DE1175445B - Verfahren zur Bildung von vorzugsweise schmalen Orientierungsfacetten an einem Halbleiter-Einkristallstab - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.:

Deutsche Kl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

40d-3/00Pai

Neues

1175 445
115852 VI a/40d
30. Dezember 1958
6. August 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von vorzugsweise schmalen Orientierungsfacetten an einem Halbleiter-Einkristallstab, insbesondere aus Germanium, welche bevorzugte Kristallflächen, insbesondere [lll]-Kristallflächen, optisch erkennbar machen, während der Herstellung des Stabes durch Ziehen aus der Schmelze bei der Temperatur des Schmelzpunktes des Halbleiters.

An den meisten Stäben findet man Oberflächenabschnitte, die als »Anflächungen« zu bezeichnen sind. Eine nähere Betrachtung dieser Anflächungen ergibt, daß sie aus einer Vielzahl von Stufen, ähnlich der Stufenfolge einer Treppe, bestehen, bei welcher die Stufentrittflächen von weitgehend ebenen, reflektierenden Oberflächen oder Facetten gebildet sind, die parallel zu einer [lll]-Ebene verlaufen. Die Anflächung eines Stabes besteht jeweils aus ein, zwei oder bis zu mehreren hundert Facetten.

Es ist bereits ein Verfahren zur Orientierung eines einkristallinen Stabes vorgeschlagen worden (deutsches Patent 1 108 944), das in Zusammenhang mit der Aufschneidung des Stabes in Halbleiterkörper für Halbleiterbauelemente, wie etwa Dioden und Transistoren, benutzt wird, die gewisse Ebenen parallel zu bestimmten kristallographischen Ebenen aufweisen. Dieses bereits vorgeschlagene Verfahren schließt den Gebrauch optischer Reflexionen an den Oberflächen kleiner Bereiche oder Facetten des Stabes ein.

Im Gebrauch dieses Verfahrens stieß man aber insofern auf Schwierigkeiten, als nicht alle Stäbe Facetten zeigten. Nach dem älteren deutschen Patent 1 108 944 ist es dann notwendig, durch Anwendung ausgewählter Ätzverfahren Facetten zu erzeugen.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einkristalliner Stäbe für die Fabrikation von Halbleitervorrichtungen, wie Dioden und Transistoren, besteht darin, daß man einen Impfkristall in die Mutterschmelze, z. B. aus Germanium, einfügt und daß man dann den Impfkristall langsam aus der Schmelze herauszieht, wobei gleichzeitig die Schmelze weitgehend auf der Schmelztemperatur des Materials gehalten wird. Dadurch wächst am Kristallkeim entsprechend der kristallographischen Orientierung des Keimes ein Kristall. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn die Ziehrichtung so genau wie möglich mit einer gewünschten kristallographischen Achse zusammenfallend gehalten wird.

Auf die Bildung der Orientierungsfacetten während der Herstellung eines Stabes wirken mehrere Faktoren ein. Ein wichtiger Faktor ist die Besonderheit des Ofens, in welchem der Stab erzeugt wird.

Verfahren zur Bildung von vorzugsweise
schmalen Orientierungsfacetten an einem
Halbleiter-Einkristallstab

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Als Erfinder benannt:
James Smart Hanson,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1957

(706449)

Die öfen zur Herstellung gezogener Stäbe neigen gewöhnlich zur Bildung zylindrischer Stäbe. Man hat gefunden, daß einige Öfen Stäbe liefern, welche fast vollständig zylindrisch sind, bei denen aber Facetten fehlen. Die Besonderheiten sind offenbar durch die Ofenkonstruktion bestimmt, und es ist unmöglich, bevor der Ofen gebaut und in Betrieb genommen ist, sogleich vorauszusagen, ob seine Konstruktion im Sinne einer Forderung der Facettenbildung durchgeführt ist.

