DE4447398A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben mittels Czochralski(CZ)-Kristallziehens, wobei die Vorrichtung aus einem im Vergleich zum zu züchtenden Kristall arteigenen Tiegel, in dem sich die Schmelze befindet, einem Reflektor, der über der Schmelze angeordnet ist, einem HF-Induktor, der die notwendige Schmelzwärme liefert, und einem Keimkristall, der relativ zum Tiegel rotiert, besteht.

Reine Halbleiter-Kompaktkristalle mit definiertem Sauerstoffgehalt sind für Entwicklungen in der hochintegrierten Technik von großer Bedeutung. Vorteilhaft bezüglich der Kosten und der Züchtungsqualität bei der Herstellung von Halbleiter-Kom­ paktkristallen erwiesen sich das Float-Zone(FZ)-Verfahren und das Czochralski-Verfahren.

Das CZ-Verfahren, bei dem aus polykristallinen Halbleiter-Stäben durch Aufschmelzen einer schmalen Zone, die langsam - von einem Impfkristall ausgehend - durch den Halbleiter-Stab bewegt wird, Einkristalle gezogen werden, liefert zwar reinere Kristalle als das CZ-Verfahren, jedoch sind hierbei die erhaltenen Durchmesser kleiner. Die Erwärmung der Schmelzzone erfolgt in der Regel mittels eines HF-Induktors, der den Kristallstab in Höhe der Schmelzzone umgibt.

Bei dem CZ-Verfahren wird das Halbleiter-Ausgangsmaterial in den Schmelztiegel eingesetzt und geschmolzen. In die rotierende Schmelze wird ein Keimkristall mit vorgegebener kristallographischer Orientierung eingetaucht und unter Rotation - relativ zur Schmelze - langsam hochgezogen. An der Grenzfläche Schmelze/Festkörper wächst ein sich verdickender Kristall. Beim CZ-Verfahren werden die Wärmeverluste der Schmelze über Wärmeleitung durch die Tiegelwand ausgeglichen. Der Tiegel muß an der Innenseite also heißer als die Schmelze und an seiner Außenseite noch mehr überhitzt sein. Es besteht bei Temperaturen um 1420°C intensive Tiegelerosion, die zu verhältnismäßig hoher Verunreinigungskonzentration im Halbleiter-Einkristall - eben besonders durch zu viele Sauerstoff- und Fremdatome aus dem Quarztiegel bzw. durch Kohlenstoffatome infolge chemischen Transports vom Graphitheizer - führt. Außerdem erweicht der Tiegel bei diesen hohen Temperaturen und muß gestützt werden.

Da eine Vielzahl von Veröffentlichungen insbesondere zur Herstellung von Si-Kompaktkristallen vorliegt, wird bei der Darlegung des Standes der Technik besonders auf diese eingegangen, ohne eine Verallgemeinerung auf andere Halbleiter-Materialien ausschließen zu wollen. In Kenntnis der positiven Eigenschaften des tiegelgezogenen Si (in Grenzen einstellbarer O₂-Gehalt, größerer Durchmesser, radiale Homogenität) und des zonengeschmolzenen Si (große Reinheit, höhere Ladungsträgerlebensdauer, axiale Homogenität) wurden technische Lösungen entwickelt, die die Vorteile der beiden Züchtungsmethoden vereinen.

So wird in "Materials Science and Engineering", B 4 (1989), p. 5 eine CZ-Vorrichtung zur Herstellung von Si-Kristallen beschrieben, bei der eine quasikontinuierliche Zufuhr von Si-Granulat und auch Dotierungsmaterial direkt in die Schmelze erfolgt. Da mittels der Nachchargierung das Volumen klein gehalten werden kann, liegen ähnliche Bedingungen wie bei der FZ-Kristallzüchtung vor. Beim Aufschmelzen des Si-Granulats treten aber sehr hohe Temperaturen an den Tiegelwänden auf, die Korrosionsprobleme des Si, Probleme mit dem Sauerstoffanteil und Probleme bei der versetzungsfreien Züchtung nach sich ziehen.

