DE69016392T2

DE69016392T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Züchtung von Kristallen.

Info

Publication number: DE69016392T2
Application number: DE69016392T
Authority: DE
Inventors: Muhammed Afzal Shahid
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-11-24
Also published as: KR910013456A; EP0435454A1; DE69016392D1; US4966645A; JPH03177400A; KR0165847B1; EP0435454B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Plättchen aus monokristallinem Halbleitermaterial.

Allgemeiner Stand der Technik

Als eine der wichtigsten Entwicklungen der Halbleitertechnik der letzten Jahre hat sich die zunehmende Verwendung und Bedeutung von Verbindungshalbleitern ergeben. Besonders wichtig sind dabei die Verbindungen der Gruppe III-V, die sich aus Elementen der Gruppen III und V des Periodensystems wie Galliumarsenid und Indiumphosphid zusammensetzen. Derartige Materialien werden zum Beispiel zur Herstellung von Lasern, Leuchtdioden, Mikrowellenoszillatoren und Lichtdetektoren verwendet. Gleichfalls vielversprechend sind die II-VI- Materialien wie Cadmiumsulfid, das zur Herstellung von Lichtdetektoren und anderen Einrichtungen verwendet werden kann.
Der kommerzielle Einsatz von Verbindungshalbleitern erfordert meistens die Züchtung von großen monokristallinen Barren, aus denen zur späteren Herstellung nützlicher vorrichtungen Plättchen geschnitten werden können. Als eine der hoffnungsvolleren Methoden, so Kristalle zu züchten, stellt sich das VGF-Verfahren [VGF = "vertical gradient freeze" = Vertikalgradientengefrier-] dar, insbesondere das im amerikanischen Patent Nr. 4 404 172 von W.A. Gault, erteilt am 13. September 1983, und in dem Artikel "A Novel Application of the Vertical Gradient Freeze Method to the Growth of High Quality III-V Crystals" [Eine neue Anwendung des Vertikalgradientengefrierverfahrens zur Züchtung von hochwertigen III-V-Kristallen] von W.A. Gault et al., Journal of Crystal Growth, Band 74, Seiten 491-506, 1986, beschriebene VGF-Verfahren. Nach diesem Verfahren wird Halbleiterrohmaterial in einen sich senkrecht erstreckenden Tiegel mit einem kleinen zylindrischen Impflingstaschenteil an dessen unterem Ende eingebracht, das einen monokristallinen Impfkristall in enger Passung aufnimmt. Zuerst werden das Rohmaterial und ein Teil des Impfkristalls geschmolzen. Danach wird die an das System abgegebene Leistung so verringert, daß der Gefriervorgang senkrecht aufwärts vom Impfkristall weg verläuft, wobei die Kristallstrukur des gezüchteten Barrens jener des Impfkristalls entspricht.
Zwar scheint das VGF-Verfahren hinsichtlich der Verringerung der Dichte an Dislokationen und anderen Fehlstellen im Barren bessere Ergebnisse zu liefern als andere Verfahren, doch bildet die Anzahl von Störstellen in derartigen Barren immer noch ein Problem. Es war bereits bekannt, daß diese sich oft aus Spannungen an der Grenzfläche des Kristalls mit dem Tiegel ergeben, und daß derartige Spannungen verringert werden können, indem der Kristall in der kristallographischen Richtung < 111> (bzw., genauer genommen der Richtung < 111> B) gezüchtet wird. Die meisten Halbleiterverfahren erfordern aber, daß die Plättchen, aus den Vorrichtungen hergestellt werden, in der kristallographischen Richtung < 100> oder in einer jener Richtung nahekommenden Richtung ausgerichtet sind. Sind die Plättchen in der Richtung < 100> ausgerichtet, so bilden sich, wenn die Plättchen entlang kristallographischen Ebenen zu Chips zerschnitten werden, auf natürliche Weise rechteckige Strukturen, während bei Ausrichtung der Plättchen in der Richtung < 111> bei derartiger Verarbeitung die Neigung zur Bildung von trapezförmigen oder dreieckigen Strukturen bestünde. Es ist daher üblich, nach der Züchtung des Barrens aus diesem unter einem Winkel, bezogen auf die mittige Achse des Barens, von etwa 35,3º Plättchen zu schneiden, so daß die oberen Flächen derartiger Plättchen in der entsprechenden kristallographischen Ebene liegen. Da der Barren zylindrisch ist, führt dies zur Bildung von elliptischen Plättchen (die aus Barren geschnittenen Segmente werden hier der Einfachheit halber als "Plättchen" bezeichnet, obwohl derartige Segmente manchmal "Scheiben" genannt werden und der Begriff "Plättchen" sich manchmal auf die Scheibe bezieht, nachdem diese geschliffen und poliert worden ist).
