DK143456B - Fremgangsmaade til fremstilling af (111)-orienterede halvlederenkrystalstave med i retning mod stavmidten faldende specifik modstand - Google Patents

Description

(19) DANMARK VIS'

lp (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT ου 143456 B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 3876/73 (51) lnta» C 30 B 13/28 (22) Indleveringsdag 12· Jul. 1973 (24) Løbedag 12. Jul. 1973 (41) Aim. tilgængelig 14. Jan. 197·^ (44) Fremlagt 24. aug. 1981 (86) International ansøgning nr. “ (86) International indleveringsdag -(85) Videreførelsesdag ~ (62) Stamansøgning nr. “

(30) Prioritet 13· Jul. 1972, 22J451 5, DE

(71) Ansøger SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, Berlin und Muenchen, 8 Muenchen 2, DE.

(72) Opfinder Wolfgang Keller, DE: Alfred Muehlbauer, DE: Konrad

Reuschel, DE.

(74) Fuldmægtig Internationalt Patent-Bur eau.

(54) Fremgangsmåde til fremstilling af (111)-orienterede halvlederenkry® stålstave med 1 retning mod stav® midten faldende specifik modstand.

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af (lll)-orienterede halvlederenkrystalstave med ind mod stavmidten faldende specifik modstand ved digelfri zonesmeltning af en lodret, ved enderne i holdeorganer fastholdt, doteret halvlederstav med en om staven ringformet anbragt, induktiv varmeindretning, ® der tilvejebringer smeltezonen, ved hvilken smeltezonen ud fra en (lll)-oriente- ^ ret kimkrystal bevæges i retning af stavaksen for en forrådsstavdel gennem halv- 3" lederkrystaIstaven.

Ό tf Det er kendt at fremstille enkrystalstave ved digelfri zonesmeltning, idet polykrystallinske halvlederstave, specielt siliciumstave, ved hjælp af kimkrystal-ler overføres til enkrystaller ved, at man lader en smeltezone vandre fra den ende, til hvilken enkrystallen er anbragt, til den anden ende af halvlederstaven (forrådsstavdelen). Halvlederstaven er herved for det meste indspændt lodret stå- 2 143456 ende i to holdere, af hvilke i det mindste den ene holder bringes til at dreje om stavaksen under zonesmeltningen, så at der sikres en symmetrisk dyrkning af det størknende materiale.

Almindeligvis ønskes det at fremstille enkrystalstave til fabrikation af halvlederkomponenter, hvilke stave med henblik på det radiale modstandsforløb udviser en meget ensartet værdi, dvs. at der ved fremstillingen af disse krystalstave tilstræbes en meget god gennemblanding af smelten under den digelfri zonesmeltning,for at dotéringsstoffordelingen sker så homogent som muligt over siliciumkrystals tavens tværsnit.

Til fremstillingen af halvledermateriale for fabrikation af specielle halvlederkomponenter, f.eks. af tyristorer af den type, der kan tændes ved overskridelse af gennembrudsspændingen i gennemgangsretninger, anvendes et halvleder-udgangsmateriale, som fortrinsvis består af (111)-orienterede siliciumkrystal-skiver, som ved midten af krystalskiven har et tilsigtet fald i den specifikke modstand ψ . Til andre effektkomponenter er det f.eks. fordelagtigt, at der med homogen ψ -forløb i skivens midte findes en tilsigtet randstigning af den specifikke modstand.

Fig. 1 og 2 viser modstandsprofiler, således som de anvendes til den nævnte specielle type tyristorer, fig. 1, og til højeffektdioder, fig. 2. Langs ordinaten er afsat den specifikke modstand ^ i ohm.cm og langs abscisseaksen afstanden fra krystalskivens midte.

Opfindelsen går ud på at tilvejebringe de i fig. 1 og 2 viste modstandsprofiler ved digelfri zonesmeltning i halvlederenkrystalstave, specielt i dislokationsfrie (111)-orienterede siliciumenkrystaller.

Dette opnås ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen ved, at akseforskydningen mellem forrådsstavdelen og halvlederkrystalstaven ved zonesmeltningen til frembringelse af en vedvarende konveks krummet grænseflade ved fasegrænsen mellem fast og flydende tilstand er mindre end 10% af diameteren af den halvlederkrystal-stav, der skal fremstilles, at der anvendes en trækningshastighed på højst 3,5 mm i minuttet, og at drejningshastigheden for det nederste holdeorgan indstilles til en større værdi end drejningshastigheden for det øverste holdeorgan.

Ifølge en udførelsesform for opfindelsen anvendes der fortrinsvis en trækningshastighed på 0,2 til 2 mm i minuttet.

Følgende overvejelser, der er illustreret i fig. 3, har ført til fremgangsmåden ifølge opfindelsen:

Det er kendt, at der ved trækning af (lll)-orienterede siliciumkrystaller med mod smelten konveks krummet fasegrænse dannes en (lll)-facet, specielt i det tilfælde, hvor staven trækkes koncentrisk. Denne overvejende i stavmidten værende facet bliver desto større jo mere uforstyrret krystallen kan vokse. Ved disloka- 3 143456 tionsfrle krystaller er den særlig udpræget udformet. Dette hidrører fra, at ved dislokationsfrit voksende krystaller er den til dannelse af en krystallisations-kim på facetten nødvendige underafkøling større end ved silicium med dislokationer. Dislokationerne virker på (ill)-facetten omtrent som krystallisationskim før den stærke underafkølingsgrad, der er karakteristisk for dislokationsfrit voksende stave, er nået. Atomlaget begynder for tidligt at skyde sig lateralt, eller horisontalt, frem, og facetten er i dette tilfælde lille.