Die beiden technischen Lösungen, die den Stand der Technik bilden, von dem die Erfindung ausgeht, sind in DD 1 06 139 und DD 2 65 916 beschrieben. Versetzungsfreies bzw. versetzungsarmes Silizium wird in DD 1 06 139 mittels einer von artfremden Werkstoffen freien Vorrichtung - ähnlich einer CZ-Vorrichtung - hergestellt. In einem polykristallinen Silizium-Stab wird durch das elektromagnetische Feld eines um diesen Stab angeordneten Induktors eine Si-Schmelze erzeugt. Aus dieser Schmelze wird der Einkristall gezogen. Die Wände des arteigenen "Tiegels" entstehen dadurch, daß bei geeigneter Wahl der Frequenz in dem polykristallinen Stab im Induktoreinkoppelbereich um die Stabachse herum eine Si-Schmelze erzeugt wird, die von einer festen Schicht, gebildet aus dem nichtgeschmolzenen Si-Stab, d. h. mit der Zusammensetzung wie sie die Schmelze aufweist, umgeben ist. Der Durchmesser der mit diesem Verfahren gezüchteten reinen Si-Einkristallen ist jedoch wegen der fehlenden Stabilisierung des Stabes - nur ein dünnes Rohr bleibt stehen - begrenzt. Außerdem kann mit der in DD 1 06 139 beschriebenen Anordnung der Induktionsheizung nur eine Erwärmung der Schmelze durch die seitlichen Wände des Tiegels, nicht jedoch von unten erfolgen. Diesen Nachteil weist auch das in DD 2 65 916 beschriebene Verfahren zur Züchtung von hochreinen Si-Einkristallen auf, bei dem die Wärmeabgabe des Tiegels mit der Frequenz und der Stromstärke derart abgestimmt ist, daß die Temperatur der inneren Tiegelwandung unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums bleibt, was hierbei durch Kühlung des Tiegels mittels Schutzgaszufuhr erfolgt. Infolgedessen bildet sich zwischen Tiegelrand und Schmelze eine feste Si-Schicht. Der Sauerstoffgehalt des zu züchtenden Si-Kristalls läßt sich bei dieser Lösung nur auf einen bestimmten Wert einstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben, bei denen der Sauerstoffanteil regulierbar ist und die mit einem Durchmesser und einer radialen Homogenität wie beim CZ-Verfahren züchtbar sind, sowie ein Verfahren hierzu anzugeben.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Tiegel sehr flach und aus elektrisch isolierendem Material gebildet, seine Innenwand mindestens teilweise mit einer Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze bedeckt und die Außenwand des Tiegels vollständig von einem HF-Induktor umschlossen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das im Tiegel befindliche Halbleiter-Ma­ terial zunächst kurzzeitig überhitzt, anschließend die Heizleistung soweit gesenkt, daß eine feste Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze in Abhängigkeit der Form des HF-Induktors mindestens teilweise an der Innenwand erstarrt, und danach der Keimkristall in die Schmelze eingetaucht und langsam nach oben gezogen.

Durch das kurzzeitige Überhitzen des im Tiegel befindlichen Halbleiter-Materials entsteht eine Schmelze, die den Tiegel ausfüllt. Die Heizleistung wird nun soweit gesenkt, daß sich eine stabile feste Schicht aus der Schmelze auf der Tiegelinnenwand im Induktoreinkoppelbereich bildet. Das wird dadurch möglich, da ein HF-Strom bei genügender Stärke und geeigneter Frequenz erst unterhalb einer festen Oberflächenschicht, charakterisiert durch die Eindringtiefe σ

wobei bezeichnen ρ - den spezifischen Widerstand, ω - die Frequenz und µ - die Permeabilität, wirksam wird. Außerdem weisen die meisten Halbleiter einen sprunghaften Leitfähigkeitsanstieg (bzw. Abfall des spezifischen Widerstandes) am Randschicht wesentlich größer als die der flüssigen Phase.

Die erstarrte Randschicht ist in ihrer Funktion eine Passivierungsschicht und sorgt zusätzlich als Bodenkörper für eine Selbststabilisierung der Temperatur in der Schmelze.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Wärme elektromagnetisch direkt in der Schmelze erzeugt. Die Temperatur der Tiegelinnenseite liegt etwas unter dem Schmelzpunkt und die Außenseite ist noch kälter. Verunreinigungen werden durch Passivierung somit kaum noch übertragen, man erhält FZ-Reinheiten, der Tiegel hat eine wesentlich höhere Standzeit, Schmutzemission vom Heizer entfallen, da die Induktionsspule wassergekühlt ist und keine Graphiteinbauten existieren.

