CH517525A - Verfahren zum Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit homogener Antimondotierung - Google Patents

Description

  Verfahren zum Herstellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit homogener Antimondotierung    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her  stellen stabförmiger Siliciumeinkristalle mit über die  gesamte Stablänge homogener Antimondotierung durch  Ziehen aus der Schmelze, bei dem der Einkristall mit  tels eines Keimkristalls aus einer in einem Tiegel be  findlichen Schmelze entsprechend gewählten Antimon  gehalts gezogen wird, wobei während des Kristall  wachstums ein Teil des in der Schmelze befindlichen  Antimons verdampft wird und der Ziehvorgang in  einem evakuierbaren Reaktionsgefäss in einer Schutz  gasatmosphäre bei vermindertem Druck durchgeführt       wird.     



  Die formale Beziehung für den Verlauf der Stör  stellenkonzentration längs eines tiegelgezogenen Kri  stalls unter Berücksichtigung der Abdampfung lautet:  
EMI0001.0001     
  
EMI0001.0002     
  
    Dabei <SEP> bedeutet:
<tb>  k <SEP> = <SEP> Verteilungskoeffizient,
<tb>  O <SEP> = <SEP> freie <SEP> Oberfläche <SEP> der <SEP> Siliciumschmelze <SEP> (= <SEP> ab  dampfende <SEP> Oberfläche),
<tb>  g <SEP> = <SEP> Abdampfkoeffizient <SEP> des <SEP> Störstellenstoffes <SEP> (Anti  mon) <SEP> aus <SEP> der <SEP> Schmelze,
<tb>  R <SEP> = <SEP> Kristallwachstumsgeschwindigkeit <SEP> (sec/g),
<tb>  d <SEP> = <SEP> Dichte <SEP> der <SEP> Siliciumschmelze,
<tb>  Cx <SEP> = <SEP> Störstellenkonzentration <SEP> an <SEP> der <SEP> Stelle <SEP> x
<tb>  (x <SEP> = <SEP> Ortskoordinate).

         Die Bedingungsgleichung für Cx = konst. lautet:  
EMI0001.0003     
    Infolge der technischen Gegebenheiten beim Kri  stallziehen bleiben die Faktoren O (= freie Oberfläche  der Siliciumschmelze) und R (=     Kristallwachstumsge-          schwindigkeit)    während des Ziehvorganges nicht immer    konstant, d. h. Cx bleibt nicht konstant. Das Haupt  patent und die Erfindung lehrt, dass der Abdampfkoeffi  zient g des Störstellenstoffes vom Rezipientdruck ab  hängig ist. Durch eine geeignete Programmierung des  Rezipientendruckes und damit des Abdampfkoeffizien  ten g kann die Bedingungsgleichung  
EMI0001.0006     
    für das Kristallziehen aus dem Tiegel nach dem er  findungsgemässen Verfahren ortsunabhängig gemacht  werden.

   Das wird dadurch erreicht, dass durch program  miertes schrittweises Absenken des Druckes im Reak  tionsgefäss während des Ziehvorganges die Abdampf  rate der Dotierung so geändert wird, dass die Störstel  lenkonzentration im gezogenen Kristall nahezu konstant  bleibt.  



  Durch das erfindungsgemässe     Verfahren    gelingt es,  80 % der Länge eines Siliciumeinkristallstabes mit  homogener Dotierung herzustellen.  



  Das Wesen des Erfindungsgedankens soll durch das  in der Zeichnung in     Fig.    1 dargestellte Kurvendiagramm  noch weiter erläutert werden. In diesem Diagramm  wird     die    Kompensation des Abfalls des spezifischen  Widerstandes durch das Absenken des Druckes wäh  rend des Ziehvorgangs dargestellt. Dabei ist als Ordi  nate die Widerstandsänderung     o/",    bezogen auf den       Anfangswert        oo,    eingetragen, während die Abszisse den  Anteil an kristallisierter Schmelze in %, also die Länge  des bereits gezogenen Stabes, darstellt.