Ein anderer sich auf die Facettenbildung auswirkender Faktor besteht in einem übermäßigen Winkelfehler zwischen der Ziehrichtung des Stabes aus der Schmelze und der gewünschten kristallographischen Achse des Stabes. So hergestellte Stäbe haben sehr wenige oder sogar überhaupt keine Facetten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zur Bildung von Orientierungsfacetten an einem Halbleiter-Einkristallstab während der Herstellung des Stabes durch Ziehen aus der Schmelze zu schaffen. Dabei soll dieses Verfahren unabhängig von der Ofenkonstruktion und von größeren Winkelfehlern zwischen Ziehachse und der bevorzugten Kristallachsenrichtung mit Erfolg betrieben werden können.

♦09 639/303

Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Facetten für irgendeine gewünschte Ziehachse herstellbar sind.

Für ein Verfahren zur Bildung von vorzugsweise schmalen Orientierungsfacetten an einem Halbleiter-Einkristallstab, insbesondere aus Germanium, welche bevorzugte Kristallflächen, insbesondere [lll]-Kristallflächen, optisch erkennbar machen, während der Herstellung des Stabes durch Ziehen aus der Schmelze bei der Temperatur des Schmelzpunkts des Halbleiters besteht danach die Erfindung darin, daß nach dem Erreichen der gewünschten Länge des gezogenen Einkristallstabes im Ziehprozeß durch rasche Herabsetzung der Temperatur der Schmelze um etwa 10 bis 20° C und/oder durch Herabsetzung der Ziehgeschwindigkeit eine Ausweitung der Grenzfläche am unteren Ende des Stabes herbeigeführt und der Halbleiter-Einkristall danach plötzlich aus der Schmelze genommen wird.

Wesentlich ist dabei, daß die Bedingungen bzw. Zustände bei der Kristallbildung geändert werden, ehe der Kristall aus der Schmelze gezogen wird, um so ein nach außen gerichtetes Ausweiten der Oberfläche des gewöhnlich am Unterteil zylindrischen Kristalls zu erzeugen. Dieses Ausweiten sollte jedoch ziemlich klein sein, z. B. etwa 0,13 bis 0,25 mm in radialer Breite. Dies wird vorteilhaft in dem gewünschten Umfang durch eine rasche und ausreichende Herabsetzung der Temperatur der Schmelze für eine genügend lange Zeit erreicht. Bei einigen Materialien kann die Kristallausweitung auch durch Reduktion der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls aus der Schmelze gebildet werden.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine geometrische Darstellung eines Oktaeders, dessen Flächen die [lll]-Kristallflächen wiedergeben;

F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Gerätes, welches für die optische Orientierung des einkristallinen Stabes verwendet wird;

F i g. 3 ist eine schematische Darstellung für einen üblichen Kristall-Ziehprozeß;

F i g. 4 ist eine schematische Darstellung für einen bevorzugten Verfahrensschritt zur Durchführung des Erfindungsgedankens;

F i g. 5 zeigt einen weiteren und wesentlichen Verfahrensschritt gemäß der Erfindung;

F i g. 6 zeigt im Aufriß und zum Teil im Schnitt einen einkristallinen Stab, der nach der Erfindung hergestellt wurde;

F i g. 7 zeigt in vergrößertem Maßstabe einen Teil des Stabes nach Fig. 6;

Fig. 8 gibt einen Ausschnitt aus dem Grundriß des in Fig. 7 dargestellten Stabes wieder.

In Fig. 1 ist ein Oktaeder gezeigt, dessen Ecken mit A, B, C, D, E und F bezeichnet sind. Alle Oberflächen eines solchen Oktaeders entsprechen den [lll]-kristallographischen Ebenen. Die durch die Vierecke ABDE, ACEF und BCDF bestimmten Ebenen sind unter dem Namen kristallographische [100]-Ebenen bekannt. Das in Fig. 1 gezeigte Oktaeder kann als die Darstellung eines idealen Perfektkristalls aus bestimmten Stoffen einschließlich Germanium angesehen werden.

