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DE1261119B - Process for pulling NPN or PNP silicon or germanium single crystals - Google Patents

Process for pulling NPN or PNP silicon or germanium single crystals

Info

Publication number
DE1261119B
DE1261119B DEK39630A DEK0039630A DE1261119B DE 1261119 B DE1261119 B DE 1261119B DE K39630 A DEK39630 A DE K39630A DE K0039630 A DEK0039630 A DE K0039630A DE 1261119 B DE1261119 B DE 1261119B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
melt
crystal
pulling
npn
conductivity type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEK39630A
Other languages
German (de)
Inventor
Kogo Sato
Masami Tomono
Hiroshi Kodera
Shoji Tauchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Publication of DE1261119B publication Critical patent/DE1261119B/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • H10P95/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

BOIjBOIj

Deutsche KL: 12 g-17/18 German KL: 12 g -17/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Number:
File number:
Registration date:
Display day:

1 261119
K39630IVc/12g
9. Januar 1960
15. Februar 1968
1 261119
K39630IVc / 12g
January 9, 1960
15th February 1968

Verfahren zum Ziehen von NPN- oder PNP-Silicium- oder Germaniumeinkristallen aus einer Schmelze sind bekannt, wobei zur Erzielung der Schichten wechselnder Leitfähigkeit jeweils eine Umdotierung der Schmelze erfolgt. Da die Umdotierung durch Zusatz von Störstoffen erfolgt, steigt hierbei jeweils die Störstoffkonzentration der Schmelze an, so daß nach diesem Verfahren die Schmelze nicht wiederholt verwendet werden kann.Process for pulling NPN or PNP silicon or germanium single crystals from a Melts are known, with a redoping in each case to achieve the layers of changing conductivity the melt takes place. Since the redoping takes place through the addition of impurities, this increases in each case the concentration of contaminants in the melt, so that after this process the melt does not can be used repeatedly.

Ferner ist das sogenannte Stufenziehen bekannt, wo man Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit durch Änderung der Ziehgeschwindigkeit erhält. Dieser Effekt beruht darauf, daß die Segregationskonstante des P-Störstoffes und des N-Störstoffes jeweils von der Ziehgeschwindigkeit abhängt. Der Leitungstyp einer jeder Zone hängt dabei von der Größe der Ziehgeschwindigkeit und die Länge einer jeden Zone von der Zeit ab, während der die betreffende Ziehgeschwindigkeit eingehalten wird.The so-called step drawing is also known, where layers of different conductivity are used obtained by changing the pulling speed. This effect is based on the fact that the segregation constant of the P-impurity and the N-impurity in each case depends on the pulling speed. The line type each zone depends on the size of the pulling speed and the length of each Zone from the time during which the relevant pulling speed is maintained.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens werden die Störstoffe jeweils der Schmelze zugesetzt, in der sie sich gleichmäßig verteilen. Während dieser Verteilung der Störstoffe in der Schmelze erfolgt das Ziehen des Einkristalls jeweils mit der vorgesehenen Ziehgeschwindigkeit. Mindestens während der Anfangsperiode einer jeden Ziehstufe ändert sich die Störstoffverteilung innerhalb der Schmelze im Sinne der Einstellung eines Gleichgewichtszustandes. Dies bedingt, daß die Störstoffkonzentration sich über den Querschnitt des Einkristalls ändert, so daß beim fertigen Einkristall das Störstellenprofil über den Querschnitt unterschiedlich ist. Infolgedessen haben aus dem Einkristall ausgeschnittene Halbleiterkörper verschiedene Eigenschaften, insbesondere eine unterschiedliche Basisdicke, je nachdem, aus welchem Querschnittsbereich diese Halbleiterkörper ausgeschnitten sind. Durch die in der Praxis auftretende Diffusion ergibt sich eine weitere Uneinheitlichkeit des Störstellenprofils über den Querschnitt.When this process is carried out, the impurities are added to the melt in which they are evenly distributed. This takes place during this distribution of the contaminants in the melt Pulling the single crystal in each case at the intended pulling speed. At least during the initial period the distribution of impurities within the melt changes in the sense of each drawing stage the setting of a state of equilibrium. This means that the contaminant concentration is over the Cross-section of the single crystal changes, so that in the finished single crystal, the impurity profile over the Cross-section is different. As a result, have semiconductor bodies cut out of the single crystal different properties, in particular a different base thickness, depending on which one Cross-sectional area these semiconductor bodies are cut out. Through the occurring in practice Diffusion results in a further non-uniformity of the impurity profile over the cross-section.