Die Bearbeitungstechnik von Halbleiterplättchen zur Herstellung von Chips mit integriertem Schaltkreis und anderen nützlichen Halbleitervorrichtungen leitet sich aus der viel älteren Siliciumtechnik her, bei der kreisförmige Plättchen aus zylindrischen Barren geschnitten werden. Der rationelle Einsatz elliptischer Halbleiterplättchen ist daher schwierig, und die Verwendung elliptischer Plättchen ist von Natur aus mit erheblichem Verlust an nutzbarer Halbleiterplättchenoberfläche verbunden. Man hat dies lange als einen für die Züchtung von Verbindungshalbleitern in der Richtung < 111> zu zahlenden Preis angesehen, und bei entsprechend strengen Anforderungen bezüglich niedriger Fehlstellendichte war, so wurde angenommen, dieser Preis eben zu entrichten. Es besteht daher schon lange ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur Züchtung von Verbindungshalbleiterbarren mit möglichst wenig Fehlstellen, aus dem jedoch kreisförmige Plättchen geschnitten werden können.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein in Anspruch 1 angegebenes Verfahren zur Verfügung gestellt.
Gemäß der Erfindung weist der Hauptteil des Tiegels, in dem der Verbindungshalbleiterbarren gezüchtet wird, eine innere Fläche auf, die in einem quer zu der mittigen Achse des Tiegels stehenden Schnitt im wesentlichen eine Ellipse bildet. Infolgedessen hat der in dem Tiegel gezüchtete Barren einen elliptischen Querschnitt. Nach Entnahme des Barrens aus dem Tiegel wird er unter einem Winkel, bezogen auf die mittige Achse des Barrens, und in Richtung der kleinen Achse der den Barrenquerschnitt bildenden Ellipse geschnitten. Dabei haben die aus dem Barren geschnittenen Plättchen dann einen kreisförmigen Umfang, wenn der Sinus des Winkels, unter dem sie geschnitten werden, im wesentlichen gleich y ÷ x ist, wobei y die Dicke des Barrens entlang der kleinen Achse der Ellipse und x die Dicke des Barrens entlang der großen Ellipsenachse bedeutet. So können zum Beispiel in der kristallographischen Richtung < 111> gezüchtete Barren unter einem solchen Winkel geschnitten werden, daß die Plättchenoberfläche in der gewünschten kristallographischen Ebene {100} liegt und dennoch jedem Plättchen ein kreisförmiger Umfang verliehen werden kann. Dadurch wird die nutzbare Halbleiteroberfläche jedes Plättchens im Vergleich mit auf herkömmlichen zylindrischen Barren hergestellten elliptischen Plättchen erheblich vergrößert.
Ein besseres Verständnis dieser sowie auch anderer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergibt sich nach Betrachtung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit der zur Beschreibung gehörenden Zeichnung.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Figur 1 stellt einen Aufriß eines zur Herstellung von monokristallinen Halbleiterbarren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Tiegels dar;
Figur 2 ist eine Ansicht entlang den Linien 2-2 der Figur 1;
Figur 3 ist eine Ansicht entlang den Linien 3-3 der Figur 1;
Figur 4 zeigt einen Teil der Impflingstasche und der Übergangsbereiche des Tiegels der Figur 3 und veranschaulicht, wie Impkristalle und Rohmaterial in einen derartigen Tiegel eingebracht werden; und
Figur 5 ist eine Ansicht eines Teils eines mit der Vorrichtung der Figur 4 hergestellten Barrens.