   Zur Veranschau  lichung des Kurvenverlaufes sind in der     Fig.    1 drei  Kurven mit gleichem     Ausgangswert    des spezifischen  Widerstandes, aber unterschiedlichen Ziehbedingungen,  also mit verschieden eingestellten     Abdampfkoeffizien-          ten,    dargestellt:      Kurve 1: Theoretische Kurve, berechnet mit einem  Verteilungskoeffizienten ko - 0,023 (Anti  mon im     Silicium),     Kurve 2: Siliciumeinkristallstab, gezogen bei 760 Torr,  Kurve 3: Siliciumeinkristallstab, gezogen nach dem er  findungsgemässen Verfahren unter Berück  sichtigung der Abdampfrate (nach Glei  chung) bei 10 Torr und 7 Torr.  



  Vergleicht man die Kurven 1- und 2 (bisher übliche  Verfahren) mit der dem erfindungsgemässen Verfahren  zugeordneten Kurve 3, so ist deutlich zu erkennen, dass  durch eine Programmierung des Rezipientendruckes  während des Ziehprozesses die Abdampfrate des Anti  mons und damit der Widerstandsverlauf beeinflusst wer  den kann. Durch das Verfahren nach der Lehre der  Erfindung lässt sich die Ausbeute an für die Weiterver  arbeitung zu Halbleiterbauelementen brauchbarem Kri  stallmaterial gegenüber den bisher bekannten Verfahren  erheblich verbessern.

   Die so hergestellten Siliciumein  kristalle sind wegen ihres konstanten spezifischen Wi  derstandes über nahezu die gesamte Stablänge in be  sonders     vorteilhafter    Weise für die Herstellung von  Trägerkristallen für epitaktische Aufwachsschichten ge  eignet, da durch die gleiche Dotierungskonzentration  aller     Kristallscheiben    grössere Streuungen der elektri  schen Parameter der daraus gefertigten Halbleiterbau  elemente vermieden werden können.  



  Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver  fahrens vorgesehene Apparatur ist aus Fig. 2 ersicht  lich.  



  In einem Reaktionsgefäss 10 befindet sich ein Keim  kristall 1, der mittels einer Halterung 2 mit einer in  der Figur nicht mehr dargestellten Antriebsvorrichtung  verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Halte  rung 2 und der     Antriebsvorrichtung    wird dabei durch  ein Zwischenglied 3 hergestellt. Durch diese Antriebs  vorrichtung kann der Keimkristall 1 zusammen mit  dem daran anwachsenden einkristallinen Siliciumstab 4  in Rotation um seine Längsachse versetzt und nach  Massgabe des Kristallwachstums nach oben aus der  Schmelze 5, die sich in einem Quarztiegel 6 befindet,  gezogen werden.

   Der Quarztiegel 6 ist innerhalb eines  Graphittiegels 7 angeordnet, der durch die ausserhalb  des     Reaktionsgefässes    10 befindliche Hochfrequenz  spule 8 aufgeheizt wird, wobei deren Heizwirkung  durch den Energiekonzentrator 9 verstärkt wird. Ausser  dem wird der Quarztiegel 6 seinerseits durch Wärme  übergang vom Graphittiegel 7 beheizt. Die Temperatur  der Schmelze wird mittels des     Pt/Pt-Rh-Thermoele-          ments    11, das in einem Schutzrohr 12 aus Aluminium  oxyd oder Quarz untergebracht ist, oder durch Messung  der HF-Leistung der HF-Spule, bestimmt. Das Thermo  element 11 kann mit einem in der Figur nicht darge  stellten Regelkreis zur Steuerung der Energiezufuhr  und damit zur Einstellung der Schmelztemperatur ver  bunden werden.

