DE1164681B

DE1164681B - Process for the production of a uniformly doped rod made of semiconductor material by crucible-free zone melting

Info

Publication number: DE1164681B
Application number: DES61148A
Authority: DE
Inventors: Dr Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-12-24
Filing date: 1958-12-24
Publication date: 1964-03-05

Description

Verfahren zur Herstellung eines gleichmäßig dotierten Stabes aus Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden und dergleichen, werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik angewendet. Für ihre Herstellung werden größere Mengen von Halbleitermaterialien, wie Germanium, Silizium oder intermetallische Verbindungen von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems benötigt. Es sind bereits verschiedene Verfahren zu ihrer Gewinnung und Reinigung bzw. anderweitigen Weiterverarbeitung bekannt geworden.Process for the production of a uniformly doped rod made of semiconductor material through crucible-free zone melting, semiconductor arrangements such as rectifiers, transistors, Photodiodes and the like are already widely used in electrical engineering applied. Larger quantities of semiconductor materials, such as germanium, silicon or intermetallic compounds of elements of III. and V. Group of the Periodic Table. There are already different procedures for their extraction and cleaning or other processing has become known.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergleichmäßigung oder anderweitigen Beeinflussung der Dotierungskonzentration eines Stabes aus Halbleitermaterial durch tiegelfreies vertikales Zonenschmelzen, bei dem die Schmelzzone durch den Halbleiterstab mehrfach in beiden Richtungen der Länge nach hindurchgeführt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise das unter dem Namen Vorwärts-Rückwärts-Zonenschmelzen oder Zonenschmelznivellieren (Zone-Levelling) bekannte Verfahren, bei dem die Dotierungskonzentration in einem in einem waagerechten Tiegel angeordneten Stabe aus Halbleitermaterial sowohl über die Länge als auch über den Querschnitt vergleichmäßigt wird.The invention relates to a method for equalization or otherwise influencing the doping concentration of a rod made of semiconductor material by crucible-free vertical zone melting, in which the melting zone through the Semiconductor rod is passed several times in both directions lengthwise. One such method is, for example, that known as forward-backward zone melting or zone-leveling known method in which the doping concentration in a rod made of semiconductor material arranged in a horizontal crucible is made uniform over the length as well as over the cross-section.

Es ist weiter bekannt, daß beim tiegelfreien vertikalen Zonenschmelzen die Wanderungsrichtung der Schmelzzone von unten nach oben zu bevorzugen ist, da in dieser Richtung die Schmelzzone mechanisch besonders stabil ist.It is also known that in the case of crucible-free vertical zone melting the direction of migration of the melting zone from bottom to top is to be preferred, since in this direction the melting zone is mechanically particularly stable.

Bei diesen Arbeiten treten gewisse Schwierigkeiten auf. Die Schmelzbedingungen beim Aufwärtsbewegen der Schmelzzone sind verschieden von denen beim Abwärtsbewegen. Infolge der Schwerkraft bildet sich im unteren Teil der Schmelzzone eine Ausbauchung aus. Bei der Abwärtsbewegung der Schmelzzone zeigt sie gegenüber der Aufwärtsbewegung eine wesentlich geringere Ausdehnung in der Längsrichtung des Stabes, wenn hierbei die gleiche Stablänge und Stabdicke erreicht werden soll. Man muß dann nämlich die Heizleistung bei der Abwärtsbewegung vermindern.Certain difficulties arise in this work. The melting conditions moving the melting zone upwards are different from those moving downwards. As a result of gravity, a bulge forms in the lower part of the melting zone the end. As the melt zone moves down, it points to the upward movement a much smaller extension in the longitudinal direction of the rod when doing so the same rod length and thickness should be achieved. You have to do the Reduce the heating power when moving downwards.