Sowohl über die HF-Leistung und die Gestaltung des Induktors als auch über die relative Position von Tiegel zu Induktor, die z. B. durch Verschieben des Induktors realisiert werden kann und eine geänderte Ankopplung der Schmelze an das HF-Feld zur Folge hat, ist das Temperaturfeld in der Schmelze und damit die Ausdehnung der erstarrten Halbleiter-Schicht an der Tiegelwand und ihre Dicke einstellbar.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze die Innenwand vollständig bedeckt. Da diese Schicht die Wirkung einer Passivierungsschicht hat, können mit dieser Ausführungsform besonders reine Kristalle gezüchtet werden, d. h. die Übertragung von Verunreinigungen ist noch weiter verringert.

In einer anderen Ausführungsform ist die Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze nur temporär vorhanden, damit ist der Sauerstoff-Gehalt entlang der Züchtungsachse des Kristalls einstellbar.

Bei weiteren Ausführungsformen ist der Tiegel aus elektrisch isolierendem Material wie Kieselglas bzw. Bornitrid gebildet. Kieselglas wird als Tiegelmaterial bei der Silizium-Kristallzüchtung eingesetzt, wenn ein definierter Sauerstoffgehalt erwünscht ist, Bornitrid für die Züchtung von A_IIIB_V-Kristallen.

Vorteilhafte Ausführungsformen sehen vor, daß der HF-Induktor ein- oder mehrwindig ausgebildet ist.

Außerdem sind in anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich Mittel für die Nachchargierung von festem oder flüssigem Material vorgesehen. Die Nachchargierung ermöglicht über den größten Teil der Ziehlänge ein konstantes Schmelzvolumen im Tiegel und damit z. B. konstante Dotierungs- und Sauerstoffkonzentrationen sowie nahezu gleiche Temperaturfelder in Phasengrenznähe. Da eine Vielzahl von Anordnungen für die Nachchargierungen in der Kristallzüchtung bekannt sind, wird auf deren konkrete Ausgestaltung hier nicht eingegangen.

In einer Ausführungsform zum erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß die erstarrte Schicht, die zunächst die Innenwand des Tiegels bedeckt, mittels eines entsprechend geformten Induktors teilweise abgeschmolzen wird. Dies wird dann der Fall sein, wenn eine definierte Sauerstoffaufnahme erwünscht ist. Selbst ein völliges Abschmelzen der Schicht, z. B. durch hohe Arbeitsfrequenzen von etwa 3 MHz wie bei der FZ-Züchtung, kann realisiert werden, wenn der gezüchtete Kristall einen großen Sauerstoff-Gehalt aufweisen soll.

Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ist die Nachchargierung von festem oder flüssigem Material, wobei zum Aufschmelzen des nachzuchargierenden festen Materials am oberen Schmelzrand die induzierte Leistung erhöht wird. Damit wird das Schmelzvolumen konstant gehalten und - wie bereits erwähnt - werden gleiche Wachstumsbedingungen gewährleistet.

Im Gegensatz zum konventionellen CZ-Verfahren, das für eine Nachchargierung eine noch größere Tiegeltemperatur erfordert und somit die Tiegelerosion beträchtlich beschleunigt wird, erfolgt die Erhöhung der induzierten Leistung, ohne daß der Tiegel zusätzlich erwärmt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Züchtung von hochreinen mono- oder polykristallinen Halbleiter-Stäben wie bei der FZ-Züchtung, deren Sauerstoffgehalt aber außerdem mittels der selbstpassivierten CZ-Züchtung einstellbar ist und deren Durchmesser und Homogenität mit nach CZ-Methode gezüchteten Kristallen vergleichbar ist.

Auch die meisten Verbindungshalbleiter, z. B. GaAs, InP oder GaSb, weisen ähnliche oder noch größere Leitfähigkeitssprünge wie Si am Schmelzpunkt auf. Somit lassen sich die beschriebenen Vorzüge ebenfalls für deren Züchtung aus dem Tiegel anwenden. Beim oft angewendeten LEC Verfahren greift das HF-Magnetfeld wie an der Tiegelwand direkt durch die B₂O₃-Deckschicht auf die Schmelzoberfläche durch. Es erfolgt keine Aufheizung des gewachsenen Kristalls durch den Graphitheizerrand, und bereits in der B₂O₃-Deckschmelze ist ein Temperaturgefälle von der Halbleiterschmelze aus nach oben hin zur B₂O₃-Oberfläche zu erwarten. Hierdurch wird der schädliche Temperaturgradientensprung des Kristalls beim Verlassen des B₂O₃ und andererseits ein Verlust der flüchtigen Komponente im oberen Kristallbereich vermindert. Beides sind Hauptmängel der gegenwärtig bekannten Techniken.