Bei einem Verfahren zum Ziehen von NPN- oder PNP-Silicium- oder Germaniumeinkristallen aus einer Donatoren und Akzeptoren enthaltenden Schmelze unter Anwendung verschiedener aufeinanderfolgender Ziehgeschwindigkeiten, wobei zunächst ein Keimkristall des ersten Leitfähigkeitstyps mit der Schmelze in Berührung gebracht und nach Herstellung der Zwischenzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps so aus der Schmelze gezogen wird, daß wieder der anfangs vorhandene Leitfähigkeitstyp erzeugt wird, ergeben sich aber innerhalb des gesamten Querschnittes homogene Einkristalle, wenn erfindungsgemäß die Zwischenzone bei der Ziehgeschwin-In a process for pulling NPN or PNP silicon or germanium single crystals from a Donors and acceptors containing melt using different successive Pulling speeds, whereby initially a seed crystal of the first conductivity type with the Melt brought into contact and after production of the intermediate zone of the opposite conductivity type is drawn from the melt in such a way that the conductivity type that was initially present is generated again is, but homogeneous single crystals result within the entire cross section, if according to the invention the intermediate zone at the drawing speed

Verfahren zum Ziehen von NPN- oder
PNP-Silicium- oder Germaniumeinkristallen
Method of pulling NPN or
PNP silicon or germanium single crystals

Anmelder:Applicant:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, TokioKabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokyo

Vertreter:Representative:

Dr.-Ing. E. Meier, Patentanwalt,Dr.-Ing. E. Meier, patent attorney,

8000 München 22, Widenmayerstr. 58000 Munich 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:
Masami Tomono, Tokio;
Shoji Tauchi, Fujisawa-Shi;
Hiroshi Kodera,
Kogo Sato, Tokio (Japan)
Named as inventor:
Masami Tomono, Tokyo;
Shoji Tauchi, Fujisawa-Shi;
Hiroshi Kodera,
Kogo Sato, Tokyo (Japan)

Beanspruchte Priorität:
Japan vom 22. Januar 1959 (1522),
vom 20. Mai 1959 (15 796)
Claimed priority:
Japan January 22, 1959 (1522),
of May 20, 1959 (15 796)

digkeitO erzeugt wird, so daß weder ein Wachsen noch ein Schmelzen des mit der Schmelze in Berührung gebrachten Kristalls erfolgt und die Dotierstoffe ausschließlich durch Diffusion in den Kristall eingebaut werden, wobei solche Donatoren-Akzeptoren-Paare verwendet werden, daß der den Typ der Zwischenzone bestimmende Dotierstoff gegenüber dem anderen Dotierstoff die größere Diffusionskonstante besitzt. digkeitO is generated, so that neither a growth nor a melting of the with the melt in contact Brought crystal takes place and the dopants are built into the crystal exclusively by diffusion be, such donor-acceptor pairs are used that the type of The dopant determining the intermediate zone has the larger diffusion constant compared to the other dopant.

Nach der Erfindung nutzt man also im wesentlichen nur die unterschiedliche Größe der Diffusionskonstanten der Donatoren-Akzeptoren-Paare aus. Dabei kommt es vor Beginn der Diffusionsstufe zu einer einheitlichen Verteilung der Störstoffe innerhalb der Schmelze, so daß man über den gesamten Querschnitt des Einkristalls ein jeweils gleiches Störstellenprofil erhält. Dadurch wird die jeweils mittlere Zone des mehrschichtigen Aufbaus gleichmäßig, und ihre Dicke läßt sich vorherbestimmen. Insbesondere kann man diese mittlere Zone sehr dünn ausbilden.According to the invention, essentially only the different sizes of the diffusion constants of the donor-acceptor pairs are used. Before the start of the diffusion stage, the contaminants are uniformly distributed within of the melt, so that over the entire cross section of the single crystal one has the same impurity profile receives. As a result, the middle zone of the multilayer structure is uniform, and their Thickness can be predetermined. In particular, this middle zone can be made very thin.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor Erzeugung der Zwischenstufe zunächst ein kleiner Teil des Einkristalls geschmolzen. According to a further development of the method according to the invention, before the intermediate stage is generated first a small part of the single crystal melted.

