DE68908166T2

DE68908166T2 - Züchtung von halbleiterkristall-materialien.

Info

Publication number: DE68908166T2
Application number: DE89904158T
Authority: DE
Inventors: Keith Gordon Barraclough; Robert William Series
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1988-03-08
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2009-03-07
Also published as: DE68908166D1; JP2706165B2; WO1989008731A1; US5349921A; EP0403560B1; GB8805478D0; JPH03505442A; EP0403560A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung für die Züchtung Von Halbleiterkristallmaterialien, in denen eine Schmelze des zu züchtenden Kristalls einem Magnetfeld unterworfen wird.
Elektronische Bauelemente werden auf Wafern von Halbleiterkristallen hergestellt. Die Eigenschaften des Halbleiters hängen stark von den in den Wafern vorhandenen spezifischen Fremdatomen ab. Nicht sämtliche Fremdatome sind von Nachteil, wobei eine erfolgreiche Herstellung von elektronischen Bauelementen die Steuerung der Verteilung und der Konzentration der Fremdatome erfordert. Für die meisten elektronischen Bauelemente umfaßt das Ausgangsmaterial eine Waferscheibe, die von einem Einkristall des Halbleiters abgeschnitten ist, der üblicherweise entweder Silicium oder Galliumarsenid ist. Der Kristall wird seinerseits aus einer schmelze gezogen. Eine Aufgabe dieser Erfindung ist eine Verbesserung der Techniken für die Züchtung von Halbleiterkristallen, die zu einer verbesserten Homogenität von bestiinmten Fremdatomen im Kristall führt.
Halbleiterkristalle werden größtenteils aus Schmelzen des Halbleiters in einer Kristallzieheinrichtung gezüchtet. Um die elektrischen Eigenschaften der Kristalle zu steuern, werden zur Schmelze geringe Mengen bestimmter Fremdatome oder Dotierstoffe hinzugefügt. Eines der Hauptprobleme bei der Produktion von Kristallen besteht darin, eine Kontrolle über die Gleichmäßigkeit und die Konzentration der Dotierstoffe im Kristall zu erlangen.
Während des Wachstumsprozesses führen Unterschiede bei der Zusammensetzung oder der Temperatur zwischen unterschiedlichen Bereichen der Schmelze zu Dichteschwankungen in der Schmelze, die ihrerseits unerwünschte Auswirkungen auf den Einbau von Fremdatomen im gezüchteten Kristall haben können und zur Bildung von räumlich begrenzten Fluktuationen der Fremdatomkonzentrationen führen können, die als Schrammen (englisch: striae) bekannt sind.
Oftmals werden während der Kristallzüchtung der Kristall und manchmal andere Teile der Einrichtung gedreht, um in dem gezüchteten Kristall eine Gleichmäßigkeit zu schaffen. Diese Drehungen sind außerdem zum Teil dafür verantwortlich, daß in der Schmelze Konvektionsströmungen erzeugt werden. Die Form dieser Konvektionsströmungen beeinflußt in hohem Maß die Qualität des gezüchteten Kristalls und kann zu einer Förderung der Gleichmäßigkeit des Kristalls beitragen. Eine Auswirkung der Drehung des Kristalls besteht darin, eine Konvektionsbewegung in der Schmelze in Vorwärtsrichtung des gezüchteten Kristalls zu erzeugen, die ein Ergebnis der Fliehkraft-Pumpwirkung des rotierenden Kristalls ist. Eine solche durch die Kristalldrehung angetriebene Strömung ist allgemein wünschenswert, da sie eine verbesserte radiale Gleichmäßigkeit des Kristalls zur Folge hat.
In den letzten Jahren ist der Möglichkeit der Dämpfung der Konvektionsströmungen in der Schmelze durch die Verwendung von von außen angelegten Magnetfeldern viel Interesse entgegengebracht worden. Die Schmelzen der Halbleiter sind im allgemeinen gute elektrische Leiter, wobei allgemein anerkannt ist, daß es möglich ist, die Konventionsströmungen in der Schmelze durch das Anlegen eines statischen Magnetfeldes an die Schmelze zu dämpfen. Dies kann zu stark unterschiedlichen Mustern des Einbaus der Fremdatome im Kristall führen.