Ausführliche Beschreibung

Das oben erwähnte Patent von Gault und die Veröffentlichung von Gault et al. beschreiben ausführlich die zur erfolgreichen Züchtung von monokristallinen III- V-Halbleiterbarren nach dem Vertikalgradientengefrierverfahren zu verwendende Vorrichtung und einzuhaltenden Verfahrensschritte. Der Kürze halber, und zur Betonung der die vorliegende Erfindung ausmachenden Verbesserungen, seien derartige Einzelheiten hier nicht wiederholt, da sich versteht, daß die bevorzugte Durchführungsweise der Erfindung das VGF-Verfahren einsetzt. Es sei auch darauf hingewiesen, daß Begriffe wie "monokristallin" und "Einkristall" zwar zur Beschreibung von Barren verwendet werden, die meisten Barren jedoch Fehlstellen oder lokale Abweichungen von der Monokristallinität aufweisen, und erfolgreiche Zuchtmethoden jene sind, die solche Fehlstellen verringern oder auf ein Mindestmaß herabsetzen (aber nicht unbedingt eliminieren).
Bei dem VGF-Verfahren wird ein Tiegel mit einem Impflingstaschenteil, einem Übergangsteil und einem die Form des zu züchtenden Barrens bestimmenden zylindrischen Hauptteil verwendet. Unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 2 und 3 liegt die Erfindung des Antragstellers in der Verwendung eines Tiegels 12 mit einem Hauptteil 13 mit einer inneren Fläche 14, de in einem quer zur die Tiegelachse vorgenommenen Schnitt eine Ellipse bildet, wie in Figur 1 dargestellt.
In einem Beispiel zur Erläuterung der Erfindung kann der Tiegel 12 aus pyrolytischem Bornitrid mit einer einheitlichen Wandstärke von 0,0635 cm (0,025 Zoll), einer Bauläne L&sub1; von 25,4 cm (zehn Zoll), einer Impflingstaschenlänge L&sub2; von 0,79 cm (5/16 Zoll) und einer Gesamtlänge der Impflingstaschen- und Übergangsbereiche L&sub3; von 4,8 cm (1 29/32 Zoll). Wie aus Figur 2 ersichtlich, kann die Länge x der großen Achse der Ellipse 5,56 cm (2,19 Zoll) betragen, und wie aus Figur 3 ersichtlich, kann die Länge y der kleinen Achse der Ellipse 3,35 cm (1,32 Zoll) betragen. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, weist der Übergangsbereich eine Krümmung mit Radius r zwischen dem Impflingstaschenteil und dem Hauptteil auf. Der Hauptteil kann sich so ein wenig erweitern, daß er an seinem oberen Ende eine etwas größere Querschnittsfläche aufweist als an seinem unteren Ende, um die Entfernung des Barrens nach dessen Züchtung aus dem Tiegel zu erleichtern.
Das Figur 4 betrifft, so wird, wie dem Fachmann bekannt, ein monokristalliner Impfkristall 16 des zu züchtenden Halbleitermaterials, wie etwa Indiumphosphid, in den zylindrischen Impfkristallteil des Tiegels 12 eingebracht. Der Tiegel wird dann fast ganz mit Rohmaterial, aus dem der Barren hergestellt werden soll, wie etwa Indiumphosphid-Polykristalle 17, gefüllt. Außerdem kann der Tiegel auch eine gewisse Menge Boroxid zur Verkapselung des geschmolzenen Materials der Gruppe III-V enthalten, und es kann auch elementares Material der Gruppe V zugegeben werden, damit die Stöchiometrie des Barrens während dessen Wachstums aufrechterhalten wird.
Der zylindrische Impfkristall 16 wird so gebildet, daß seine obere Fläche 18 in der kristallographischen Ebene {111} liegt, wobei dann eine zur Oberfläche 18 senkrecht stehende Richtung, wie durch Pfeil 19 angegeben, die Richtung < 111> darstellt. Unter diesen Bedingungen wächst von der Oberfläche 18 des Impfkristalls 16 wachsendes Einkristallhalbleitermaterial senkrecht aufwärts in der durch Pfeil 19 angegebenen kristallographischen Richtung < 111> . Bei der Züchtung von Galliumarsenid und Indiumphosphid ist es üblich, den Impfkristall auf diese Weise auszurichten, um Spannungen zwischen der Innenfläche des Tiegels und dem Barren während der Züchtung herabzusetzen und um so Fehlstehlen im Barren auf ein Mindestmaß zu reduzieren, vor allem entlang der Außenfläche des Barrens.
