DE2234512C3 - Verfahren zum Herstellen von (Umorientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abtauendem spezifischem Widerstand - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von (1 Umorientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abfallendem spezifischem Widerstand durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines senkrecht an leinen Enden gehalterten, dotierten Halbleiterkristallstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem (111 )-orientierten Keimkristall ausgehend die Schmelzzone in Richtung der Stabachse des Vorratsstabteils bewegt wird.

Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Halbleiterstäbe, insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristallstäbe übergeführt werden, daß man eine Schmelzzone von dem Ende, an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Halbleiterstabes (Vorratsstabteil) wandern läßt Der Halbleiterstab wird hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt, wobei mindestens die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.

Im allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallstäbe für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, welche in bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf sehr gleichmäßige Werte aufweisen, das heißt, bei der Herstellung dieser Kristallstäbe wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des tiegelfreien Zonenschmelzens angestrebt, damit die Dotierungsstoffverteilung möglichst homogen über den Querschnitt des Siliciumkristallstabes erfolgt.

Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, zum Beispiel von Uberkopfzündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches vorzugsweise aus (11 l)-orientierten Siliciumkristallscheiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen gezielten Einbruch des elektrischen spezifischen Widerstandes (ρ) aufweisen. Für andere Leistungsbauelemente ist es zum Beispiel vorteilhaft, bei homogenem ρ-Verlauf in der Scheibenmitte einen gezielten Randanstieg des spezifischen Widerstandes zu haben.

Die F i g. I und 2 der Zeichnung zeigen Widerstandsprofile, wie sie für überkopfzQndfeste Thyristoren (Fig. 1) und für Hochleistungsdioden (Fig.2) verwendet werden. Dabei ist als Ordinate der spezifische elektrische Widerstand ρ in Ohm-cm und als Abszisse der Radius der Kristallscheibe aufgetragen. Die parallel zur Ordinate verlaufende gestrichelte Linie soll die Scheibenmitte anzeigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die in den F i g. I und 2 aufgezeigten Widerstandsprofile durch tiegelfreies Zonenschmelzen in Halbleitereinkristallstäben, insbesondere in versetzungsfreien (Il ^-orientierten Siliciumeinkristallen, ta erzeugen.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Achsenversetzung Vorratsstabteil: Halbleiterkristallstab beim Zonenschmelzen auf kleiner als 10% des Durchmessers des herzustellenden Halbleiterkristallstabes, die Ziehgeschwindigkeit auf mindestens 3,5 mm/min und das Durchmesserverhältnis Vorratsstab : Einkristallstab auf größer als 1,1 eingestellt werden. Dadurch wird erreicht, daß eine stetig konkav gekrümmte Grenzfläche an der Phasengrenze fest-flüssig erzeugt wird, an die nur in der Stabmitte eine (111)-Tangente angelegt werden kann.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Ziehgeschwindigkeit auf 5,5 mm/min eingestellt wird.
JO Folgende, in der Fig.3 dargestellte Überlegungen haben zu dem Verfahren gemäß der Lehre der Erfindung geführt:

Es ist bekannt, daß beim Ziehen von (11 ^orientierten Siliciumkristallen mit zur Schmelze konvex gewölbter Phasengrenze sich eine (111)-Facette ausbildet, insbesondere dann, wenn der Stab konzentrisch gezogen wird. Diese vornehmlich in der Stabmitte befindliche Facette wird um so größer sein, je ungestörter der Kristall wachsen kann. Sie ist beim versetzungsfreien Kristall besonder», prägnant ausgebildet. Dies rührt daher, daß beim versetzungsfrei wachsenden Kristall die für die Bildung eines Kristallisationskeims auf der Facette notwendige Unterkühlung größer ist als beim versetzungsbehafteten Silicium. Die Versetzungen wirken auf der (lll)-Facette quasi als Kristallisationskeime, bevor der starke Unterkühlungsgrad erreicht ist, der für versetzungsfrei wachsende Stäbe charakteristisch ist. Die Atomschicht beginnt vorzeitig lateral (horizontal) vorzuschießen; die Facette ist in diesem Fall klein.