Bis heute ist in großem Umfang von zwei Geometrien berichtet worden. In den sogenannten axialen Systemen wird eine Spule koaxial zur Drehachse des Kristalls angeordnet, so daß in der Schmelze ein Feld erzeugt wird, das vorherrschend parallel zur Drehachse orientiert ist. In einigen Abwandlungen dieses Verfahrens werden mehrere Spulen verwendet, die sämtlich zur Drehachse koaxial sind, wobei der Strom in jeder Spule in derselben Richtung fließt. Das Ziel einer solchen Anordnung besteht darin, ein gleichmäßigeres Feld über das gesamte Schmelzevolumen zu schaffen. Die zweite Geometrie besteht in der Verwendung eines Magneten, der so orientiert ist, daß ein Feld quer zur Wachstumsrichtung des Kristalls erzeugt wird. Eine solche Geometrie zerstört die Rotationssymmetrie, die während der Kristallzüchtung allgemein als wünschenswert angesehen wird.
Während die Anwendung von statischen Magnetfeldern gezeigt hat, daß sie die Konvektionsströmungen in der Schmelze dämpfen und somit die Schrammen reduzieren kann, kann die Qualität des Kristalls in anderen Hinsichten verschlechtert werden. Beispielsweise wird in dem UK-Patent GB 2,163,672 A vorgeschlagen, daß die Verringerung des Wärmetransports durch die Schmelze, die durch eine reduzierte Konvektion herbeigeführt wird, zu unannehmbar hohen Tiegelwand-Temperaturen während der Züchtung führen kann. Um dieses Problem zu vermeiden, schlägt das Patent vor, das Feld so zu formen, daß in der Schmelze in einem Abstand von der Kristall/Schmelze-Grenzfläche ein Bereich mit niedrigem Feld erzeugt wird, während in der Nähe des Kristalls ein hohes Feld beibehalten wird.
Ein weiteres Problem, das während des Wachstums in einem Magnetfeld häufig angetroffen wird, besteht darin, daß die radiale Gleichmäßigkeit des Einbaus des Dotierstoffes verschlechtert wird. In einigen Fällen kann dies die Folge des Magnetfeldes in der Nähe der Kristall/Schmelze- Grenzfläche sein, welches die durch das Kristall bewegten Strömungen dämpft. Es ist bekannt, daß während der Züchtung eines in der schmelze gedrehten Kristalls diese Drehung in der Schmelze eine durch die Fliehkräfte gepumpte Konvektionsströmung erzeugt, wie zuerst von J A Burton, R C Prim und W P Slichter, J.Chem.Phys., Bd. 21, Seiten 1987-91 (1953), aufgezeigt worden ist. Während des Wachstums bewirkt die Fliehkraft-Pumpwirkung, daß Fremdatome, die abgewiesen werden, beseitigt werden. Das Magnetfeld kann dahingehend wirken, daß diese Pumpwirkung gedämpft wird, was zu einem übermäßigen Einbau von Fremdatomen in Vorwärtsrichtung des gezüchteten Kristalls führt. Radiale Schwankungen der Mischung dieser Flüssigkeit mit der Masse der Schmelze führen zu radialen Schwankungen beim Einbau dieser Fremdatome.
Zusätzlich zu der Verringerung der Schrammen im Kristall besteht ein zweiter Vorteil, der durch das Anlegen eines Magnetfeldes an die Schmelze gewonnen werden kann, in der Verringerung der Verunreinigung der Schmelze durch den Tiegel. Im Falle einer Siliciumzüchtung ist gezeigt worden, daß das Anlegen eines transversalen Feldes an die Schmelze unter bestimmten Umständen den Einbau von Sauerstoff in den gezüchteten Kristall verringern kann.
Die vorliegende Erfindung verbessert die radiale Gleichmäßigkeit eines in einem Magnetfeld gezüchteten Kristalls durch die Formgebung des Feldes, um so die Dämpfungswirkung der durch die Kristalldrehung angetriebenen Strömungen zu verringern. Die Konfiguration des Feldes ist derart, daß die Strömungen in der Schmelze, die für den Transport von Fremdatomen vom Tiegel zum Kristall verantwortlich sind, gedämpft werden, wodurch die Verunreinigung des Kristalls durch den Tiegel verringert wird.
Gemäß dieser Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Züchten von Halbleiterkristallmaterialien die Schritte:
Vorsehen einer Schmelze des als Kristall zu züchtenden Materials,
Eintauchen eines Impfkristalls in die Schmelze,
Herausziehen und Drehen des Impfkristalls aus der Schmelze,
Beibehalten eines Temperaturgradienten zwischen der Schmelze und dem Impfkristall,
wodurch ein einkristallines Material aus der Schmelze gezüchtet wird,
gekennzeichnet durch:
Vorsehen eines Magnetfeldes, das im wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse des Kristalls ist, und mit einer zur Kristallrotationsachse parallelen Feldkomponente, die weniger als 5 × 10&supmin;² T (500 Gauß) an der Grenzfläche zwischen wachsendem Kristall und Schmelze ist, wobei ein Wert des Magnetfeldes über 5 × 10&supmin;² T (500 Gauß) in anderen Teilen der Schmelze ist,
und Beibehalten dieser Magnetfeldverteilung während des Wachstums des Kristalls,
wodurch erzwungene Konvektionsströmungen in der an die Kristall/Schmelze-Grenzfläche angrenzenden Schmelze im wesentlichen ungedämpft sind, während Konvektionsströmungen in anderen Teilen der Schmelze gedämpft werden.
Vorzugsweise ist die axiale Komponente des Magnetfeldes an der Kristall/Schmelze-Grenzfläche über einem Bereich, der größer als die Fläche des Kristalls ist, kleiner als 2 × 10&supmin;² T (Tesla) (200 Gauß).
Während des Wachstums kann der Tiegel um seine Achse gedreht und angehoben werden, um die richtige Beziehung zwischen der Kristall/Schmelze-Grenzfläche und dem Magnetfeld beizubehalten.
In einer Abwandlung kann die Magnetbaueinheit während des Wachstums abgesenkt werden, um die richtige Beziehung zwischen der Kristall/Schmelze-Grenzfläche und dem Magnetfeld beizubehalten.
Eine Einrichtung für die Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung umfaßt:
eine Kazmmer, die eine elektrische Heizeinrichtung enthält,
einen Tiegel, der in der Heizeinrichtung angeordnet ist und eine Ladung des zu züchtenden Materials enthält,
ein Ziehelement-Impfkristall, an dem der Kristall aufwachsen kann,
Motoren für die Drehung und die axiale Bewegung des Ziehelementes,
Einrichtungen für die Steuerung der Heizeinrichtung und die Ziehelement-Bewegung, um aus der im Tiegel hergestellten Schmelze einen Kristall zu ziehen,
gekennzeichnet durch:
zwei ringförmige Magneten, die übereinander und koaxial zur Rotationsachse des zu ziehenden Kristalls angeordnet sind, wobei die Magneten so beschaffen sind, daß sie im Betrieb in der Schmelze ein Magnetfeld erzeugen, wobei das Magnetfeld eine Ebene besitzt, die um eine Rotationsachse des Ziehelementes rotationssymmetrisch ist und eine Komponente in Richtung dieser Achse besitzt, die kleiner als 5 × 10&supmin;² T (500 Gauß) ist, wobei das Magnetfeld in einem Abstand von der Ebene einen magnetischen Wert besitzt, der größer als 5 × 10&supmin;² T (500 Gauß) ist,
eine Einrichtung für die Anordnung einer Grenzfläche zwischen dem Kristall und der Schmelze in der Magnetfeldebene, so daß während des Wachstums eines Kristalls die an die Grenzfläche angrenzende Schmelze einer axialen Komponente des Magnetfeldes unterworfen wird, die kleiner als 5 × 10&supmin;² T (500 Gauß) ist, und die Schmelze in einem Abstand von der Grenzfläche einem Magnetfeld von mehr als 5 × 10&supmin;² T (500 Gauß) unterworfen wird, und
eine Einrichtung für die Beibehaltung der relativen Position der Kristall/Schmelze-Grenzfläche in der Magnetfeldebene während des Kristallwachstums.
Das Ziehelement kann ein Stab, eine Kugelkette, ein flexibler Draht oder ein ähnlicher Träger sein.
Das Magnetfeld kann durch zwei oder mehr supraleitende, ringförmige Magneten erzeugt werden, die voneinander beabstandet sind und koaxial zu der Achse der Ziehstabdrehung angeordnet sind.
Alternativ kann das Magnetfeld durch herkömmliche ohmsche Elektromagneten erzeugt werden.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
Fig. 1 eine Ansicht einer Czochralski-Zieheinrichtung ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 1 ist, die den Übergang zwischen dem wachsenden Kristall und der Schmelze zeigt;
Fig. 3 eine Darstellung der Magnetfeldlinien in einem Tiegel der Einrichtung von Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Graph ist, der die Schwankungen des spezifischen Widerstandes über einem Kristall für einen Kristall, der unter einem hohen axialen Magnetfeld aufgewachsen ist, sowie für einen Kristall zeigt, der gemäß dieser Erfindung aufgewachsen ist;
Fig. 5 ein Graph ist, der den Sauerstoffgehalt der Kristalle zeigt, die unter verschiedenen Magnetfeldern aufgewachsen sind.
