DE964708C - Verfahren zum Herstellen von Zonen unterschiedlicher Dotierung in Halbleiterkristallen durch Ziehen des Kristalls aus der Schmelze - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 29. MAI 1957

S42295 VIII cj 21g

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Zonen unterschiedlicher Dotierung in Halbleiterkristallen bekanntgeworden, welches von der Tatsache Gebrauch macht, daß sich beim Ziehen eines Einkristalls aus einer Schmelze, insbesondere Halbleiterschmelze, welche gleichzeitig mit einem Donator und einem Akzeptor dotiert ist, je nach der Größe der Ziehgeschwindigkeit entweder der Donator oder der Akzeptor stärker in den aus der Schmelze sich kristallisierenden Kristall einbaut. Wird z. B. eine Germaniumschmelze mit Indium und Antimon oder mit Gallium und Antimon in einem geeigneten Mischungsverhältnis dotiert und der Kristall abwechselnd mit höherer und niedrigerer Geschwindigkeit aus der Schmelze gezogen, so erhält man abwechselnd n- und p-leitende Zonen des Germaniumkristalls. Dieses Verfahren ist als Rate-grow-Verfahren bezeichnet worden. Im folgenden soll das Verfahren als Stufenziehen bezeichnet werden. Das Verfahren hat den Vorteil, ao daß bei Herstellung mehrerer aufeinanderfolgender Zonen unterschiedlicher Dotierung die Schmelze nicht jeweils umdotiert zu werden braucht, wie es vorher üblich gewesen war, was den Nachteil gehabt hatte, daß allmählich die Dotierung von Zone zu Zone immer stärker und damit der Widerstand des erhaltenen Halbleiterkristalls immer geringer wurde. Bei Anwendung des Stufenziehens tritt diese Anreicherung der Dotierung nicht ein. Das Verfahren hat jedoch bei

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der Anwendung die Schwierigkeit, daß der veränderten Ziehgeschwindigkeit eine entsprechende Variation der Temperatur der Schmelze parallel laufen muß, damit die Wachstumsgeschwindigkeit und damit der sich ergebende Querschnitt des Kristalls annähernd gleichbleibt und ein Abreißen des Kristalls bei einem schnellen Ziehen vermieden wird. Insbesondere muß bei einer erhöhten Ziehgeschwindigkeit die Temperatur erniedrigt bzw. ίο bei einer erniedrigten Ziehgeschwindigkeit die Temperatur erhöht werden.

Gemäß der Erfindung wird die Temperatur an der Erstarrungsfront, d. h. an der Grenzfläche zwischen erstarrtem Kristall und noch in flüssiger Phase befindlicher Schmelze beim Ziehen, von Kristallen aus der Schmelze, insbesondere Halbleiterkristallen, vorzugsweise zum Herstellen von Zonen unterschiedlicher Dotierung innerhalb des Halbleiterkristalls und vorzugsweise verschiedenen, gegebenenfalls entgegengesetzten Leitungstypus, besonders beim Stufenziehen dadurch geändert bzw. gesteuert, daß die auf Grund des Peltiereffektes auftretende Erwärmung bzw. Abkühlung bei einer Änderung der Stromstärke und/ oder Stromrichtung eines durch Kristall und Schmelze fließenden elektrischen Stromes ausgenutzt wird. Eine Erwärmung oder Abkühlung auf Grund des Peltiereffektes tritt bekanntlich an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Kontaktmaterialien beim Stromdurchgang in Abhängigkeit von Stromrichtung und Stromstärke auf. Die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche haben gezeigt, daß eine entsprechende Abkühlung und Erwärmung auch an der Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase desselben Leitungsmaterials, insbesondere Halbleitermaterials, auftritt. Da dieser Wärmeeffekt in unmittelbarer Nähe der Trennfläche von fester und flüssiger Phase auftritt, so' eignet sich dieser Effekt ganz besonders dazu, die Temperaturverhältnisse für das Anwachsen des Kristalls beim Ziehen aus der Schmelze zu regulieren und zu beeinflussen.

Die Temperaturbeeinflussung mittels des Peltiereffektes wird insbesondere beim Stufenziehen vom

