DE1182206B

DE1182206B - Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE1182206B
Application number: DES77717A
Authority: DE
Inventors: Otto Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-01-26
Filing date: 1962-01-26
Publication date: 1964-11-26
Also published as: CH406162A; US3173815A; NL285816A; GB986235A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: BOIj Deutsche JG.: 12c-2

Nummer: 1182206

Aktenzeichen: S 77717IV c/12 c

Anmeldetag: 26. Januar 1962

Auslegetag: 26. November 1964

Nach einem bekannten Verfahren zur Gewinnung von Halbleitermaterial, ζ. Β. durch Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiters und Abscheidung auf einem elektrisch beheizten stabförmigen Träger aus demselben Halbleitermaterial, kann ein dotierter Stab aus Halbleitermaterial erhalten werden, wenn während des Zersetzungs- und Abscheidungsprozesses ein Dotierungsstoff, z. B. in Gasform, dem Reaktions- oder dem Trägergas zugesetzt wird. ίο

Es besteht nun häufig die Aufgabe, einen solchen Halbleiterstab, der eine über seine ganze Länge nur annähernd gleichmäßig verteilte Dotierung aufweist, nachträglich einem Zonenschmelzverfahren zu unterziehen, sei es zu dem Zweck, dem Stab eine einkristalline Struktur zu geben, sei es zwecks Vergleichmäßigung der Dotierungskonzentration über den Stabquerschnitt oder sei es zwecks Herabsetzung der Dotierungskonzentration. Eine solche Behandlung hat bei einem von 1 verschiedenen Verteilungskoeffizienten des Dotierungsstoffes zur Folge, daß die Längsverteilung des Dotierungsstoffes in einem von der Schmelzzone zuerst durchwanderten Teil des Stabes nicht gleichmäßig wird.

Es ist bekannt, die Gleichmäßigkeit der Längsverteilung durch das sogenannte Zonenschmelznivellieren herzustellen, welches darin besteht, daß der Stab mehreren Schmelzzonendurchgängen mit jeweiligem Richtungswechsel unterworfen wird.

Es ist weiter ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekannt, bei dem die Schmelzzone mehrfach in gleicher Richtung durch einen Stab geführt wird. Bei dem letzten Zonendurchgang wird an einer von der Anschmelzstelle des Keimkristalls entfernten Stelle mit dem Schmelzen begonnen. Dieses Verfahren bezweckt die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials durch Verminderung der Kristallgitterversetzungen und Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsträger.

Demgegenüber kann bei einem Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Zwecke, in welchem eine vorbestimmte Konzentration eines Dotierungsstoffes, dessen Verteilungskoeffizient kleiner als 1 und dessen Dampfdruck größer als derjenige des Halbleitermaterials ist, über die ganze Stablänge annähernd gleichmäßig verteilt enthalten ist, durch tiegelfreies Zonenschmelzen im Vakuum mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone in der gleichen Richtung, wobei ein Durchlauf der Schmelzzone in einem Abstand von der Anfangsstelle der übrigen Zonendurchläufe in Richtung des Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus
hochreinem Halbleitermaterial durch tiegelfreies Zonenschmelzen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Otto Schmidt, Erlangen

Zonendurchlaufs begonnen wird, eine wesentliche Vereinfachung und eine Vergrößerung der verwertbaren Stablänge erzielt werden, wenn erfindungsgemäß nach dem Durchlaufen mit versetzter Anfangsstelle mindestens ein Durchlauf der Schmelzzone folgt, der an der ursprünglichen Stelle begonnen wird.

An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt einen Teil eines Halbleiterstabes, der einem vorzugsweise tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen werden soll;

F i g. 2 und 3 zeigen den Verlauf der Dotierungskonzentration über der Stablänge vor und nach dem Zonenschmelzen nach einem bekannten Verfahren und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

F i g. 1 zeigt einen Teil eines Halbleiterstabes, der dem Zonenschmelzen unterworfen wird. Am linken Ende befindet sich eine Schmelzzone, deren Länge / und deren Durchmesser d beträgt. Der Teil des Halbleiterstabes, durch den die Schmelzzone wandern soll, hat die Länge L. Der Durchmesser des Stabes ist über die gesamte dem Zonenschmelzverfahren unterworfene Länge konstant oder zumindest angenähert konstant.

In F i g. 2 ist die Dotierungskonzentration C über

dem von der Schmelzzone zurückgelegten Weg ~

dargestellt. Der Stab hat, wie vorausgesetzt, zunächst eine über die gesamte Stablänge annähernd gleichmäßige Dotierungskonzentration C₀- Nach dem ersten Zonendurchgang ist die Konzentration am Beginn des Weges der Schmelzzone um den Faktor k abgesunken (k = Verteilungskoeffizient) und zeigt im übrigen den bekannten Verlauf (1, 2, 3, 4). Da praktisch nur der Teil des Halbleiterstabes, der nach dem Zonenschmelzen wiederum eine gleichmäßige Dotie-

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rungskonzentration aufweist, verwendet werden kann, sind also die Teile von Punkt I bis II und hinter dem Punkt III als Abfall zu betrachten.