Die Czochralsky-Züchtungseinrichtung (Fig. 1, 2) umfaßt eine Kammer 1, die einen Siliciumoxid-Tiegel 2 aufweist, der von einer ohmschen Heizeinrichtung 3 vom Lattenzaun- Typ umgeben ist. Der Tiegel 2 ist so angebracht, daß er durch einen Motor 4 gedreht und vertikal bewegt werden kann. In dem Tiegel 2 befindet sich eine Menge einer Siliciumschmelze 5, aus der ein Kristall 6 mittels eines Impfkristalls 7 gezogen wird, der an der Unterseite einer Zugkette, eines Zugdrahtes oder Zugstange 8 befestigt ist. Diese Zugstange 8 wird durch einen Motor 9 sowohl gedreht als auch in vertikaler Richtung bewegt. Von einer Heizeinrichtung-Leistungsversorgung 10 wird an die Heizeinrichtung elektrische Leistung geliefert. Von einer Flasche 11 wird über ein Ventil 12 in die Kammer 1 Argongas geliefert. Das Gas wird von der Kammer 1 mittels einer Pumpe 13 abgepumpt, welche den Druck unterhalb des Atmosphärendrucks und typischerweise auf 2,666 × 10³ Nm&supmin;² (20 Torr) hält.
Durch einen die Kammer 1 umgebenden Mantel 14 zirkuliert Kühlwasser, das von einer Wasserversorgung 15 geliefert wird. Zwei Photodioden 16, 17 mit einstellbarem Abstand sind so angeordnet, daß sie Licht empfangen können, das von dem Übergang zwischen dem wachsenden Kristall 6 und der Schmelze 5 reflektiert wird. Dies kann als heller Ring beobachtet werden. Die von den Photodioden 16, 17 empfangene Lichtmenge wird in einem geschlossenen Regelkreis einer Steuerlogikeinheit 18 verwendet. Diese Steuereinheit kann ein programmierter Computer oder ein analoges Steuersystem sein, die die Motoren 4 und 9, die Heizeinrichtungsversorgung 10, die Pumpe 13 und die Kühlmittelversorgung 15 steuern kann.
Fig. 1 hat zusätzlich zwei supraleitende Spulen 21, 22 mit einem Mittendurchmesser von 520 mm, deren beiden Zentren um 580 mm beabstandet sind und die die Kammer 1 umgeben. Diese Spulen 21, 22 werden mit flüssigem Helium gekühlt, das von einer He-Versorgung 23 geliefert wird, um einen supraleitenden Magneten zu schaffen. Eine zusätzliche Kühlung wird durch flüssigen Stickstoff geschaffen, der von einer N-Versorgung 24 geliefert wird, wobei die Gesamtheit der Spulen und der Kühlmittel He, N in einer Vakuumkammer 25 eingeschlossen ist. In den Spulen 21, 22 wird durch die Leistung von einer Leistungsversorgung 26 ein Magnetfeld aufgebaut. Herkömmlicherweise wird dies durch Erwärmen eines kleinen Teils einer jeden Spule, um in ihr einen ohmschen Widerstand zu erzeugen, und durch Anlegen von Leistung an die restliche Spule erzeugt. Wenn das Feld die gewünschte Stärke besitzt, wird die gesamte Spule supraleitend, so daß das Magnetfeld ohne äußere Leistungsversorgung aufrechterhalten wird.
Fig. 3 zeigt gemessene Magnetfeldlinien im Inneren eines Tiegels mit einem Durchmesser von 20,3 mm (8 Zoll) und einer Tiefe von 10,15 mm (4 Zoll), wenn an die Spulen 21, 22 die maximale Leistung angelegt worden ist. Die Spulen 21, 22 können mit geringerer Leistung betrieben werden, was eine Verringerung der Magnetfeldstärke zur Folge hat.
Die Spulen 21, 22 sind koaxial zur Drehachse des wachsenden Kristalls 6, des Ziehstabes 8 und des Tiegels 2 angeordnet. Der elektrische Strom wird durch die obere Spule 21 im Uhrzeigersinn bei Betrachtung von oben und in die untere Spule 22 im Gegenuhrzeigersinn geschickt. Dies hat ein radiales Magnetfeld in einer Ebene 28 zur Folge, die zur Achse der Spulen 21, 22 senkrecht ist. In dieser Ebene 28 ist die Größe der zur Achse des Kristalls 6 parallelen, d.h. zur Ebene 28 senkrechten Magnetfeldkomponente kleiner 2 × 10&supmin;² T (200 Gauß). Sonst besitzt das Magnetfeld radiale und axiale Komponenten, die stellenweise 0,1 T (1000 Gauß) übersteigt. Im Vergleich hierzu beträgt das Erdmagnetfeld typischerweise ungefähr 1 × 10&supmin;&sup4; T (1 Gauß). Im Mittelpunkt der Ebene 28 ist das radiale Magnetfeld null. Es ist wichtig, daß die Ebene 28 relativ zum wachsenden Kristall genau positioniert ist. Wie aus Fig. 2 deutlicher hervorgeht, verläuft die Ebene 28 durch die Festkörper/Schmelze-Grenzfläche 27, wobei sich ungefähr die Hälfte der Grenzfläche oberhalb und die andere Hälfte unterhalb der Ebene 28 befinden. Während des Wachstums des Kristalls 6 fällt der Spiegel der Schmelze 5 im Tiegel 2 ab. Um diesen Abfall auszugleichen, wird der Tiegel 2 durch den Motor 4 langsam angehoben, um die Festkörper/Schmelze-Grenzfläche 27 in der Ebene 28 zu halten.