Dieses Schmelzen erfolgt vorzugsweise durch Erhöhung der Schmelzentemperatur. Während dieses Aufschmelzens erfolgt einerseits eine gleichmäßigeThis melting is preferably carried out by increasing the melting temperature. During this On the one hand, melting takes place uniformly

809 508/327809 508/327

Verteilung der Störstoffe innerhalb der Schmelze, und andererseits wird eine frische Grenzfläche zwischen der festen und flüssigen Phase geschaffen, von der dann die Diffusion in der beschriebenen Weise ausgeht. Dadurch erreicht man eine weitere Vergleichmäßigung und Verbesserung der Störstellenverteilung innerhalb des Einkristalls.Distribution of the impurities within the melt, and on the other hand a fresh interface between the solid and liquid phase created, from which the diffusion then proceeds in the manner described. This achieves a further equalization and improvement of the distribution of defects within the single crystal.

Beispielexample

Ein Einkristall aus Germanium wird in üblicher Weise aus der Schmelze nach oben gezogen. Sodann wird die Ziehgeschwindigkeit auf etwa 0,1 mm/min verringert und eine geeignete Menge Gallium und Antimon in die Germaniumschmelze eingebracht. Hierbei wird die Ofentemperatur gleichzeitig um etwa 3 bis 100C erhöht, und es werden 15 bis 20 Sekunden benötigt, um die Temperatur der Germaniumschmelze zu erhöhen. Während dieser Zeitspanne sollte der Kristall etwa 0,03 mm hochgezogen werden und wachsen. Es tritt ein Schmelzen des Kristalls in einer Stärke von etwa 0,2 bis 0,5 mm auf Grund der Temperaturerhöhung der Schmelze ein. Sodann wird die Ofentemperatur etwa 20 bis 30 Sekunden konstant gehalten, so daß im wesentlichen kein weiteres Wachsen oder Schmelzen des Einkristalls eintritt. In dieser Zeit diffundieren die Störstoffe aus der Schmelze durch die Grenzfläche zwischen der festen und der flüssigen Phase in den Einkristall aus Germanium. Dann wird die Ofentemperatur schnell mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 100° C/min abgesenkt, und das Herausziehen des Einkristalls wird mit hoher Geschwindigkeit beendigt. Damit wird ein Einkristall erhalten, bei dem an den Kennkristall die Kollektorzone, daran die N-leitende Basiszone, die durch die Diffusion des Antimons aus der Schmelze in die Kollektorzone gebildet wird, und an die Basiszone die Emitterzone angewachsen ist. Der Germaniumschmelze können auch bereits vorher Gallium und Antimon zugesetzt worden sein.A single crystal of germanium is pulled up from the melt in the usual way. The pulling speed is then reduced to about 0.1 mm / min and a suitable amount of gallium and antimony is introduced into the germanium melt. The furnace temperature is increased by about 3 to 10 ° C. at the same time, and 15 to 20 seconds are required to increase the temperature of the germanium melt. During this time the crystal should be pulled up and grow by about 0.03 mm. The crystal melts to a thickness of about 0.2 to 0.5 mm due to the increase in temperature of the melt. The furnace temperature is then held constant for about 20 to 30 seconds so that essentially no further growth or melting of the single crystal occurs. During this time, the impurities from the melt diffuse through the interface between the solid and liquid phase into the single crystal of germanium. Then, the furnace temperature is rapidly lowered at a cooling rate of about 100 ° C./min, and pulling out of the single crystal is completed at high speed. A single crystal is thus obtained in which the collector zone has grown on the characteristic crystal, the N-conductive base zone thereon, which is formed by the diffusion of the antimony from the melt into the collector zone, and the emitter zone has grown on the base zone. Gallium and antimony can also have been added to the germanium melt beforehand.

Während der Diffusion diffundiert hauptsächlich Antimon aus der Schmelze in den Einkristall aus Germanium, da die Diffusionskonstante des Antimons in Germanium etwa 200fach größer ist als diejenige des Galliums.During the diffusion mainly antimony diffuses from the melt into the single crystal of germanium, because the diffusion constant of antimony in germanium is about 200 times greater than that of Galliums.