♦5 Übergang von langsamer auf schnelle Ziehgeschwindigkeit angewandt, und zwar entweder durch plötzliches Einschalten des Stromes oder noch besser durch Umpolen eines vorher in entgegengesetzter Richtung fließenden Stromes, weil im letztgenannten Falle der Einfluß der Jouleschen Wärme der Abkühlung nicht entgegenwirkt. Zweckmäßig erfolgt die Temperatursteuerung durch den Peltiereffekt im gleichen Rhythmus wie die Veränderung der Ziehgeschwindigkeit. Die Temperaturbeeinfluissung nach der Erfindung unter Ausnutzung des Peltiereffektes kann entweder an Stelle oder zusätzlich zu der sonst üblichen äußeren Temperaturveränderung der Schmelze angewandt werden; im letztgenannten Falle wird der jeweilige Temperaturgradient noch verschärft.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, entweder zusätzlich zu einer Veränderung der Ziehgeschwindigkeit oder an Stelle dieser Maßnahme andere Parameter dazu zu benutzen, um die Einbauneigung der Donatoren und Akzeptoren zu steuern. Insbesondere ist es vorgeschlagen worden, die Rührung der Schmelze, die durch mechanische und/ oder elektrische bzw. magnetische Mittel herbeigeführt werden kann, durch Veränderung der Rührgeschwindigkeit und/oder -intensität als einen derartigen die Einbauneigung der Donatoren und Akzeptoren beeinflussenden Parameter zu verwenden oder aber die Drehgeschwindigkeit des Kristalls oder auch einen durch den Kristall und die Schmelze fließenden Strom zu diesem Zwecke zu benutzen oder mehrere dieser Parameter gemeinsam auszunutzen. Im letztgenannten Falle, in dem die Stromstärke bzw. Stromrichtung zur Beeinflussung der Dotierung ausgenutzt wird, kann gemäß der Erfindung dieser Strom selbst gleichzeitig durch geeignete Wahl der Stromrichtung und Stromstärke zur Erzeugung der notwendigen Temperaturänderungen benutzt werden.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. 1 bedeutet einen Kohletiegel, in welchem eine Germaniumschmelze 2 angeordnet ist. 3 bedeutet den Kristall, welcher mittels einer Halterungsvorrichtung 4 allmählich aus der Schmelze 2 gezogen wird. 5 und 6 sind Stromzuführungen für einen während des Kristallziehens durch den Kristall und die Schmelze und auch den Tiegel fließenden Strom. In der Germaniumschmelze sind Zusätze von Antimon und Gallium als Donator- und Akzeptorsubstanz in bekannter Menge enthalten. Das Verfahren zur Herstellung von Zonen unterschiedlicher Dotierung wird in an sich bekannter Weise durch die Veränderung, der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls 3 mittels der Ziehvorrichtung 4 nach dem Stufenziehverfahren durchgeführt. Erfindungsgemäß wird der Strom bei Veränderung der Ziehgeschwindigkeit von langsam auf schnell und schnell auf langsam jeweils umgepolt, und zwar in derjenigen Richtung, daß bei Beschleunigung der Ziehrichtung eine Abkühlung (Tiegel negativ polen) und bei Verzögerung der Ziehgeschwindigkeit eine Erwärmung (Tiegel positiv polen) eintritt. Bei Stromstärken von ungefähr 100 Ampere pro qcm ergeben sich dabei Temperaturveränderungen von etwa 20° C. Zusätzlich wird in an sich bekannter Weise auch noch die Temperatur des Kohletiegels verändert, und zwar dadurch, daß die Regelvorrichtung zur Konstanthaltung der Schmelztemperatur auf eine andere Temperatur umgestellt wird. Ee sei noch darauf hingewiesen, daß es auch im Rahmen der Erfindung liegt, bei bereits vorhandenen Temperaturinhomogenitäten in der Kristallziehapparatur durch entsprechende Strombeeinflussung unter Ausnutzung des Thompsoneffektes die iao Temperaturgradienten zu verstärken oder abzuschwächen. Ferner ist es unter Umständen auch möglich — besonders dann, wenn die Halbleiterkristalle nicht allzu dick, z. B. dünner als 3 mm sind —, die- verschiedenen Dotierungen durch den «5 Temperatureffekt nach der Erfindung allein, d. h.

ohne Stufenziehen mit veränderten Ziehgeschwindigkeiten, zu trennen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zum Beeinflussen der Kristallisation beim Ziehen von Kristallen, vorzugsweise Halbleiterkristallen, aus der Schmelze, insbesondere Stufenziehen, durch Veränderung der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Grund des Peltiereffektes auftretende Erwärmung bzw. Abkühlung bei einer Änderung der Stromstärke und/oder -riditung eines durch Kristall und Schmelze fließenden elektrischen Stromes ausgenutzt wird.

   .2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine an sich übliche Temperaturänderung durch Regelung der das ao Schmelzen bewirkenden Wärmequelle angewandt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelung mittels des Peltiereffektes im Rhythmus as der den stufenhaften Einbau von Donatoren oder Akzeptoren in den Kristall bewirkenden Veränderungen diesbezüglicher Parameter, insbesondere der Ziehgeschwindigkeit, durchgeführt wird.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderung mittels des Peltiereffektes duiroh Umpolen des Stromes erzeugt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 618/378 ».5$ (709 524/238 5. 57)