DE1194158B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls, insbesondere aus Germanium, mit hoher Versetzungsdichte - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls, insbesondere aus Germanium, mit hoher Versetzungsdichte Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristalls,-insbesondere aus Germanium, mit hoher Versetzungsdichte durch Ziehen aus der Schmelze, wobei der erstarrende Kristall thermisch beeinflußt wird.
• Die gewünschte Ätzgrubenverteilung und Dichte in einem Halbleiterkristall richtet sich bekanntlich nach dem jeweiligen Verwendungszweck eines Halbleiterkristalls. So ist z. B. für die Herstellung von Hochfrequenzdioden eine relativ große Anzahl von Ätzgruben im Diodenkristall erwünscht, damit genügend Rekombinationsstellen vorhanden sind, die für das Verschwinden bzw. Rekombination der in den Halbleiterkristall emittierten Ladungsträger im Zeitraum zweier aufeinanderfolgender Halbwellen sorgen. Das gleiche, nämlich die Forderung nach großer Ätzgrubendichte, gilt für Transistoren in Emitterschaltung, bei denen es zur Erzielung eines nicht zu hohen a-Wertes bei gleichzeitig hoher ec-eut-Off-Frequenz darauf ankommt, daß der Emitterstrom trotz geringen Abstandes zwischen Emitter und Kollektor zum Teil in der Basis des Halbleiterkörpers rekombiniert. Aber auch für einen günstigen Verlauf des Legierungsvorganges ist eine Ätzgrubendichte erwünscht, die über der im Durchschnitt im Halbleiterkristall vorhandenen Ätzgrubendichte liegt; Ätzgruben in genügender Anzahl hindern nämlich die Legierungspillen am Auslaufen und sorgen so für reproduzierbare und definierte Legierungstiefen und Kapazitäten. Während die durchschnittliche Ätzgrubendichte bei 1000 bis 3000 Ätzgruben pro Quadratzentimeter liegt, strebt man bei vielen Transistortypen für den Bereich der Legierungsoberfläche eine solche von 10 000 bis 15 000 Ätzgruben pro Quadratzentimeter an.
• Verfahren zur Herstellung von Ätzgruben existieren bereits; so ist z. B. vorgeschlagen worden, Ätzgruben durch mechanische Deformation der plastischen Zone zu erzeugen. Dabei scheiden sich aber die Ätzgruben längs Gleitebenen aus, wodurch es zu linienartigen Verwerfungen und ohmschen Durchgängen im Halbleiterkristall kommt. Das Verfahren der mechanischen Deformation ist daher für Flächensysteme unbrauchbar.
• Für die Praxis ebenfalls wenig geeignet ist ein anderes bereits vorgeschlagenes Verfahren, bei dem Ätzgruben durch Einbau von Kupfer- oder Nickelstörstellen erzeugt werden; es hat sich nämlich herausgestellt, daß beim Legierungsvorgang und der damit verbundenen Erwärmung auf etwa 700° C das eingebaute Kupfer bzw. Nickel bei der nachfolgenden Abkühlung aus dem Kristallinnern an der Halbleiteroberfläche sich wieder ausscheidet, da unter 700° C für diese Stoffe keine Löslichkeit im Halbleiterkristall besteht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, welche die Erzeugung einer definierten Atzgrubenzahl ermöglichen. Die Erfindung besteht bei einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls mit hoher Versetzungsdichte durch Ziehen aus der Schmelze darin, daß die Breite der plastischen Zone durch Kühlen verkleinert wird.
• Es ist bereits bekannt, den- erstarrenden Halbleiterkristall thermisch zu beeinflussen. Zur Reduzierung der Versetzungsdichte ist- es beispielsweise bekannt, im Bereich des Übergangs zwischen Schmelzzone und fester Zone einen zusätzlichen Heizer vorzusehen und mit dessen Hilfe zur Erzielung einer planen Übergangsfläche zwischen Schmelzzone und fester Zone die Wirkung des in radialer Richtung vorhandenen Wärmeflusses zu kompensieren. In diesem Zusammenhang ist auch vorgeschlagen worden, durch eine Kühlung den Wärmefluß in axialer Höhe zu erwärmen.
• Der Erfindung liegt im Gegensatz dazu die Erkenntnis zugrunde, daß die Ätzgrubendichte eng mit der Verweilzeit des Halbleiterkristalls in der plastischen Zone zusammenhängt. Beim Kristallziehen, bei dem bekanntlich der Halbleiterkristall aus seiner Schmelze gezogen wird, geht z. B. Germanium nach Verlassen des Schmelztiegels zunächst in den plastischen Zustand über (s. Zone 2 der Zeichnung), die dem Temperaturbereich von 850 bis 940° C entspricht, bis es schließlich nach Absinken der Temperatur auf unter 850° C elastisch wird. Diesem Zustand entspricht die auf das plastische Zwischenstadium folgende Zone 3 der Zeichnung.
• Wie sich herausgestellt hat, erreicht man eine kleine Atzgrubenzahl, wenn für den Halbleiterkristall, z. B. Germanium, die Verweilzeit in der über der Schmelze 1 liegenden plastischen Zone 2 groß ist; unter dieser Voraussetzung können viele durch den Ziehprozeß entstandene Versetzungen wieder ausheilen. Das Gegenteil gilt naturgemäß für kurze Verweilzeiten in der plastischen Zone 2.
• Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden. In der Zeichnung ist mit 4 der Schmelztiegel bezeichnet, der zur Aufnahme der Schmelze 1 dient. Durch die am Umfang des Schmelztiegels 4 angeordnete Heizwicklung 5 wird der Tiegelinhalt auf Schmelztemperatur gebracht und gehalten. Der Kristallziehprozeß erfolgt durch Aufwärtsbewegung eines zuvor in die Schmelze eingetauchten Impfkristalls; die Hubgeschwindigkeit beträgt dabei etwa 1 mm pro Minute. Zur Erzielung eines radialsymmetrischen Temperaturfeldes wird der Impfkristall außerdem noch in Rotation versetzt.
• Das an dem Impfkristall einkristallin anwachsende Halbleitermaterial, z. B. Germanium, geht nach Verlassen der Schmelze zunächst in den plastischen Zustand über, dem die Zone 2 entspricht. Durch thermische Einwirkung kann nun die Breite dieser plastischen Zone 2 und damit die Verweilzeit des Halbleitermaterials in der plastischen Zone nach Belieben gesteuert werden. Für die Durchführung der thermischen Steuerung der plastischen Zone ist ein Kühlsystem 6 vorgesehen, das zweckmäßig außerhalb der plastischen Zone zur Vermeidung eines Temperaturgradienten in der plastischen Zone senkrecht zur KristalMehrichtung angeordnet ist.
• Ein Halbleiterkristall von 10 - cm Leitfähigkeit hat etwa 1000 bis 2000 Atzgruben pro Quadratzentimeter; dem entspricht eine plastische Zonenbreite von etwa 5 mm, was bei einer Hubgeschwindigkeit von 1 mm pro Minute eine Verweilzeit von etwa 5 Minuten ausmacht. Kühlt man nun mittels des Kühlsystems 6 derart, daß die Breite der plastischen Zone auf 1 mm reduziert wird, so ergibt sich bei der gleichen Hubgeschwindigkeit nur noch eine Verweilzeit von einer Minute. Durch die abgekürzte Verweilzeit verbleibt dem Halbleitermaterial nicht mehr soviel Zeit zur Ausheilung seiner Versetzungen, wodurch die Atzgrubendichte erhöht wird. Gegenüber einer Atzgrubendichte von 1000 bis 2000 Ätzgruben pro Quadratzentimeter, entsprechend einer plastischen Zonenbreite von 5 mm, ergeben sich bei 1 mm Zonenbreite und konstant gehaltener Hubgeschwindigkeit erheblich mehr Ätzgruben, nämlich etwa 20 000 pro Quadratzentimeter.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch beim tiegellosen Zonenschmelzen Anwendung finden. Vor allem kann hier die Bedingung, daß die Kühlwirkung auf die plastische Zone stets gleich bzw. definiert bleibt, leicht dadurch eingehalten werden, daß man die Kühlzone der Schmelzzone in einem konstanten vorgegebenen Abstand folgen läßt.
• Stets gleichbleibende Kühlung der plastischen Zone erfordert dagegen beim bereits besprochenen nicht tiegelfreien Kristallziehverfahren besondere Maßnahmen. Da im Verlauf des Ziehprozesses die im Tiegel befindliche Schmelze abnimmt, ändert sich auch der Abstand der plastischen Zone zur Kühlanordnung bzw. zur Kühlzone. Damit dieser Abstand gleichbleibt, muß entweder der Tiegel gehoben oder die Kühlanordnung entsprechend gesenkt werden. In allen Fällen erweist sich die Verwendung eines flachen, breiten Tiegels als vorteilhaft. Gleichbleibende Kühlung der plastischen Zone trotz sinkenden Schmelzspiegels läßt sich natürlich auch durch Steuerung der Kühlanordnung selbst erzielen.
• Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß nur spezielle Ausführungsbeispiele erläutert wurden, jedoch durch entsprechende Kühlung der plastischen Zone jeder beliebige Verlauf der Versetzungsdichte in einem Halbleiterkristall geschaffen werden kann. Wie aus den Ausführungen hervorgeht, ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht mit der Kristallherstellung zu koppeln, und bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich eine unnötige zusätzliche Verunreinigung des Halbleitermaterials umgehen.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls, insbesondere aus Germanium, mit hoher Versetzungsdichte durch Ziehen aus der Schmelze, wobei der erstarrende Kristall thermisch beeinffußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der plastischen Zone durch Kühlen verkleinert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlzone und plastischer Zone ein solcher Abstand eingehalten wird, daß die Kühlwirkung der Kühlzone keinen radialen Temperaturgradienten in der plastischen Zone hervorruft.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Kühlzone und plastischer Zone konstant gehalten wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Halbleiterkristalls mit einer Ätzgrubendichte von etwa 20 000 pro Quadratzentimeter bei Verwendung eines Ausgangskristalls von ungefähr 152 - cm der Halbleiterkristall derart gekühlt wird, daß die plastische Zone eine Breite von ungefähr 1 mm einnimmt.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kühlzone ein im vorgegebenen Abstand von der Kühlachse angeordnetes, von einem Kühlmittel durchflossenes, vorzugsweise spiralförmig und metallisch ausgebildetes Rohr vorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kühlzone radial zur Kristallachse Kühlgasdüsen angeordnet sind.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kühlzone tangential zum Kristall in einer Ebene senkrecht zur Kristallachse stehende Kühlgasdüsen angeordnet sind. B. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kühlzone ein koaxial zum Kristall von Kühlmitteln durchflossener Doppelmantelzylinder angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1034 772; schweizerische Patentschrift Nr. 292 927; W. G. P f a n n, »Zone Melting«, 1958, S. 161 bis 168; W. D. L a w s o n und S. N i e 1 s e n, »Preparation of .Single Crystals«, 1958, S.191 und Abb.103.