Nun wird die Operation der Züchtung eines einkristallinen Si-Kristalls mit einem Nenndurchmesser von 75 mm beschrieben. In dem Tiegel 2 wird eine Ladung von 6 kg Si angebracht, das so dotiert ist, daß es ungefähr 10²&sup0; Phosphoratome enthält. Die Kammer 1 wird auf ungefähr 13,3 Nm&supmin;² (0,1 Torr) abgepumpt, um Luft und andere Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wird von der Flasche 11 Argon zugeführt, während die Pumpe 13 den Druck bei ungefähr 2,66 × 10³ Nm&supmin;² (20 Torr) beibehält. Durch die Heizeinrichtung 3 wird elektrischer Strom geschickt, um die Ladung im Tiegel 2 zu schmelzen und eine Schmelze 5 zu schaffen, wobei eine typische Temperatur 1460ºC ist.
Der Impfkristall 7 wird gedreht und abgesenkt, um mit der Schmelze 5 in Kontakt zu gelangen. Nach den Anpassungen an die Temperatur der Schmelze 5 wird der Impfkristall 7 mit einer gesteuerten Geschwindigkeit und mit einer gesteuerten Drehung angehoben. Durch die Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Impfkristalls 7 und der Temperatur der Schmelze 5 kann ein Kristall 6 aus Silicium mit dem erforderlichen Durchmesser gezüchtet werden. Anfangs wird das Wachstum beginnend beim Impfkristalldurchmesser soweit erhöht, bis die geforderten 75 mm erreicht sind. Für ein Wachstum mit einem konstanten Durchmesser ist eine Zunahme der Ziehgeschwindigkeit notwendig. Danach wird der Durchmesser bis zum Ende der Bewegung, an dem die Schmelze 5 erschöpft ist, konstant gehalten. Wenn der erforderliche Durchmesser einmal erreicht ist, werden die Photodioden 16, 17 so eingestellt, daß der geforderte Wert beibehalten wird, da Veränderungen des Durchmessers als Veränderungen des Diodenausgangs erfaßt werden.
Wenn das Wachstum einmal den geforderten Durchmesser von 75 mm erreicht hat, wird in die supraleitenden Spulen 21, 22 elektrischer Strom geschickt. Das Ergebnis ist, daß der Kristall 6 in einem kleinen axialen Magnetfeld aufwächst, das eine Stärke besitzt, die nicht ausreicht, um die günstigen durch den Kristall angetriebenen Strömungen der angrenzenden Schmelze zu dämpfen. Das Magnetfeld in einem Abstand von der Schmelze/Kristall-Grenzfläche 27 besitzt jedoch eine Stärke, die ausreicht, um die Konvektionsströmungen im Hauptkörper der Schmelze 5 zu dämpfen.
Die Qualität des Kristalls 6 ist daher durch die Verringerung der unerwünschten Strömungen in der Masse der Schmelze 5 und durch die Beibehaltung der günstigen Strömungen in Vorwärtsrichtung des wachsenden Kristalls 6 verbessert.
Wenn der Kristall 6 sein Wachstum fortsetzt, überwacht die Steuereinheit 18 den Ausgang der Photodioden 16, 17 und nimmt geeignete Einstellungen der Temperatur der Heizeinrichtung 3 und der Kristall-Ziehrate vor, um das Wachstum auf dem gewünschten Durchmesser zu halten. Außerdem wird während des Wachstums die Position des Tiegels 2 durch den Motor 4 eingestellt, um die Grenzfläche 27 in der Ebene 28 des radialen Feldes zu halten.
Das Wachstum wird solange fortgesetzt, bis der größte Teil der Schmelze verwendet worden ist. Die Ziehgeschwindigkeit wird anschließend erhöht, um den Kristalldurchmesser zu verjüngen und das Wachstum zu beenden. Die Leistung für die Heizeinrichtung wird unterbrochen, so daß der Kristall und die Einrichtung abkühlen können. Nachdem das Wachstum abgeschlossen ist, wird der Kristall aus der Einrichtung entnommen und auf den geforderten genauen Durchmesser geschliffen. Anschließend wird der Kristall in Scheiben geschnitten, werden seine Kanten abgerundet, wird eine chemische und mechanische Politur ausgeführt und wird eine Wärmebehandlung vorgenommen, so daß er für die Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungen bereit ist.