Während der Bildung des Kristalls aus irgendeinem kristallisierten Stoff neigt er äußerst leicht dazu, in bestimmten Richtungen zu wachsen. Im Falle des Germaniums tendiert er, in Richtungen zu wachsen, welche die [lll]-Ebenen als äußere Flächen erhalten. Bei der Züchtung von Germaniumkristallen für Transistoren ist es wesentlich, daß die Stäbe einkristallin sind, d. h., daß sie einem einzigen Kristallgitter durch den gesamten Kristall hindurch folgen. Die Verfahren zur Herstellung der Germaniumkristalle, welche laufend in Gebrauch sind, sind insbesondere wegen ihrer Anpassungsfähigkeit für die Erzeugung von einkristallinen Strukturen ausgewählt worden. Während die nach diesen Verfahren hergestellten Kristalle gelegentlich polykristalline Anteile haben, welche im Falle des Transistors als Ausschuß ausscheiden mußten, sind die Hauptteile der so erzeugten Kristalle nichtsdestoweniger einkristallin.

Es ist wesentlich, daß einige Transistoren hergestellt werden, bei denen bestimmte Flächen parallel zu einer [lll]-Fläche des Kristalls liegen. Um eine solche Parallelität sicherzustellen, muß die Lage der [lll]-Flächen genau ermittelt werden können.

Eine Achse, die lotrecht zu einer [lll]-Fläche liegt, wird nachstehend als [lll]-Achse bezeichnet. In F i g. 1 ist die Y-Y'-Achse eine solche Achse, da sie senkrecht zur Fläche ABC steht. Man beachte, daß es einen Satz von drei ebenen Flächen gibt, welche den Dreiecken ACD, ABF und BCE gleichgesetzt sind und welche bei Verlängerung der [lll]-Achse im selben Punkt schneiden und gleiche Winkel mit der [lll]-Achse in jenem Punkt bilden. Dieser Winkel ist annähernd 19%° und ist in der Zeichnung als Winkel α angegeben.

Ein anderer Satz von ebenen Flächen, welche durch die Dreiecke CDE, BEF und ADF gekennzeichnet sind, schneidet bei Verlängerung die [Hl]-Achse im Punkt P' mit gleichen Winkeln <*. Wenn ein Lichtstrahlenbündel auf den Kristall gerichtet und der Kristall langsam um eine [lll]-Achse gedreht wird, dann werden die an den drei gleichwinklig zu dieser Achse liegenden Flächen reflektierten Lichtstrahlen denselben Pfaden folgen, wenn sich der Kristall dreht. Durch Festlegung dreier lichtreflektierender Facetten auf der Kristalloberfläche in der Weise, daß bei der Drehung des Stabes um eine gegebene Achse das gleiche Ziel getroffen wird, kann man es einrichten, daß die Drehachse mit der [lll]-Achse zusammenfällt. Beim Schneiden des Kristalls lotrecht zu dieser Drehachse kann man es sicherstellen, daß jeder aus dem Kristall für die Transistorherstellung herausgeschnittene Würfel Oberflächen aufweist, die parallel zu einer [Hl]-Ebene liegen.

Die Fig. 2 zeigt einen Kristallstab 1, der in ein optisches Gerät für die Ermittlung der [lll]-Achse des Kristalls eingebaut ist. An einem Ende des Kristalls ist eine Welle 2 mit Siegellack 3 oder Zement oder anderen geeigneten Mitteln befestigt. Die Welle 2 ist in einem Zylinder 4 durch zwei Sätze 5 und 6 von je drei Schrauben gehaltert. Der Zylinder 4 ruht in einem Paar von V-förmigen Traggestellen 7 und 8, so daß der Zylinder um seine geometrische Achse frei drehbar ist. Diese Haltevorrichtung einschließlich des Zylinders und der Schraubensätze 5 und 6 gestattet, die geometrische Achse des Stabes 1 bezüglich der Drehachse des Zylinders 4 zu verstellen oder zu kippen. Um die Einstellung bzw. die Lage der [lll]-Achse des Kristalls 1 zu bestimmen, werden aus einer passenden Quelle gerichtete Lichtstrah-

len oder Sonnenlicht über einen Spiegel gegen die Facetten am Kristall 1 gelenkt und von dort zu einem Auffänger 10 reflektiert. Wenn drei Facetten an verschiedenen Punkten der Oberfläche eines Kristallendes gefunden werden können, deren Reflexionen das Ziel 10 treffen, wenn der Kristall gedreht wird, dann ist es bestimmt, daß der Kristall sich um eine [lll]-Achse dreht.

