DE2240301A1 - PROCESS FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL BARS WITH SPECIFIC RESISTANCE DROPPING DOWN TO THE CENTER OF THE BAR - Google Patents
PROCESS FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL BARS WITH SPECIFIC RESISTANCE DROPPING DOWN TO THE CENTER OF THE BARInfo
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Description
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Verfahren zum Herstellen .von Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abfallendem spezifischen Widerstand _Process for the production of semiconductor single crystal rods with a specific resistance decreasing towards the center of the rod _
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitereinkristallstäben mit zur Stabmitte abfallendem spezifischem Widerstand durch.tiegelfreies Zonen- ' schmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Sehajelzzone erzeugenden induktiven Heiseinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelzzone in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils von unten nach oben durch den Halbleiterkristallstab bewegt wird.The present invention relates to a method of manufacture of semiconductor single crystal rods with a specific resistance decreasing towards the center of the rod due to crucible-free zones melt a semiconductor rod held vertically at its ends with an inductive heating device which surrounds the rod in the shape of a ring and generates the Sehajelzzone starting from a seed crystal, the melting zone in the direction of the rod axis of a supply rod part from below is moved above through the semiconductor crystal rod.
Es ist bekannt, Einkristallstäbe durch tiegelfreiee Zonenschmelzen herzustellen, indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline Halbleiterstäbe,insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle 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 Zonenschmelzen in Rotation um die Stabachss versetzt wird, so dafl ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist. It is known to melt single crystal rods by means of crucible-free zone melting by using seed crystals to produce polycrystalline semiconductor rods, in particular silicon rods, be converted into single crystals by creating a melting zone from the end at which the seed crystal is attached is to the other end of the semiconductor rod (supply rod part) lets wander. The semiconductor rod is usually clamped in two holders in a vertical position, at least the a holder in rotation around during zone melting the rod axis is offset so that a symmetrical growth of the solidifying material is guaranteed.
Iat allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallstäbe#für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, welche in Bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf sehr gleichjßäöige Werte aufweisen, d. h» bei der Herstellung dieser Kriatallatäbe wird eine sehr gute Durehmischung der Schmeiße während des tiegelfreien Zonenschmelzen?* angestrebt, damitIn general, it is desirable to produce single crystal rods for the production of semiconductor components which have very equal values with regard to their radial resistance curve, i.e. h »in the production of these Kriatallatab I strive for a very good mixture of durums of the thrown during the crucible-free zone melting? * so
VPA 'VPA '
Tc Kd-t/HobTc Kd-t / Hob
«09809/10S0«09809 / 10S0
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
die Dotierungsstoffverteilung möglichst homogen über den Querschnitt des Siliciumkristallstabes erfolgt.the dopant distribution as homogeneously as possible over the Cross section of the silicon crystal rod takes place.
Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, z. B. von über Kopf zündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches aus Siliciumkristallscheiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen gezielten Einbruch des elektrischen spezifischen Widerstandes (P) aufweisen. Für andere Leistungsbauelemente ist es z. B. vorteilhaft, bei homogenem λ-Verlauf in der Scheibenmitte einen gezielten Randanstieg des spezifischen Widerstandes zu haben.For the production of semiconductor material for manufacturing of special semiconductor components, e.g. B. of overhead ignitable thyristors, a semiconductor base material is used, which consists of silicon crystal wafers, which in in the middle of the crystal disc show a targeted drop in the electrical specific resistance (P). For other power components it is z. B. advantageous, with a homogeneous λ-course in the center of the disc a targeted To have edge increase in resistivity.