Das oben im einzelnen dargestellte Prinzip kann auf das Wachstum jeglicher Halbleiterkristalle aus der Schmelze angewendet werden, bei dem der Kristall gedreht wird. Zum Beispiel kann das Verfahren auf das Wachstum von Siliciumkristallen entweder durch die Czochralsky- oder die Schwebezonentechnik oder auf das Wachstum von Galliumarsenid durch das flüssigkeitsgekapselte Czochralsky-Verfahren angewendet werden.
In der Schwebezonentechnik wird eine Zone des geschmolzenen Kristalls allmählich längs eines rotierenden Kristalls bewegt; das Material rekristallisiert hinter der sich bewegenden Schmelzezone. Die Rekristallisierungsgrenzfläche wird denselben Magnetfeldern wie in den Fig. 1, 2, 3 unterworfen.
Der Tiegel kann während des Kristallwachstums bewegt werden, um die geforderte relative Position der Kristall/Schmelze-Grenzfläche und des Magnetfeldes beizubehalten. Zusätzlich kann der Tiegel gedreht werden.
Alternativ kann die Einrichtung für die Erzeugung eines Magnetfeldes während des Wachstums bewegt werden, um die geforderte relative Position der Kristall/Schmelze-Grenzfläche und des Magnetfeldes beizubehalten.
Ein Maß der Gleichmäßigkeit eines Kristalls ist das Profil seines spezifischen elektrischen Widerstandes über einen Wafer. Dies ist in Fig. 4 für einen mit Phosphor dotierten Siliciumkristall ausgehend von einer Position gezeigt, die dem nächsten verfestigten Anteil entspricht, G = 0,41. Die durch die Kurve A gezeigte Probe ist in einer Czochralsky-Wachstumseinrichtung vorbereitet worden, in der die Schmelze in ein Magnetfeld eingetaucht wurde, dessen axiale Komponenten 0,15 T (1500 Gauß) in der Ebene der Kristall/Schmelze-Grenzfläche überstiegen. Das Magnetfeld hat die von der Tiegeldrehung angetriebenen Strömungen gedämpft, so daß in der Dotierstoffkonzentration und folglich im spezifischen Widerstand große radiale Schwankungen vorhanden sind.
Die durch Kurve B gezeigte Probe wurde in einer Czochralsky-Zieheinrichtung vorbereitet, die mit supraleitenden Solenoiden ausgerüstet war, die so betrieben wurden, daß die -. Komponente des Magnetfeldes in der Ebene der Kristall/Schmelze-Grenzfläche 2 × 10&supmin;² T (200 Gauß) nicht überstiegen hat, jedoch in einigen anderen Bereichen der Schmelze das Feld 0,15 T (1500 Gauß) überstieg. Das Magnetfeld war so beschaffen, daß die Rotationssymmetrie des Systems beibehalten wurde. Das radiale Profil des spezifischen Widerstandes ist stark verbessert, da das Feld so geformt worden ist, daß die Dämpfung der durch die Kristalldrehung angetriebenen Strömungen minimiert wird.
Die Wirkung der Veränderung der Magnetfeldstärke ist in Fig. 5 gezeigt. Die vertikale Achse zeigt den Sauerstoffgehalt, während die horizontale Achse den Anteil der ursprünglichen Tiegelschmelze zeigt und folglich die Länge darstellt, die längs eines gewachsenen Kristalls gemessen wird. Es wird nur ungefähr 0,8 einer Schmelze genutzt; die verbleibenden 0,2 enthalten Fremdatome und werden oftmals nach dem Kristallwachstum im Tiegel gelassen. Ein gezüchteter Kristall wird in Scheiben geschnitten, wobei sein Sauerstoffgehalt an verschiedenen Positionen in seiner Längsrichtung gemessen wird. Die unterbrochene Linie (Kurve C) stellt die Veränderung des Sauerstoffgehalts dar, wenn kein Magnetfeld angelegt wird. Wenn das angelegte Magnetfeld auf 0,35 (Kurve D), 0,5 (Kurve E) und 0,70 (Kurve F) der maximalen Stärke erhöht wird, wird beobachtet, daß der Sauerstoffgehalt abnimmt. Bei Beginn des Kristallwachstums wird das Magnetfeld nicht angelegt. Dies unterstützt das Wachstum bis zum geforderten Durchmesser. Wenn das Magnetfeld angelegt wird, findet eine Abnahme des Sauerstoffgehaltes statt. Dies geht am deutlichsten aus der 0,70-Magnetstärke-Kurve hervor, wobei die magnetische Stärke bei einem Festkörperanteil von ungefähr 0,12 begonnen und bei einem Festkörperanteil von ungefähr 0,16 vollständig ist. Alternativ kann der gesamte Kristall ab der Impfung in dem Magnetfeld gezüchtet werden.