   Den unteren Abschluss des Reaktions  gefässes 10 bildet die Bodenplatte 13, durch die die  rohrförmige Tiegelhalterung 14 und die stabförmige  Halterung 15 für den Energiekonzentrator 9 gasdicht  hindurchgeführt sind. Ausserdem ist ein Einlassstutzen  16 vorgesehen, durch den das Schutzgas, z. B. Argon,    das einem Vorratsgefäss 17 entnommen wird, über das  Dosierventil 18 in das Reaktionsgefäss 10 eingeleitet  wird. Als oberer Abschluss für das     Reaktionsgefäss    10  ist ein mit einem Kühlmantel 19 versehenes Kopfteil 20  vorgesehen. Der Zu- bzw. Abfluss des Kühlwassers er  folgt über die Stutzen 21 und 22.

   Durch das Kopf  teil 20 ist die Stabhalterung 2, die mit dem Verbin  dungsglied 3 gekoppelt ist,     hindurchgeführt.    Zur Ab  dichtung des Reaktionsgefässes sind     ausserdem    die Dich  tungen 23 und 24 vorgesehen. Der     Unterdruck    im Reak  tionsgefäss     wird    durch das aus der Diffusionspumpe 25  und der Vorpumpe 26 bestehende Pumpaggregat er  zeugt. In die Pumpleitungen ist ausserdem der Ventil  block 27 eingebaut. Die Druckmessung wird mittels  des Manometers 28 und des Penningmessrohres 29  vorgenommen.  



  Zunächst wird das Silicium bei     vermindertem     Druck, z. B. bei 10-5 Torr, geschmolzen. Die Schmelz  temperatur beträgt etwa 1400 bis 1450  C.     Dann        wird     die Temperatur der     Schmelze    so weit abgesenkt, dass  das Schmelzgut gerade noch     flüssig    bleibt. Danach wird  aus dem Vorratsgefäss Argon in das     Reaktionsgefäss     eingeleitet und der Gasdruck im Gefäss auf etwa 500  bis 760 Torr eingestellt. Nach dem Eintauchen und  Anschmelzen des Keimkristalls wird mit dem Ziehen  des Kristalls begonnen. Das als Dotiermaterial dienende  Antimon wird vor oder nach dem Eintauchen des  Keimkristalls in kleinen Stücken, z.

   B. in     Kugeln,    glei  chen Gewichts, in die Siliciumschmelze geworfen. Aus  dieser antimondotierten Schmelze wird nun der mit  einer Umdrehungszahl von etwa 10 bis 100 UpM, vor  zugsweise etwa 50 UpM, um seine Längsachse rotie  rende Kristall gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit be  trägt dabei etwa 1 bis 3 mm pro Minute. Danach wird  der Gasdruck im Reaktionsgefäss auf einen Wert von  etwa 10 Torr eingestellt. Dieser Wert wird durch pro  grammiertes, schrittweises Absenken so verändert, dass  er nach einer halben Stablänge (50 % der kristallisierten  Schmelze) etwa 7 Torr erreicht hat. Die zweite Hälfte  des Kristallstabes wird dann bei einem Argondruck von  etwa 7 Torr aus der Schmelze gezogen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zum Herstellen stabförmiger Silicium einkristalle nach dem Patentanspruch I des Hauptpa tentes mit über die gesamte Stablänge homogener Anti mondotierung durch Ziehen aus der Schmelze, bei dem der Einkristall mittels eines Keimkristalls aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze entsprechend ge wählten Antimongehaltes gezogen wird,

   wobei während des Kristallwachstums ein Teil des in der Schmelze be findlichen Antimons verdampft wird und bei dem der Ziehvorgang in einem evakuierbaren Reaktionsgefäss in einer Schutzgasatmosphäre bei vermindertem Druck durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch programmiertes schrittweises Absenken des Druckes im Reaktionsgefäss während des Ziehvorganges die Ab dampfrate der Dotierung so geändert wird,

   dass die Störstellenkonzentration im gezogenen Kristall nahezu konstant bleibt.