis 5 bar liegen können, können so eingestellt werden, daß der Druck während des gesamten Ziehvorganges weitgehend konstant ist, wenngleich gewisse Schwankungsbreiten nach oben oder unten den Erfolg des Verfarens noch nicht in Frage stellen, so daß eine genaue Druckregelvorrichtung in keinem Fall erforderlich ist.

Nach dem "Gasblasen" kann aus der verbleibenden Schmelzmenge ein weiteres Drittel des Siliciumstabes herausgezogen werden, wobei dieses Teilstück die gleichen Widerstandswerte wie das erste Teilstück aufweist, wenn das "Gasblasen" solange und mit einer solchen Menge durchgeführt wurde, daß sich der Antimongehalt der Schmelze wieder auf den ursprünglichen Gehalt reduziert. Um das einkristalline und versetzungsfreie Wachstum des zweiten Teilstiicks zu ermöglichen, wird das Ende des ersten Stabstücks zusammengezogen, und ein zylindrisches Stabende von kleinem Durchmesser erzeugt, der dem Durchmesser eines üblichen Impfkristalls entspricht. Mit diesem zu einem Impfkristall ausgeformten Stabende wird in üblicher Weise das zweite Stabstück angesetzt.

Je nach gewünschter Widerstandetoleranz kann dieser Prozeß beliebig oft wiederholt werden. Es ist außerdem möglich, kontinuierlich während des gesamten Ziehprozesses Inertgas durch die Schmelze zu leiten und somit die auf Grund der Segregation sich in der Schmelze anreichernden Dotierstoffe wieder auszutragen. Die erforderlichen Gasmengen sowie der Gasdurchfluß lassen sich entweder empirisch durch einige einfache Vorversuche bestimmen oder mit Hilfe der Abdampfkoeffizienten errechnen«

Vergleichsbeispiel:

5OO g Silicium mit einem Dotierstoffgehalt von 9·35 χ IO Atomen Antimon pro Gramm Silicium werden in einer üblichen Ziehanlage unter

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Argon bei Normaldruck aufgeschmolzen. Nach dem Eintauchen des am unteren Ende einer Ziehwelle befestigten Impfkristalls ,in die Oberfläche der auf l440 C erhitzten Siliciumschmelze wurde bei einem Druck von 1 bar mit einer Ziehgeschwindigkeit von 2 mm pro Minute unter einer Drehung um die Kristallängsachse von 15 Umdrehungen pro Minute ein einkristalliner Siliciumstab gezogen. 284 g verblieben als Restschmelze im Tiegel. Es ergab sich für das verwendbare zylindrische Teilstück von 18 cm Länge und 25 mm Durchmesser ein mittlerer spezifischer Widerstand von O,83 Ohm cm, n, wobei der Anfangswert nach 2 cm Ziehlänge 1,01 Ohm cm,n, und der Endwert nach l6 cm Ziehlänge 0,65 Ohm cm, n, beträgt.

Beispiel:

500 g Silicium mit einem Dotierstoffgehalt von 9i35 x 10 Atomen Antimon pro Gramm Silicium wurden entsprechend dem Vergleichsbeispiel unter Argon bei 1 bar aufgeschmolzen und mit gleicher Ziehgeschwindigkeit und gleicher Umdrehung ein Kristall aus der auf l44O C erhitzten Siliciumschmelze gezogen. Nach 8 cm Ziehlänge (gemessen im zylindrischen Teil nach der Konusbildung) wird der Stab auf den Durchmesser eines üblichen Impfkristalls zusammengezogen und der Ziehvorgang unterbrochen. Ein am Gasaustritt mit einer Quarzfritte mit einer Porenweite von 0,3 ram versehenes Gaseinleitungsrohr aus Quarz wird in die Schmelze bis auf den Tiegelgrund eingeführt und ein vorgeheizter Argonstrom eingeleitet. Die Vorheizung des Argonstromes erfolgt in der Weise, daß das Einleitungsrohr ca.. 8 cm parallel zur Schmelzoberfläche in ca. 1 cm Abstand geführt wird und dann erst in die Schmelze eintaucht. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Argonstrom vorgeheizt wird und keine Auskristallisation innerhalb der Schmelze auftreten kann. Im Verlauf von 2 Stunden wird Argon mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 100 Nl Argon /h eingeleitet. Nach Abschluß des Gasblasens wird das Quarzrohr herausgezogen und mit dem zum Impfkristall ausgeformten Ende des ersten Stabstücks in üblicher Weise ein zweites einkristallines und versetzungsfreies Stabstück angesetzt und gezogen. Nach 10 cm Länge (gemessen im zylindrischen Teil nach Konusbildung) wird die Kristallzüchtung abgebrochen und nach Ausbau des Stabes sein spezifischer Widerstand in axialer Richtung geraessen.

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NACKaEREICHTj

naohträpHch fieüncicrt

Der Anfangswert (nach 2 cm Ziehlänge) beträgt 1,01 Ohm cm n. Der
Wert nach 8 cm Ziehlänge, also vor Einleiten des Gases, beträgt
0,87 Ohm cm n. Der Wert nach 10 cm Ziehlänge, also unmittelbar nach dem Gasblasen, beträgt 1,01 Ohm cm n, und nach l6 cm Ziehlänge 0,81 Ohm cm η.

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Claims

2639533 Patentansprüche

1) Verfahren zur Herstellung von tiegelgezogenen Siliciumstäben mit Gehalt an leichtflüchtigen Dotierstoffen, insbesondere Antimon, innerhalb enger Widerstandstoleranzen, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kristallziehens zeitweise oder kontinuierlich ein Inertgasstrom durch die entsprechend dotierte Siliciumschmelze geleitet wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze während des Kristallziehens auf 1420 bis 1550 C eingestellt wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ziehraum ein Druck von 0,8 bis 1,5 bar eingestellt wird.

4) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Argon durch die Siliciumschinelze geleitet wird.

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ORIGINAL INSPECTED