Dies kann bei dem erwähnten Zonenschmelznivellieren zu einer Verringerung des erstrebten Effektes, also zu einer verbleibenden Ungleichmäßigkeit des Dotierungsgehaltes führen. Außerdem lassen sich die Schmelzbedingungen beim Abwärtsbewegen der Schmelzzone schwieriger beherrschen, weshalb bei abwechselnder Aufwärts- und Abwärtswanderung der Schmelzzone an die Aufmerksamkeit des mit der Arbeit Betrauten erhöhte Ansprüche gestellt werden müssen.This can lead to a reduction in the aforementioned zone melt leveling the desired effect, i.e. a remaining unevenness of the doping content to lead. In addition, the melting conditions can be changed when moving the melting zone downwards more difficult to control, which is why with alternating upward and downward hikes the enamel zone has increased demands on the attention of the person entrusted with the work must be asked.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vergleichmäßigung oder anderweitigen Beeinflussung der Dotierungskonzentration eines vertikal gehalterten Stabes aus Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen; bei dem die Schmelzzone durch den Halbleiterstab mehrfach in beiden vertikalen Richtungen hindurchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird die Richtungsumkehr durch Umkehren des .Stabes herbeigeführt und in an sich bekannter Weise für sämtliche Zonendurchgänge relativ zur Schwerkraft ein und dieselbe vertikale Richtung, vorzugsweise von unten nach oben, beibehalten.The invention relates to a method for equalization or otherwise influencing the doping concentration of a vertically mounted Rod made of semiconductor material by crucible-free zone melting; where the melting zone passed through the semiconductor rod several times in both vertical directions will. According to the invention, the direction reversal is brought about by reversing the .Stabes and in a manner known per se for all zone passages relative to gravity one and the same vertical direction, preferably from bottom to top, maintained.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sieht vor; daß der Stab nur einmal und zwar nach mehreren Durchgängen in einer Richtung umgedreht wird und hinterher etwa die gleiche Anzahl Zonendurchgänge wie vorher vollzogen werden. Hierdurch läßt sich eine wesentliche Arbeitsersparnis erreichen.A particularly advantageous embodiment of the method provides; that the rod is turned over only once and after several passes in one direction and afterwards approximately the same number of zone passes as before will. In this way, a substantial saving in labor can be achieved.

Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf die Durchführung des Verfahrens mit selbsttätiger Steuerung des Zonendurchlaufes durch den Halbleiterstab. Hierbei bringen die erfindungsgemäßen Maßnahmen besondere Vorteile, weil das Steuerungsprogramm nur für eine einzige Bewegungsrichtung, insbesondere für das leichter zu beherrschende Aufwärtsbewegen der Schmelzzone, ausgelegt zu werden braucht.In particular, the invention relates to the implementation of the Process with automatic control of the zone passage through the semiconductor rod. The measures according to the invention bring particular advantages here because the control program only for a single direction of movement, especially for that which is easier to control Moving up the melt zone, needs to be laid out.

Im Nachfolgenden soll als Beispiel der Vorgang des Zonenschmelznivellierens näher beschrieben werden: Beim tiegelfreien Zonenschmelzen wandert die Schmelzzone langsam über die gesamte Stablänge. An der in der Fortbewegungsrichtung liegenden Seite der Zone wird dauernd neues Material aufgeschmolzen, während an der gegenüberliegenden Seite Material aus der Schmelze ausgeschieden wird. Das rekristallisierende Material weist meistens eine größere Reinheit als die Schmelze auf, da in die Kristallstruktur nur Fremdatome mit einem Verteilungskoeffizienten < 1 eingebaut werden. So kommt es, daß die Verunreinigungen in der Schmelzzone dauernd zunehmen, während sie in dem ausgeschiedenen Material in wesentlich geringerer Konzentration vorhanden sind. Wegen der dauernden Zunahme in der Zone nimmt allerdings auch die Konzentration im rekristallisierendem Stab in der Ziehrichtung laufend zu. Läßt man anschließend die Schmelzzone in umgekehrter Richtung durch den Stab wandern, so tritt der gleiche Effekt in umgekehrter Richtung auf, und es ergibt sich etwa eine Verteilung der Fremdstoffe, wie sie vor Beginn des Zonenschmelzvorganges bestand.The following is an example of the zone melt leveling process can be described in more detail: With crucible-free zone melting, the melting zone moves slowly over the entire length of the rod. At the one lying in the direction of travel page new material is constantly being melted on the zone, while on the opposite one Page material is precipitated from the melt. The recrystallizing material mostly has a higher purity than the melt, because of the crystal structure only foreign atoms with a distribution coefficient <1 are incorporated. So come it is that the impurities in the melting zone continuously increase while they are in the excreted material are present in a much lower concentration. However, because of the constant increase in the zone, the concentration also decreases in the recrystallizing rod continuously in the direction of drawing. Then leave If the melting zone migrates through the rod in the opposite direction, the same occurs Effect in the opposite direction, and there is roughly a distribution of Foreign matter as it existed before the start of the zone melting process.

Örtliche Ansammlungen von Fremdstoffen werden hierbei abgebaut, so daß nach mehrmaligen Hin- und Herwandern der Schmelzzone die Konzentration der Fremdstoffe über die gesamte Stablänge konstant ist. Dies ist der Vorgang des Zonenschmelznivellierens, der allerdings bei gewissen Stoffen versagt, die in die Kristallstruktur des Stabes genau wie der Halbleiterwerkstoff selbst eingebaut werden (gleicher Atomradius, Verteilungskoeffizient nahezu ---- 1).Local accumulations of foreign matter are broken down, see above that after repeated back and forth wandering of the melting zone, the concentration of foreign substances is constant over the entire length of the rod. This is the process of zone melt leveling, which, however, fails with certain substances that are part of the crystal structure of the rod exactly how the semiconductor material itself is installed (same atomic radius, Distribution coefficient almost ---- 1).