Es erfolgt eine regelbare Wärmebeaufschlagung des Rohmaterials durch eine Heizung 15, die den Tiegel umgibt. Die Züchtung des Barrens erfolgt, indem zuerst das Rohmaterial 17 und ein Teil des oberen Abschnitts des Impfkristalls 16 geschmolzen werden, worauf man den Temperaturgradienten innerhalb des Tiegels so abstimmt, daß die Rekristallisation oder das Gefrieren zuerst an der Grenzfläche der Schmelze und des festen Impfkristalls eintritt und dann aufwärts fortschreitet, bis das gesamte geschmolzene Rohmaterial als ein einziger Barren rekristallisiert ist. Das Gefrieren erfolgt durch Verringerung des Heizungsstroms, um so die Temperatur auf gezielte Weise zu erniedrigen. Wird das Verfahren perfekt durchgeführt, so stellt der Barren einen Einkristall mit einer mit dem Impfkristall 16 identischen kristallographischen Ausrichtung dar. Es sei aber darauf hingewiesen, daß bei der Züchtung von III-V-Barren doch Fehlstellen auftreten, und daß es bei Züchtung dieser Art meist das Ziel ist, die Dichte solcher Fehlstellen zu verringern. Während des Schmelzens und nachfolgenden Gefrierens des Halbleitermaterials kann die obere Oberfläche der Schmelze mit einem Überdruck an Gas, das gegebenenfalls Dämpfe des Materials des Elements der Gruppe V enthält, beaufschlagt werden, um das Entweichen von verdampftem Material der Gruppe V aus der Schmelze zu verzögern.
Wie oben bereits erwähnt, verwenden VGF-Verfahren aus dem Stand der Technik zylindrische Tiegel, die einen zylindrischen Barren ergeben. Damit Plättchen mit der gewünschten Kristallausrichtung entstehen, muß der Barren dann unter einem verhältnismäßig scharfen Winkel, bezogen auf seine Achse, geschnitten werden, was Plättchen mit elliptischer Form ergibt. Erfindungsgemäß vermeidet man dieses Problem, indem der dargestellte und beschriebene elliptische Tiegel eingesetzt wird, welcher nach Kristallisation des Materials zu einem Barren einen Barren mit einem dem elliptischen Schnitt der in Figur 1 dargestellten inneren Fläche 14 entsprechenden elliptischen Querschnitt ergibt. Werden diese Barren zur Herstellung von Plättchen unter einem entsprechenden Winkel geschnitten, so haben die Plättchen einen kreisförmigen oder fast kreisförmigen Umfang und sind daher viel leichter zu verarbeiten.
In Figur 5 ist ein Teil eines erfindungsgemäß hergestellten Barrens 20 aus einem III-V-Material wie Indiumphosphid dargestellt. Der Barren hat eine mittige Achse 21 und eine der in den Figuren 3 und 1 dargestellten Achse y entsprechende kleine elliptische Achse y. Die Diche des Barrens 20 entlang der großen Achse entspricht dem in den Figuren 2 und 1 dargestellten Abstand x. Mit den für den als Beispiel angeführten Tiegel angegebenen Abmessungen hätte der Barren 20 also eine Dicke entlang der x-Achse von 5,65 cm (2,19 Zoll) und eine Dicke entlang der y-Achse von 3,35 cm (1,32 Zoll).
Aus dem Barren 20 werden kreisförmige Plättchen geschnitten, indem man, wie Pfeil 23 zeigt, in Richtung der kleinen Achse und, unter einem Winkel θ gegenüber der mittigen Achse 21 abwärts schneidet. Ist der Sinus des Winkels θ gleich y ÷ x, wobei y die Länge der kleinen Achse der Ellipse und x die Länge der großen Achse der Ellipse bedeutet, so hat das so entstandene Plättchen einen kreisförmigen Umfang. Erfindungsgemäß ergibt sich daher, bei Herstellung eines Plättchens durch Schneiden entlang einer Ebene 24 unter einem Winkel θ, dessen Sinus gleich y/x ist, und dann entlang einer parallelen Ebene 25 zur Herstellung eines Plättchens mit einer Dicke t, daß das Plättchen dann einen im wesentlichen kreisförmigen Umfang aufweist.