Der Kristall und seine Haltevorrichtung sind so aufgebaut, daß das Licht aus einem passenden Kollimator reflektiert wird von einer der erforderlichen drei Flächen am Kristall zu dem Ziel 10 hin. Der Kristall wird dann bei der Drehung des Zylinders um annähernd 120° gewendet, um die nächste flache Fläche in Position für die Reflexion zu bringen. Die Lage des reflektierten Lichtes auf dem Auffänger 10 wird eine Anzeige des Betrages und der Richtung sein, in welche die [lll]-Achse des Kristalls geschwenkt werden muß, um sie parallel zur Drehachse des Zylinders 4 zu bringen. Die Justierung der beiden Schraubensätze 5 und 6 wird diese Verschiebung herbeiführen. Der Kristall wird wieder gedreht, und zwar auf die dritte flache Fläche, die Lage des reflektierten Lichtes auf dem Auffänger 10 wird wieder beobachtet, und eine genaue Justierung der kristallographischen Achse des Stabes wird wieder gemacht.

Dies wird fortgesetzt, bis ein reflektierter Lichtpunkt von jeder der drei flachen Flächen der Reihe nach den gleichen Punkt auf dem Auffänger 10 trifft, wenn der Zylinder 4 gedreht wird.

In Fig. 3 ist ein übliches Kristallziehverfahren dargestellt. Ein Kristallkeim, wie bei 11 gezeigt, wird in eine Schmelze 12 aus gleichem Material eingeführt. Die Schmelze befindet sich in einem Tiegel 13, dessen Material so gewählt ist, daß es die Schmelze nicht verunreinigt. Der Tiegel wird in einen Ofen gebracht, dessen Temperatur auf dem Schmelzpunkt des Materials gehalten wird. Der Kristallkeim wird dann langsam gedreht und langsam aus der Schmelze gezogen. Beim Herausziehen des Kristallkeims rekristallisiert das Material aus der Schmelze oder wächst am Kristallkeim an, so daß ein breiter, gewöhnlich zylindrischer Kristallstab, wie bei 14 gezeigt, entsteht.

Sobald nun der Kristall 14 die gewünschte Länge erreicht hat, wird gemäß der Erfindung die Temperatur der Schmelze plötzlich um einen ausreichenden Betrag, z. B. 10 bis 20° C, herabgesetzt. Dies läuft auf eine ganz plötzliche Zunahme im Durchmesser des Stabes an der Fest-Flüssig-Berührungsfläche hinaus und bildet eine Ausweitung am unteren Ende des Stabes. Diese herabgesetzte Temperatur wird so lange gehalten, bis die Ausweitung eine gewünschte radiale Breite, vorzugsweise im Betrage von 0,13 bis 0,25 mm, erreicht hat. Sobald die verlangte Ausweitung größenmäßig erreicht ist, wird der Kristall plötzlich von der Schmelze abgehoben (vgl. Fig. 5).

Bei den üblichen Kristallziehverfahren ist der wachsende Stab in der Hauptsache im oder leicht unter dem Schmelzpunkt des Materials, während die Schmelze gewöhnlich etwas über jener Temperatur gehalten wird. Dies geschieht am besten durch Herabsetzung der Höhe der Wärmezufuhr um einen Betrag, welcher von der Ofenkonstruktion und anderen Faktoren abhängt. Es ist berücksichtigt, daß eine Temperaturherabsetzung der Schmelze von 10 bis zu etwa 20° C die besten Ergebnisse liefert. Dieser Temperaturabfall verursacht leicht Ausweitung, gefährdet aber nicht die Rekristallisation der Schmelze im Tiegel. Die verwendete Temperatur muß für diesen Zweck über dem Schmelzpunkt des Materials bleiben.

Während es natürlich unmöglich ist, genau zu bestimmen, was in der Grenze Flüssigkeit—Festkörper zwischen dem Stab und der Schmelze 12 geschieht, kann angenommen werden, daß dort eine starke Neigung für den Kristall herrscht, an jener Grenzstelle in Richtungen zu wachsen, welche die bevorzugten [lll]-Ebenen zu erhalten suchen. Folglich bestehen die mit jenen Ebenen zusammenfallenden Facetten ganz und gar an der Flüssig-Fest-Grenze des Kristallstabes. Wenn der Kristall langsam aus der Schmelze gezogen wird, wie im Falle der früheren Kristallziehtechnik, sind diese Facetten durch Abflachung des unteren Kristallendes undeutlich gemacht. Durch plötzliches Herausziehen des Stabes nach Bildung der Ausweitung werden die Facetten erhalten.