Durch das Hin- und Herwandern der Schmelzzone wird nicht nur eine gleichmäßige Konzentration der Fremdatome über die Stablänge, sondern auch über den Stabquerschnitt erreicht. Soll beispielsweise ein Stab aus hochgereinigtem Halbleitermaterial mit bestimmten Fremdstoffen dotiert werden, so wird man diese in den meisten Fällen auf die Oberfläche des Stabes aufbringen und diesen dann dem Zonenschmelznivellierverfahren unterwerfen. Danach ergibt sich eine gleichmäßige Dotierung sowohl über die Stablänge als auch über den Stabquerschnitt, da bei der meist induktiven Beheizung der Schmelzzone diese kräftig durchgerührt wird und auch sonst eine rein mechanische Durchmischung stattfindet, insbesondere wenn der eine Stabteil gegenüber dem anderen um seine Längsachse gedreht wird, was bekanntlich dazu dient, das rekristallisierende Halbleitermaterial symmetrisch aufwachsen zu lassen.By wandering back and forth the melting zone does not become just one uniform concentration of foreign atoms over the length of the rod, but also over reaches the rod cross-section. For example, a rod made of highly purified semiconductor material are doped with certain foreign substances, this will be the case in most cases Apply to the surface of the rod and then apply the zone melt leveling process subject. This results in uniform doping both over the length of the rod as well as via the rod cross-section, since the mostly inductive heating of the melting zone this is vigorously stirred and otherwise a purely mechanical mixing takes place, especially if the one rod part to the other around his Longitudinal axis is rotated, which is known to serve, the recrystallizing semiconductor material to grow up symmetrically.

Der Ablauf des Zonenschmelzvorganges läßt sich durch eine selbsttätige Einrichtung steuern. Derartige Einrichtungen sind auch bereits bekannt geworden. über entsprechende Organe werden Messungen vorgenommen und dementsprechend der Vorschub der Heizspule die Heizleistung und die Drehung des Stabes eingeregelt bzw. ein- und ausgeschaltet. Infolge der in der Einleitung beschriebenen Schwierigkeiten muß die Steuereinrichtung beim Aufwärtsbewegen der Zone anders reagieren als beim Abwärtsbewegen. Der Aufwand hierfür wird recht beträchtlich. Man sieht deshalb bei den bisher bekannten Einrichtungen zum selbsttätigen Steuern des Zonenschmelzvorganges ein solches Steuerungsprogramm vor, daß nur die leichter zu beherrschende Aufwärtsbewegung zum Zonenschmelzen ausgenutzt wird und bei der Abwärtsbewegung ein schneller Durchlauf des glühenden Stabes bei verminderter Heizung erfolgt. Diese geringere Heizleistung dient allein zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Leitfähigkeit des Halbleitermaterials an der innerhalb der Heizspule liegenden Stelle des Stabes. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens schafft die Möglichkeit, die selbsttätige Steuerung des Zonenschmelzverfahrens auch auf das Zonenschmelznivellieren und ähnliche Verfahren anzuwenden, ohne den dafür notwendigen Aufwand zu vergrößern. Es hat sich auch gezeigt, daß es nicht notwendig ist, auf jeden Durchlauf der Schmelzzone in der einen Richtung gleich einen Durchlauf in der anderen Richtung folgen zu lassen, um die durch das Anreichern der Schmelzzone mit Fremdstoffen sich ergebende ansteigende Dotierung des Stabes jeweils wieder rückgängig zu machen. Wie sich bei der praktischen Durchführung des Verfahrens gezeigt hat, genügt es durchaus, auf eine bestimmte Zahl von Durchläufen in der einen Richtung die gleiche Anzahl von Durchläufen in der entgegengesetzten Richtung folgen zu lassen.The sequence of the zone melting process can be carried out automatically Control facility. Such facilities are also already known. Measurements are made via appropriate organs and, accordingly, the feed rate the heating coil regulates the heating power and the rotation of the rod or and turned off. As a result of the difficulties described in the introduction the control device reacts differently when moving the zone upwards than when moving it downwards. The effort for this is quite considerable. You can therefore see the previously known Devices for the automatic control of the zone melting process such a control program suggest that only the easier-to-control upward movement is used for zone melting and with the downward movement a quick passage of the glowing stick at reduced heating takes place. This lower heating output is only used for maintenance a sufficient conductivity of the semiconductor material at the inside of the heating coil lying position of the rod. The inventive design of the method creates the possibility of the automatic control of the zone melting process also on to use zone melt leveling and similar procedures without the necessary to do so To increase effort. It has also been shown that it is not necessary to each pass of the melting zone in one direction equals one pass in to follow the other direction by enriching the melting zone increasing doping of the rod resulting from foreign substances again in each case to undo. As shown in the practical implementation of the procedure it is quite sufficient to run a certain number of times in one direction follow the same number of passes in the opposite direction.