Die Figuren 1 und 2 der Zeichnung zeigen Widerstandsprofile, wie sie für über Kopf zündbare Thyristoren (Fig. 1) und für Hochleistungsdioden (Fig. 2) verwendet werden. Dabei ist als Ordinate der spezifische elektrische Y/ideratand G 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 ibt es, die in den Figuren 1 und 2 aufgezeigten Widerstandsprofile durch tiegelfreies Zonenschmelzen in Halbleitereinkristallstäben, insbesondere in Siliciumeinkristallen, zu erzeugen.Figures 1 and 2 of the drawing show resistance profiles as they are used for overhead ignitable thyristors (Fig. 1) and for high-power diodes (Fig. 2). The specific electrical Y / ideratand G in ohm * cm is plotted as the ordinate and the radius of the crystal disk is plotted as the abscissa. The dashed line running parallel to the ordinate is intended to indicate the center of the pane. The object of the present invention is to generate the resistance profiles shown in FIGS. 1 and 2 by means of crucible-free zone melting in semiconductor single crystal rods, in particular in silicon single crystals.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß bei konzentrischem oder nahezu konzentrischein Ziehen des Einkristallstabes bei unterhalb der Schraelzzone liegendem Keimkristall die Ausbildung des in der lütte der Schmelze im Vergleich zu den Randbereichen der Schmelze auftretenden kühleren Bereiches durch schnelles Drehen des Keimkristalls und/oder durch Kühlung des oberhalb der Sehrnelzzone angeordneten Vorratsstabteils unterstützt wird. Die Strömung in der Schmelze ">vird aisc so beeinflußt, daß in der Mitte der wachsenden Grenzfläche des Kristalls eine erhöhteAccording to the method according to the invention, this object is achieved in that in the case of concentric or nearly concentric Pulling the single crystal rod at below the Schraelzzone lying seed crystal the formation of the in the lütte the melt compared to the edge areas of the melt occurring cooler area by turning the Seed crystal and / or by cooling the above the skin zone arranged supply rod part is supported. The flow in the melt is influenced in such a way that in the In the middle of the growing interface of the crystal an increased
VPA 9/110/20 57 π - 3 -VPA 9/110/20 57 π - 3 -
409809/1050409809/1050
:.,....„ .,,... ,, . BAD ORiGINAL:., .... ". ,, ... ,,. BAD ORiGINAL
Dotierstoffkonzentration auftritt.Dopant concentration occurs.
Diese Verhältnisse sind aus der in der Zeichnung enthaltenen Figur 3 ersichtlich. In dieser stellt 1 den aus polykristallinem Silicium "bestehenden Vorratsstabteil, 2 den an dem Keimkristall (in der Zeichnung nicht dargestellt) ankristallisierten Einkristallstab und 3 die zwischen den "beiden Stabteilen liegende Schmelzzone, welche durch die mit Hochfrequenz gespeiste Flachspule 4 erzeugt wird, dar. Die in der Schmelzzone 3 befindliche · gestrichelte Linie 10 zeigt den Dotierstoffverlauf ohne Beinflussung der Strömung, während die durchgezogene Linie 11 in der Schmelzzone die Dotierstoffverteilung wiedergibt, welche.erhalten wird>wenn die Ausbildung des in der Mitte der Schmelzzone 3 im Vergleich zu den Randbereichen der Schmelzzone auftretenden kühleren Bereichs unterstützt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß entweder der Keimkristall und damit der herzustellende EinkristaD.lstab 2 sehr schnell gedreht wird oder, und auch gleichzeitig der Vorratsstabteil 1 oberhalb der Schmelzzone 3 mittels einer den Stabteil 1 umschließenden, mit ' Wasser gefüllten Kühlschlange 5 gekühlt wird. Durch den Pfeil 6 wird die Einkristallwachstumsrichtung angezeigt; der Drehpfeil 7 zeigt an, daß der Keimkristall bzw. der Einkristallstabteil 2 in Umdrehung um seine Achse versetzt wird. Die im Bereich der Schmelzzone .3 eingezeichneten Pfeile 8 zeigen den Verlauf der natürlichen Konvektionsströmung an. ·These relationships can be seen from FIG. 3 contained in the drawing. In this 1 represents the from polycrystalline silicon "existing stock rod part, 2 the single crystal rod which crystallizes on the seed crystal (not shown in the drawing) and 3 the melting zone located between the "two rod parts, which is produced by the flat coil 4 The dashed line 10 located in the melting zone 3 shows the course of the dopant without Influence of the flow, while the solid line 11 in the melting zone shows the dopant distribution reflects which. is received> when the training of the in the middle of the melting zone 3 compared to the edge areas the cooler area occurring in the melting zone is supported. This can be done, for example, by that either the seed crystal and thus the single crystal rod 2 to be produced is rotated very quickly or, and also at the same time the supply rod part 1 above the melting zone 3 by means of a rod part 1 enclosing the rod part 1 with ' Water-filled cooling coil 5 is cooled. The direction of single crystal growth is indicated by arrow 6; the rotary arrow 7 indicates that the seed crystal or the single crystal rod part 2 is set in rotation about its axis will. The arrows 8 drawn in the area of the melting zone .3 show the course of the natural convection flow at. ·
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Drehgeschwindigkeit des Keimkristalls bzw. des rekristallisierten Stabteils 2 in Abhängigkeit vom Durchmesser des herzustellenden Einkristalls eingestellt wird. So wird beispielsweise für einen Stabdurchmesser von 20 mm eine Drehgeschwindigkeit von 100 UpM., für einen Durchmesser von 25 ra eine Drehgeschwin-It is within the scope of the invention that the speed of rotation of the seed crystal or of the recrystallized rod part 2 is set as a function of the diameter of the single crystal to be produced. For example, for a rod diameter of 20 mm a rotation speed of 100 rpm., for a diameter of 25 ra a rotation speed
TPA 9/110/2057c - 4 -TPA 9/110 / 2057c - 4 -
409809/105 0409809/105 0
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
digkeit von 60 UpM., für 35 mm 0 eine Drehgeschwindigkeit von 30 UpM. und für einen Einkristallstab mit einem Durchmesser von 40 mm eine Drehgeschwindigkeit von 15 UpM. eingestellt. speed of 60 rpm, for 35 mm 0 a rotation speed of 30 rpm. and a rotating speed of 15 rpm for a single crystal rod with a diameter of 40 mm. set.
Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung beträgt der Abstand der Kühlschlange von der Schmelzzone maximal 10 mm.According to a particularly favorable embodiment according to the teaching of the invention, the distance between the cooling coil is from the melting zone a maximum of 10 mm.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist anwendbar, wenn der Halbleitereinkristall konzentrisch oder nahezu konzentrisch gezogen wird und die Achsenversetzung der Stabachsen kleiner als 10 cß> des Durchmessers des herzustellenden Halbleitereinkristallstabs eingestellt wird.The method according to the teaching of the invention can be used when the semiconductor single crystal is drawn concentrically or almost concentrically and the axis offset of the rod axes is set to be less than 10 c ß> the diameter of the semiconductor single crystal rod to be produced.
Mit dem Verfahren nach der Lehre der Erfindung kann bei einem Siliciumeinkristallstab mit einen! spezifischen V/iderstand von 60 bis 70 Ohm.cm ein P-Einbruch in der Stabmitte von 20 c/> erwartet werden.With the method according to the teaching of the invention can with a silicon single crystal rod with a! Specific V / resistance of 60 to 70 Ohm. cm a P drop in the center of the bar of 20 c /> can be expected.
Das Verfahren ist arrvendbar für Kristallstäbe mit beliebiger Orientierung. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil bislang Kristallsta.be mit einem (,^-Einbruch ir. otabraitte nur mittels (111)-orientierter Einkristalle bei denen Facettenbildungen zu erwarten sind, möglich war.The method can be used for crystal rods with any Orientation. This is important because so far Crystal rods with a (, ^ - incursion ir. Otabraitte only by means of (111) -oriented single crystals in which facet formations expected, was possible.
Fertige Einkristallstäbe mit ortlich erg begrenzten starken Widerstandsschwankungen (Z. 3. durch ο --Spikes oder Striation«)können für über Kopf zündbare Thyristoren verwendbar gemacht v/erden, wenn sie in Weiterbildung des Erfindungsgedankens möglichst nahe am Schmelzpunkt des Halblei terrnaterials in Schutzgasatmosphäre oder an Luft geterapert werden. Für Siliciumeinkristallstäbe ist dabei eine Temperung in einen Bereich von 1300 bis 14000C im Zeitraum vom fünf Stunden in einem Siliciuna-ohr ausreichend. EinFinished single crystal rods with locally limited strong fluctuations in resistance (line 3. by ο - spikes or striation ") can be made usable for thyristors that can be ignited overhead if, in a further development of the inventive concept, they are as close as possible to the melting point of the semiconductor material in a protective gas atmosphere or be terapert in air. A heat treatment in a range from 1300 to 1400 0 C in the period from five hours a Siliciuna-ear this is sufficient for Siliciumeinkristallstäbe. A
VPA 9/11O/2O57C - 5 -VPA 9 / 11O / 2O57C - 5 -
A 0 9 8 0 9 / .1 0 5 0A 0 9 8 0 9 / .1 0 5 0
breiter Widerstandseinbruch in der Stabmitte bleibt dabei erhalten; ein eng begrenzter Widerstandseinbruch wird eingeebnet, broad drop in resistance in the center of the bar is retained; a narrowly limited drop in resistance is leveled,
11 Patentansprüche
-3 Figuren -11 claims
-3 figures -
VPA 9/11O/2O57C . - 6 -VPA 9 / 11O / 2O57C. - 6 -
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