Für die Herstellung eines Siliciumeinkristalls wird im wesentlichen dieselbe Arbeitsweise angewandt. Es kann z. B. ein N-leitender Siliciumeinkristall mit einerSubstantially the same procedure is used to manufacture a silicon single crystal. It can e.g. B. an N-type silicon single crystal with a

35 spezifischen Leitfähigkeit von 1 ßcm, der Antimon als Störstoff enthält, als Keimkristall und eine Siliciumschmelze, der Gallium und Arsen in gleichmäßiger Verteilung zugesetzt worden ist, verwendet werden. Da die Diffusionskonstante von Gallium im Siliciumkristall um den Faktor 15 größer als diejenige von Arsen ist und da die Konzentration von Gallium in der Schmelze derart gewählt ist, daß seine Konzentration im Kristall größer als diejenige des Antimons wird, entsteht eine P-leitende Zwischenzone. 35 specific conductivity of 1 μcm, which contains antimony as an impurity, can be used as a seed crystal and a silicon melt to which gallium and arsenic has been added in uniform distribution. Since the diffusion constant of gallium in the silicon crystal is 15 times greater than that of arsenic and since the concentration of gallium in the melt is selected such that its concentration in the crystal is greater than that of the antimony, a P-conductive intermediate zone is created.

Durch Einstellung einer ausreichend hohen Ziehgeschwindigkeit wird sodann die N-leitende Emitterzone erzeugt, was auf der höheren Segregationskonstanten von Arsen beruht.By setting a sufficiently high pulling speed, the N-conductive emitter zone then becomes which is due to the higher segregation constant of arsenic.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zum Ziehen von NPN- oder PNP-Silicium- oder Germaniumeinkristallen aus einer Donatoren und Akzeptoren enthaltenden Schmelze unter Anwendung verschiedener aufeinanderfolgender Ziehgeschwindigkeiten, wobei zunächst ein Keimkristall des ersten Leitfähigkeitstyps mit der Schmelze in Berührung gebracht und nach Herstellung der Zwischenzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps so aus der Schmelze gezogen wird, daß wieder der anfangs vorhandene Leitfähigkeitstyp erzeugt wird, dadurchgekennzeichnet, daß die Zwischenzone bei der Ziehgeschwindigkeit 0 erzeugt wird, so daß weder ein Wachsen noch ein Schmelzen des mit der Schmelze in Berührung gebrachten Kristalls erfolgt und die Dotierstoffe ausschließlich durch Diffusion in den Kristall eingebaut werden, wobei solche Donatoren-Akzeptoren-Paare verwendet werden, daß der den Typ der Zwischenzone bestimmende Dotierstoff gegenüber dem anderen Dotierstoff die größere Diffusionskonstante besitzt. 1. Process for pulling NPN or PNP silicon or germanium single crystals from a Donors and acceptors containing melt using different successive Pulling speeds, whereby initially a seed crystal of the first conductivity type with the Melt brought into contact and after making the intermediate zone of the opposite Conductivity type is drawn from the melt in such a way that again the conductivity type present at the beginning is generated, characterized in that the intermediate zone at the drawing speed 0 is generated so that neither growth nor melting of the crystal brought into contact with the melt occurs and the dopants are incorporated into the crystal exclusively by diffusion, wherein such donor-acceptor pairs are used that the type of intermediate zone determines Dopant has the larger diffusion constant compared to the other dopant. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Erzeugung der Zwischenstufe zunächst ein kleiner Teil des Einkristalls geschmolzen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that before generating the intermediate stage first a small part of the single crystal is melted. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 964 708; USA.-Patentschrift Nr. 2 851 341.Documents considered: German Patent No. 964 708; U.S. Patent No. 2,851,341. 809 508/327 2.68 © Bundesdruckerei Berlin809 508/327 2.68 © Bundesdruckerei Berlin
DEK39630A 1959-01-22 1960-01-09 Process for pulling NPN or PNP silicon or germanium single crystals Pending DE1261119B (en)

Applications Claiming Priority (2)

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JP152259 1959-01-22
JP1579659 1959-05-20

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DE1261119B true DE1261119B (en) 1968-02-15

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GB (1) GB944153A (en)
NL (1) NL247569A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19936651A1 (en) * 1999-08-04 2001-02-15 Forsch Mineralische Und Metall Process and production of a segmented crystal

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE964708C (en) * 1955-01-13 1957-05-29 Siemens Ag Process for producing zones of different doping in semiconductor crystals by pulling the crystal from the melt
US2851341A (en) * 1953-07-08 1958-09-09 Shirley I Weiss Method and equipment for growing crystals

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