In F i g. 3 ist in einem Diagramm die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ₍dargestellt. Wieder hat der Stab zunächst eine annähernd gleichmäßige Dotierungskonzentration C₀. Nach dem ersten Zonendurchgang (1) ist wieder die Konzentration am Beginn des Weges der Schmelzzone um den Faktor k abgesunken. Nach dem zweiten Zonendtrrchgang (2) zeigt sich ein weiteres Absinken um den Faktor k. Beim dritten Durchgang der Schmelzzone wird der Zonendurchlauf ein Stück in den Stab versetzt begonnen, beispielsweise um etwa den halben Stabdurchmesser versetzt. Als untere und obere Grenze der Versetzung sind etwa ein Fünftel und das Zweifache des. Stabdurchmessers anzusetzen. Als Folge davon wird am Anfang des Stabes bei diesem Zonendurchgang keine weitere Reinigung des Halbleitermaterials von dem betreffenden Fremdstoff bewirkt. Die Dotierungskonzentration zeigt den mit 3 bezeichneten Verlauf.

Wird nun bei dem vierten und letzten Zonendurchgang wieder an dem normalen Anfang mit dem Durchlauf der Schmelzzone begonnen, so zeigt die Dotierungskonzentration danach den mit 4 bezeichneten Verlauf. Der Vergleich der Kurve 4 in F i g. 2 mit dem Verlauf der Kurve 4 in Fig. 3 zeigt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der nach diesem Verfahren behandelte Halbleiterstab zeigt eine wesentlich gleichmäßigere Dotierungskonzentration über die gesamte Länge. Die Abfallstücke sind wesentlich kürzer. Wird beispielsweise ein Siliciumstab von etwa 30 cm Länge, der mit Phosphor dotiert ist, dem tiegelfreien Zonenschmelzen im Vakuum unterworfen, so ist das Abfallstück am Anfang des Stabes bei dem bisher bekannten Verfahren etwa 7 cm lang, dagegen bei einem Stab, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde, lediglich 2 cm lang. Die Dotierungskonzentration beträgt beispielsweise vorher C₀= etwa 10~⁸g Phosphor pro Gramm Silicium und nach dem vierten Durchlauf der Schmelzzone etwa C₄= etwa 10-9 g Phosphor pro Gramm Silicium. Als Abfall wird hierbei der Teil des Siliciumstabes betrachtet, bei dem die genannten Werte den Rahmen von ±10% überschreiten. Bei einem Siliciumstab von etwa 12 mm Durchmesser liegen zweckmäßige Wanderungsgeschwindigkeiten der Schmelzzone bei etwa 2 bis 6 mm/min. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt also eine wesentlich bessere Ausbeute und damit eine erheblich größere Wirtschaftlichkeit hinsichtlich des Materials und hinsichtlich des Maschinenparks.

Selbstverständlich sind gewisse Abwandlungen des Verfahrens möglich. So kann beispielsweise bei einer größeren Anzahl von Zonendurchgängen gegebenenfalls mehrfach der Beginn des Zonendurchlaufs von der normalen Anfangsstelle weg in Richtung des Zonendurchlauf es versetzt werden, z. B. bei zehri-Zonendurchläufen bei dem fünften und bei dem neunten Durchgang der Schmelzzone. Je nach der Höhe der Dotierungskonzentration kann auch der Abstand des Beginns dieser Zonendurchgänge von dem normalen Anfang der Zonendurchgänge in gewissem Maße variiert werden. Derartige Werte lassen sich leicht durch Versuche ermitteln.

Zweckmäßigweise wird das Zonenschmelzen in einem Vakuum von weniger als 10~³ mm Quecksilbersäule durchgeführt und dieses Vakuum während des Zönenschmelzvorganges durch ständiges Pumpen aufrechterhalten. Die Teillänge des Stabes, welche dem Zonenschmelzen unterworfen werden soll, wird vorteilhafterweise vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens durch vorzugsweise tiegelfreies Zonenschmelzen auf einen gleichmäßigen Durchmesser gebracht.

Das Verfahren kann insbesondere auf Silicium angewendet werden. Germanium zeigt ein in vieler Hinsicht gleiches oder ähnliches Verhalten. Als Dotierungsmaterialien kommen die bekannten Akzeptoren und Donatoren der IH. bzw. der V. Gruppe des Periodischen Systems in Betracht, insbesondere Gallium, Indium, Arsen und Phosphor.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Zwecke, in welchem eine vorbestimmte Konzentration eines Dotierungsstoffes, dessen Verteilungskoeffizient kleiner als 1 und dessen Dampfdruck größer als derjenige des Halbleitermaterials ist, über die ganze Stablänge annähernd gleichmäßig verteilt enthalten ist, durch tiegelfreies Zonenschmelzen im Vakuum mit mehrfachem Durchlauf der Schmelzzone in gleicher Richtung, wobei ein Durchlauf der Schmelzzone in einem Abstand von der Anfangsstelle der übrigen Zonendurchläufe in Richtung des Zonendurchlaufs begonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Durchlauf mit versetzter Anfangsstelle mindestens ein Durchlauf folgt, der an der ursprünglichen Stelle begonnen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 109 141.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 729/248 11.64

ι Bundesdruckerei Berlin