Det er endvidere kendt, at doteringsstofferne i facetområdet indbygges i større koncentration i krystallen end uden for facetten. Dette betyder et fald i den specifikke modstand af staven i området for denne (lll)-facet.

Da tyristorsilicium fortrinsvis fremstilles dislokations frit, er facetten og dermed også faldet i den specifikke modstand særlig dybt og stedligt vidt udbredt. I fig. 3 er vist den voksende siliciumkrystal 1 og smelten 2, mens en linje 3 viser forløbet af smelteisotermen og linjen 4 fasegrænsen mellem fast og flydende tilstand. Pilen 5 angiver dyrkningsretningen for krystallen i (111)-retningen.

Ofte slutter der sig til et mod smelten konvekst hvælvet, facetteret indre område 6 af grænsefladen endnu et ringformet, konkavt område 7 ved randen.

Det er fastslået, at der også her langs denne ring 7 for det mepte findes et doteringsstofmaksimum, hvilket er en ulempe ved komponentfremstilUngen. Ønskes der et begrænset fald i den specifikke modstand ved stavens midte, således som det bør findes ved tyristorer, der kan tændes ved overskridelse af gennembruds-spændingen i gennemgangsretningen, kan dette opnås i overensstemmelse med opfindelsen ved en påvirkning af formen af grænsefladen mellem fast og flydende til-s tand.

Fig. 4 viser formen af fasegrænsen mellem fast og flydende tilstand, således som denne fås ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Her er igen vist den rekrystalliserede siliciumkrystal 1 og smelten 2. Linjen 8 angiver forløbet af smelteisotermen og linjen 9 fasegrænsen mellem fast og flydende tilstand. Foruden den ved midten optrædende (lll)-facet 10, hvis bredde er påvirket ved foranstaltningerne ifølge opfindelsen, kan der ikke forventes andre facetter. De i fig. 3 i randområdet 7 værende sideminima i ^ -profilen er forsvundne.

Den ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen foreskrevne akseforskydning på mindre end 10% af diameteren af den halvlederkrystalstav, der skal fremstilles, betyder for en stav med en diameter på 50 mm en akseforskydning på mindre end 5 mm, og fortrinsvis mindre end 4 mm ved stavdiametre fra 35 til 45 mm. Afvigelsen fra (111)-orienteringen skal ligge under 1,5 grader.

Det har vist sig særlig fordelagtigt for udformningen af den ønskede form af fasegrænsen, at der foretages en efteropvarmning af randområdet af den ud fra smelten rekrystalliserede stav. Denne efteropvarmning kan ske induktivt eller 4 143456 ved infrarød bestråling.

Den samme virkning opnås, når forrådsstaven afkøles i nærheden af smeltespolen, f.eks. ved hjælp af en af argon bestående gasstrøm.

Endvidere er det fordelagtigt, når diameterforholdet mellem forrådsstaven D og enkrystalstaven d er indstillet til at være større end 0,6 og mindre end 2, fortrinsvis 1,3:1. Forholdet mellem smeltezonens højde h og stavdiameteren d skal være større end 0,5 og mindre end 1, dvs. at der ved en enkrystaldiameter på 30 mm fortrinsvis benyttes en smeltezonehøjde på 25 mm,og ved en stavdiameter på 45 mm anvendes fortrinsvis en smeltezonehøjde på 26 mm, mens der ved en stavdiameter på 70 mm benyttes en smeltezonehøjde på 28-30 mm.

Endvidere kan også den i overensstemmelse med opfindelsen ønskede bredde af facetten i stavens midte opnås ved, at drejningshastigheden for den nederst liggende kimkrystal fortrinsvis indstilles til et område fra 10 til 100 omdrejninger i minuttet, mens den øverste forrådsstavdel drejes med en hastighed på mindre end 10 omdrejninger i minuttet. Dette betyder, at der ved siliciumenkry-stalstave med en ønsket diameter på f.eks. 33 mm indstilles til en drejningshastighed for den øvre stavdel på 5 omdrejninger i minuttet og for den nedre stavdel 35 omdrejninger i minuttet. For en stavdiameter på 45 mm anvendes til den nederste stavdel 15 omdrejninger i minuttet og for den øverste stavdel 5 omdrejninger i minuttet, og for en krystalstavdiameter på 18 mm benyttes for den underste del en drejningshastighed på 90 omdrejninger i minuttet, mens den øverste stavholder ikke drejes.

Færdige enkrystalstave med lokalt snævert begrænsede kraftige modstandssvingninger, f.eks. ved såkaldte f3 -spikes, striations og sideminima, kan gøres anvendelige til tyristorer, der kan tændes ved overskridelse af gennembrudsspændingen i gennemgangsretningen, når de udsættes for en temperaturbehandling så nær som muligt smeltepunktet for halvledermaterialet i en beskyttelsesgasatmosfære eller i luft. Til silieiumenkrystalstave er herved en temperaturbehandling i et område fra 1300 til 1400°C i et tidsrum af 5 timer i et siliciumrør tilstrækkelig.

Et bredt fald i den specifikke modstand ved stavmidten forbliver herved uændret, mens et snævert begrænset modstandsfald udjævnes.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan der i siliciumenkrystalstaven ved midten opnås et f3 -fald i området fra 30 til 60%.