GaAs kann durch die Passivierungsschicht sehr viel sauberer gezüchtet werden und dotiertes Material definiertere Eigenschaften erhalten.

Die bisher angewandten Methoden der Temperaturbeeinflussung, z. B. durch Nachheizer, bleiben weiterhin bestehen.

Die Erfindung soll anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt

Fig. 1 schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung für eine selbstpassivierte CZ-Züchtung von Si-Kristallen mit Nachchargierung.

Ein sehr flach ausgebildeter Quarztiegel 1 ist an seiner Innenwand mit einer festen Si-Schicht 2 bedeckt. Seine Außenwand ist von einem HF-Induktor 3 umgeben, dessen Form bzw. Windungszahl in Abhängigkeit von der angewandten Generatorfrequenz und auch vom gewünschten Sauerstoffgehalt des zu züchtenden Si-Kristalls gewählt wird. Die feste Si-Schicht 2 wird - wie bereits beschrieben - durch kurzzeitiges Überhitzen des Schmelzmaterials, wobei eine Si-Schmelze 4 entsteht, und anschließendem Absenken der Heizleistung, d. h. Verringern des Induktorstromes oder Änderung der Ankopplung der Schmelze an das HF-Feld, wobei vorzugsweise bei einer Frequenz von 20 bis 50 kHz gearbeitet wird, gebildet. An dem in die Schmelze 4 eingetauchten und langsam nach oben gezogenen Keimkristall 5 wächst der Si-Einkristall 6, der sich relativ zum Quarztiegel 1 dreht. Nachzuchargierendes Si-Material 7 wird direkt in die Schmelze 4 geleitet. Über der Si-Schmelze 4 ist ein Reflektor S angeordnet. Es herrschen hier die gleichen Verhältnisse wie bei der konventionellen/"normalen" CZ-Züchtung, da die Hochfrequenz des Induktors keinen Einfluß auf den gezüchteten Si-Kristall 6 hat.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben mittels Czochralski-Kristall­ ziehens, bestehend aus einem im Vergleich zum zu züchtenden Kristall arteigenen Tiegel, in dem sich eine Schmelze befindet, einem Reflektor, der über der Schmelze angeordnet ist, einem HF-Induktor, der die notwendige Schmelzwärme liefert, und einem Keimkristall, der relativ zum Tiegel rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel sehr flach und aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist, die Innenwand des Tiegels mindestens teilweise mit einer Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze bedeckt und die Außenwand des Tiegels vollständig von einem HF-Induktor umschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze die Innenwand des Tiegels vollständig bedeckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze temporär auf der Innenwand vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Tiegel aus Kieselglas gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Tiegel aus Bornitrid gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Induktor einwindig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Induktor mehrwindig ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel für die Nachchargierung der Schmelze mit festem Material vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel für die Nachchargierung der Schmelze mit flüssigem Material vorgesehen sind.

10. Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben mittels Czochralski-Kristall­ ziehens, wobei die Schmelze mit einem einen Tiegel umschließenden HF-Induktor direkt erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das im Tiegel befindliche Material zunächst kurzzeitig überhitzt wird, wodurch die Schmelze den Tiegel ausfüllt, und anschließend die Heizleistung gesenkt wird, wobei eine feste Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze in Abhängigkeit der Form des HF-Induktors mindestens teilweise an der Tiegelinnenwand erstarrt und danach der Keimkristall in die Schmelze eingetaucht und langsam nach oben gezogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erstarrte Schicht gleicher Zusammensetzung wie die der Schmelze mittels eines entsprechend geformten Induktors teilweise abgeschmolzen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß festes Schmelzmaterial nachchargiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Schmelzmaterial nachchargiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschmelzen des nachzuchargierenden festen Material am oberen Schmelzrand die induzierte Leistung erhöht wird.