DE4447398A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-StäbenInfo
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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 AIIIBV-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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4447398A DE4447398A1 (de) | 1994-12-23 | 1994-12-23 | Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4447398A DE4447398A1 (de) | 1994-12-23 | 1994-12-23 | Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4447398A1 true DE4447398A1 (de) | 1996-06-27 |
Family
ID=6537598
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4447398A Withdrawn DE4447398A1 (de) | 1994-12-23 | 1994-12-23 | Vorrichtung und Verfahren zur Züchtung von kristallinen Halbleiter-Stäben |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4447398A1 (de) |
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1994
- 1994-12-23 DE DE4447398A patent/DE4447398A1/de not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
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