Die Facettenbildung wird durch das beschriebene Verfahren nach der Erfindung stark gesteigert, sogar bei Ziehrichtungen, welche weit von irgendeiner kristallographischen Achse abliegen.

Die Steigerung der Wachstumsgeschwindigkeit, welche — wenn auch sonst unerwünscht — durch diese Ausweitungstechnik notwendig gemacht ist, ist auf das untere Ende des Stabes beschränkt. Dieses Ende wird in der üblichen Halbleitertechnik wegen kristallographischer Störungen und unerwünschter Widerstandsänderungen ausgeschieden.

Obgleich in der Verkörperung der vorliegenden, oben beschriebenen Erfindung die Ausweitung durch Herabsetzung der Temperatur der Schmelze erreicht wird, ist es auch möglich, eine Ausweitung durch Variation anderer Schmelzzustände, z. B. durch Erniedrigung der Ziehgeschwindigkeit oder durch gleichzeitige Reduktion der Temperatur und der Ziehgeschwindigkeit, zu erreichen.

F i g. 6 zeigt einen Kristall 14, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezüchtet ist. Dieser weist eine Ausweitung 15 auf, die an der unteren Peripherie gebildet ist. Fig. 7 zeigt den Kristall 14 und die Ausweitung 15 nach Fig. 6 in stark vergrößertem Maßstab. Die Facette erscheint hier bei 16. Die Fig. 8 gibt einen Grundriß des Kristalls nach F i g. 7 wieder und zeigt die Facette 16, wie sie von unten erscheint.

Es ist wesentlich, daß die Facetten für das oben beschriebene Orientierungsverfahren schmal werden. Die Facetten sollten vorzugsweise 2,38 bis 3,18 mm lang und nicht mehr als 0,25 mm breit sein. Je schmaler die Abmessungen, um so genauer wird im allgemeinen die Orientierung des Stabes.

Nachdem ein einkristalliner Stab gemäß dem beschriebenen Verfahren gebildet und seine Achse [111] genau eingerichtet worden ist, kann er danach für irgendeine gewünschte Winkelorientierung mittels eines Goniometers od. dgl. eingestellt und Halbleiterkörper herausgeschnitten werden, deren Oberflächen jede gewünschte Winkelbeziehung zur kristallographischen Achse aufweisen.

Wenn man sich des beschriebenen Verfahrens bedient, erhält man Facetten, die zuverlässig wirksam sind im optischen Orientierungsprozeß, und zwar ohne Rücksicht auf die Ofenkonstruktion und ohne Rücksicht auf den Winkel zwischen Ziehrichtung und den verschiedenen kristallographischen Achsen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung von vorzugsweise schmalen Orientierungsfacetten an einem Halbleiter-Einkristallstab, insbesondere aus Germanium, welche bevorzugte Kristallfiächen, insbesondere [lll]-KristaHflächen, optisch erkennbar machen, während der Herstellung des Stabes durch Ziehen aus der Schmelze bei der Temperatur des Schmelzpunkts des Halbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erreichen der gewünschten Länge des gezogenen Einkristallstabes im Ziehprozeß durch rasche Herabsetzung der Temperatur der Schmelze um etwa 10 bis 20° C und/oder durch Herabsetzung

der Ziehgeschwindigkeit eine Ausweitung der Grenzfläche am unteren Ende des Stabes herbeigeführt und der Halbleiter-Einkristall danach plötzlich aus der Schmelze genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plötzliche Temperatursenkung der Mutterschmelze so lange aufrechterhalten wird, bis die Ausweitung des Einkristallstabes an der Grenzschicht Flüssigkeit—Festkörper einen Betrag von 0,13 bis 0,25 mm, radial gemessen, erreicht hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 706 849, 769 426.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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