An Hand eines Beispieles soll dieses Verfahren näher erläutert werden. Nach einem neueren Vorschlag wird mit einem bestimmten Dotierungsstoff in bestimmter Konzentration versehenes Halbleitermaterial in der Weise hergestellt, daß auf einen niederohmigen dünn gezogenen Halbleiterstab bekannter Dotierungskonzentration sehr reines Halbleitermaterial beispielsweise aus der Gasphase niedergeschlagen wird. Aus dem Verhältnis Querschnitt des fertigen Stabes zu Querschnitt der niederohmigen »Seele« ergibt sich dann die endgültige Dotierungskonzentration, die man dadurch auf jeden gewünschten Wert einstellen kann, daß man das niedergeschlagene Material bis zu einer entsprechenden Dicke aufwachsen läßt. Anschließend wird dann der so gewonnene Halbleiterstab dem Zonenschmelznivellieren unterworfen, um die zwar über die Länge des Stabes fast gleichmäßige Dotierungskonzentration auch über den Querschnitt zu vergleichmäßigen. Hierbei wird gemäß der Erfindung folgendermaßen verfahren. Ein beispielsweise 20 cm langer Stab wird am Morgen in die Zonenschmelzapparatur eingespannt, und darauf wird an das untere Ende ein einkristalliner Keimling angeschmolzen. Nun wird die selbsttätige Steuerung der Zonenschmelzvorrichtung eingeschaltet, die es dann übernimmt, eine bestimmte Anzahl von Durchläufen der Schmelzzone mit z. B. 4 mm/min Ziehgeschwindigkeit von unten nach oben durchzuführen, beispielsweise 10. Am Abend kann dann der mit der Arbeit Beauftragte den Halbleiterstab herausnehmen, umgekehrt einspannen und die Apparatur wiederum einschalten, worauf sich das Spiel wiederholt, nur daß die Durchlaufrichtung der Schmelzzone relativ zum Halbleiterstab umgekehrt ist. Nachdem sich die Vorrichtung nach der entsprechenden Anzahl von Durchläufen selbsttätig abgeschaltet hat, kann am nächsten Morgen der fertige Stab der Apparatur entnommen werden.This process will be explained in more detail using an example. According to a more recent proposal, a certain dopant is used in certain Concentration provided semiconductor material manufactured in such a way that on one low-resistance thinly drawn semiconductor rod of known doping concentration very pure semiconductor material is deposited, for example, from the gas phase. From the ratio of the cross section of the finished rod to the cross section of the low resistance "Soul" then results in the final doping concentration that one thereby achieves can be set to any desired value that you can adjust the precipitated material can grow up to a corresponding thickness. Then it will be like this The semiconductor rod obtained is subjected to the zone melt leveling, in order to obtain the above the length of the rod almost uniform doping concentration also over the cross section to equalize. The procedure according to the invention is as follows. A rod 20 cm long, for example, is placed in the zone melting apparatus in the morning clamped, and then a single-crystal seedling is fused to the lower end. Now the automatic control of the zone melting device is switched on, which it then takes over a certain number of passes through the melting zone with e.g. B. 4 mm / min pulling speed from bottom to top perform, for example 10. In the evening, the person in charge of the work can take out the semiconductor rod, vice versa and switch on the apparatus again, whereupon the game begins repeated, only that the direction of passage of the melting zone relative to the semiconductor rod is reversed. After the device itself after the appropriate number of passes has switched off automatically, the next morning the finished rod of the apparatus can be used can be removed.

Claims

Claims: 1. Method for equalization or otherwise Influencing the doping concentration of a vertically held rod Semiconductor material through crucible-free zone melting, in which the melting zone through the semiconductor rod is passed several times in both vertical directions, characterized in that the direction reversal is brought about by reversing the rod and in a manner known per se for all zone passages relative to gravity. and the same vertical direction, preferably from below to above, is retained.

2. The method according to claim 1, characterized in that the rod only once, namely after several passes in one direction, vice versa and afterwards approximately the same number of zone passes as before will.

3. The method according to claim 1, characterized in that the zone passage is automatically controlled by the semiconductor rod. In. Documents considered: German Patent No. 1014 332; German Auslegeschrift No. 1032 555; French Patent No. 1107 076; British Patent No. 790 954.