Es ist ferner bekannt, daß im Facettenbereich der Dotierungsstoff in größerer Konzentration in den Kristall eingebaut wird als außerhalb der Facette. Dies bedeutet einen Einbruch des spezifischen Widerstandes des Stabes im Bereich dieser (111)-Facette. Da Thyristorsilicium bevorzugt versetzungsfrei hergestellt wird, ist die Facette und damit auch der ρ-Einbruch besonders tief und räumlich weit ausgedehnt.

Mit dem Bezugszeichen I in F i g. 3 ist der wachsende Siliciumkristall bezeichnet, mit 2 die Schmelze; die Linie

3 zeigt den Verlauf der Schmelzisothermen an und die

Linie 4 die Phasengrenze fest-flüssig. Der Pfeil 5 gibt die Wachstumsrichtung des Kristalls in (111)-Richtung an. Häufig schließt sich an einen konvex gewölbten

facettierten Innenbereich 6 der Grenzfläche am Rand noch ein ringförmiger konkaver Bereich 7 an. Dieser konkave Bereich 7 wird entsprechend dem in Stabmitte auftretenden Hauptminimum im ρ-Profil als Nebenmini-

mum im «j-Profil bezeichnet, Es wurde festgestellt, daß sich auch hier längs des Ringes 7 ein Dotierstoffmaximum befindet. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, durch die Beeinflussung der Form der Grenzfläche fest-flüssig dieses im Nebenminimum liegende Dotierstoffmaximum und damit den konkaven Bereich in die Stabmitte zu verschieben,

Fig.4 zeigt die Form d«r fest-flüssig-Phasengrenze, wie sie durch die Erfindung erreicht wird. Dabei ist mit dem BezugszeLhen 1 der rekristallisierte Siliciumstab und mit 2 die Siliciumschrnelze bezeichnet. Die Linie 8 zeigt den Verlauf der Phasengrenze fest-flüssig, und die waagrechte Linie 9 soll die nur in Stabmitte anlegbare (111)-Ebene als Tangente darstellen. Durch den Pfeil IO wird die Wachstumsrichtung des Kristalls in (111)-Richtung angezeigt, das heißt, bei untenliegendem Keimkristall wächst der Einkristallstab von unten nach oben. Das Durchmesserverhältnis Vorratsstabteil D: Einkristallstab (/wird auf mindestens 1,1 eingestellt, das heißt.

es gilt die Beziehung P;d größer als 1,1, Im

Ausführungsbeispiel wird aus einem 45 mm dicken Vorratsstpb bei einer Ziehgeschwindigkeit von

5,5 mm/min ein Einkristallstab von 33 mm 0 gezogen.

Die nach dem Verfahren nach der Lehre der Erfindung hergestellten Siliciumeinkristallstäbe zeigen

ρ-Einbrüche in der Stabmitte in einem Bereich von 20 bis 40%.

Fertige Einkristallstäbe mit örtlich eng begrenzten

starken Widerstandsschwankungen können für überkopfzündbare Thyristoren verwendbar gemacht werden, wenn sie möglichst nahe am Schmelzpunkt des Halbleitermaterial in Schutzgasatmosphäre oder Luft getempert werden. Für Silicium als Halbleitermaterial ist dabei eine Temperatur in einem Bereich von 1300 bis 1400⁰C während ca. fünf Stunden in einem Siüciumrohr ausreichend. Ein breiter Widerstandseinbruch in der Stabmitte bleibt dabei erhalten. Ein eng begrenzter Widerstandseinbruch wird eingeebnet

Hierzu 2 Blatt Zeichnunaen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Herstellen von (lll)-orientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte hin abfallendem spezifischem Widerstand durch tiegelfreies Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen beiden Enden gehalterten, dotierten Halbleiterkristallstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem (11 l)-orientierten Keimkristall ausgehend die Schmelzzone in Richtung der Stabachse des Vorratsstabteils bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, 'daß die Achsenversetzung Vorratsstabteil: Halbleiterkristallstab beim Zonenschmelzen auf kleiner als 10% des Durchmessers des herzustellenden Halbleiterkristallstabes, die Ziehgeschwindigkeii auf mindestens 3,5 mm/min und das Durchmesserverhältnis Vorratsstab: Einkristallstab auf größer als 1,1 eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeii auf 5,5 mm/min eingestellt wird.