Wie bereits erwähnt, erstreckt sich die mittige Achse 21 des Barrens, wenn die Oberfläche 18 des Impfkristalls so festgelegt wird, daß Pfeil 19 der Figur 4 sich in der Richtung < 111> erstreckt, gleichfalls in der Richtung < 111> . Überdies sollte der Impfkristall bekanntlich vor der Züchtung so um seine mittige Achse gedreht werden, daß die Schnittlinie der Ebene {100} mit der Ebene {111} parallel zur großen Achse der Ellipse ausgerichtet ist. Die Herstellung eines Plättchens mit einer Oberfläche 24 der gewünschten kristallographischen Ausrichtung < 100> erfordert einen Winkel θ gleich 35,3º. In unserem Beispiel werden die Parameter x und y so gewählt, daß der Sinus von 35,3º gleich y ÷ x ist. Die so geschnittenen Plättchen haben daher die gewünschte Ausrichtung < 100> und sind im allgemeinen scheibenförmig mit kreisförmigem Umfang.
Bekanntlich ist es zur Herstellung bestimmter Epitaxieschichten auf der Oberfläche des Plättchens wünschenswert, daß die Oberfläche des Plättchens gegenüber der kristallographischen Ausrichtung < 100> versetzt ist. Der Winkel θ weicht dann von 35,3º ab; wird die Herstellung genau kreisförmiger Plättchen gewünscht, so sind die Parameter x und y entsprechend zu ändern. Es sei darauf hingewiesen, daß eine genaue Kreisform der Plättchen keineswegs erforderlich ist; elliptische sind ja auch schon jahrelang verwendet worden. Gegebenenfalls kann die Erfindung auch bloß zur Verringerung der Abweichung von der Kreisform geschnittener Plättchen, statt zur vollständigen Ausschaltung derselben, eingesetzt werden.
Nach meiner Schätzung erfordert die Herstellung kreisförmiger Plättchen gemäß meiner Erfindung etwa vierzig Prozent weniger Material bei derselben Anzahl Plättchen aus einer bestimmten Länge des Barrens als bei dem vergleichbaren herkömmlichen Verfahren mit elliptischen Plättchen erforderlich sind. Bei den derzeitigen Preisen für das Rohmaterial bedeutet dies eine erhebliche Verringerung der Rohmaterialkosten. Die Kostenersparnis kann auch durch die größere brauchbare Oberfläche jedes Plättchens ausgedrückt werden. Typischerweise werden aus einem einzigen Barren fünfzig Plättchen hergestellt. Verrechnet man eine entsprechende Summe für die größere brauchbare Oberfläche der Plättchen, so ist die tatsächliche Kostenersparnis unter Umständen erheblich größer als die bloß aufgrund der Rohmaterialkostenersparnis berechnete.
Da sich die Erfindung nicht so sehr mit der Herstellung an sich, sondern mit der Geometrie der Barren befaßt, könnte sie sich auch für andere Verfahren außer dem VGF-Verfahren eignen. Bei einem jeglichen Verfahren, bei dem ein Tiegel zur Festlegung des Außenumfangs eines Barrens eingesetzt wird, kann die Erfindung nutzbringend angewendet werden. Überdies ist wohlbekannt, daß II-VI- Materialien wie Cadmiumsulfid ebenso gut mittels des VGF- Verfahrens gezüchtet werden können die III-V-Halbleiterverbindungen, und daß daher dabei die Erfindung eingesetzt werden kann. Die Erfindung ist aber besonders geeignet zur Züchtung von Indiumphosphid mittels des VGF- Verfahrens, bei dem sich gezeigt hat, daß es am praktischsten durch Züchtung in der Richtung < 111> durchgeführt wird, wie oben beschrieben. Da es sich hier um eine voll entwickelte Technik handelt und die Anwendung der Erfindung keine nachteiligen Auswirkungen zu haben scheint, ergibt die Erfindung deutliche Vorteile für derartige Verfahren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Plättchen aus einem Halbleitermaterial, wobei die folgenden Schritte erfolgen:

ein Tiegel mit einem Impflingstaschenteil an einem Ende, einem Hauptteil und einem den Impflingstaschenteil und den Hauptteil verbindenden Übergangsteil wird senkrecht ausgerichtet;

in den Impflingstaschenteil an einem unteren Ende des Tiegels wird ein Impfkristall des zu züchtenden Materials eingebracht;

in den Übergangsteil und den Hauptteil wird Halbleiterrohmaterial des zu züchtenden Materials eingebracht;

das Rohmaterial und ein Teil des Impfkristalls werden geschmolzen;

und das geschmolzene Material wird fortschreitend aufwärts von Impfkristall gefroren und bildet so einen Barren mit einer mit einer mittigen Achse des Tiegels zusammenfallenden mittigen Achse;

während des Gefrierens erfolgt zumindest keine axiale Bewegung des Tiegels, und der Schritt des fortschreitenden Gefrierens des geschmolzenen Materials macht einen Teil eines VGF-Verfahrens zur Züchtung des Kristalls aus, dadurch gekennzeichnet, daß:

der Hauptteil des Tiegels eine innere Fläche aufweist, die in einem auf die mittige Achse des Tiegels senkrecht stehenden Schnitt im wesentlichen eine Ellipse bildet, wodurch die Tiegelinnenfläche das Wachstum des Hauptteils des Barrens so einschränkt, daß in einem auf die mittige Achse des Barrens senkrecht stehenden Schnitt der Barren die Form einer Ellipse mit großen und kleinen Achsen aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

der Barren eine Dicke x in der Richtung der großen Achse der Ellipse und eine Dicke y in der Richtung der kleinen Achse der Ellipse aufweist;

und der Barren in einem solchen Winkel geschnitten wird, daß der Sinus jenes Winkels im wesentlichen gleich y ÷ x ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

die mittige Achse des Barrens sich in der kristallographischen Richtung < 111> erstreckt;

und der Winkel, mit dem der Barren geschnitten wird, im wesentlichen gleich 35,3º, bezogen auf die erste Richtung, ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

der Halbleiter aus der aus einem Halbleitermaterial aus der Gruppe III-V und einem Halbleitermaterial aus der Gruppe II-VI bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß:

es sich bei dem Halbleiter um Indiumphosphid handelt.