Claims

1. Verfahren zum Züchten von Halbleiterkristallmaterialien mit den Schritten:

Vorsehen einer Schmelze des als Kristall zu züchtenden Materials,

Eintauchen eines Impfkristalls in die Schmelze, Herausziehen und Drehen des Impfkristalls aus der Schmelze,

Beibehalten eines Temperaturgradienten zwischen der Schmelze und dem Impfkristall,

wodurch ein einkristallines Material aus der Schmelze gezüchtet wird,

gekennzeichnet durch:

Vorsehen eines Magnetfeldes, das im wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse des Kristalls ist, und mit einer zur Kristallrotationsachse parallelen Feldkomponente, die weniger als 5 x 10&supmin;² T (500 Gauß) an der Grenzfläche zwischen wachsendem Kristall und Schmelze ist, wobei ein Wert des Magnetfeldes über 5 x 10&supmin;² T (500 Gauß) in anderen Teilen der Schmelze ist,

und Beibehalten dieser Magnetfeldverteilung während des Wachstums des Kristalls,

wodurch erzwungene Konvektionsströmungen in der an die Kristall/Schmelze-Grenzfläche angrenzenden Schmelze im wesentlichen ungedämpft sind, während Konvektionsströmungen in anderen Teilen der Schmelze gedämpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zur Kristallrotationsachse parallele Feldkomponente an der Grenzfläche zwischen wachsendem Kristall und Schmelze weniger als 2 x 10&supmin;² T (200 Gauß) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Tiegel während des Wachstums des Kristalls um seine Achse gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Tiegel während des Wachstums des Kristalls angehoben wird.