DE2234512C3 - Verfahren zum Herstellen von (Umorientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abtauendem spezifischem Widerstand - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von (Umorientierten Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abtauendem spezifischem WiderstandInfo
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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:
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.
3 zeigt den Verlauf der Schmelzisothermen an und die
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
5,5 mm/min ein Einkristallstab von 33 mm 0 gezogen.
ρ-Einbrüche in der Stabmitte in einem Bereich von 20 bis 40%.
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
Claims (2)
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.
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