DE1190918B - Process for the targeted doping of rod-shaped bodies during zone melting - Google Patents
Process for the targeted doping of rod-shaped bodies during zone meltingInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. CL:Int. CL:
BOIjBOIj
Deutsche Kl.: 12c-2German class: 12c-2
Nummer: 1190 918Number: 1190 918
Aktenzeichen: W 28070IV c/12 cFile number: W 28070IV c / 12 c
Anmeldetag: 24. Juni 1960 Filing date: June 24, 1960
Auslegetag: 15. April 1965Opening day: April 15, 1965
Bei der Herstellung von hochreinen Stoffen ist es schwierig, gezielt zu dotieren und z. B. monokristalline Siliciumstäbe mit einem reproduzierbaren Widerstandsverlauf herzustellen.In the production of high-purity substances, it is difficult to selectively dope and z. B. monocrystalline Manufacture silicon rods with a reproducible resistance curve.
Es ist bekannt, kristalline Stoffe dadurch zu dotieren, daß während des tiegellosen Zonenschmelzens im Schutzgas ein mit Dotierstoffen beladener Gasstrom bei Normaldruck oder leichtem Überdruck strömend an der Schmelzzone vorbeigeleitet wird. Dabei durchstreicht das Gasgemisch verschiedene heiße Zonen, in denen bereits Dotierstoffe abgegeben werden. Das bewirkt aber, daß die Konzentration der Dotierstoffe längs der Stabachse verschieden ist.It is known that crystalline substances can be doped during the crucible-free zone melting in the protective gas a gas stream loaded with dopants at normal pressure or slightly overpressure is passed flowing past the melting zone. The gas mixture sweeps through various hot zones in which dopants are already being released. But that causes the concentration of the dopants is different along the rod axis.
Weiterhin ist bekannt, beim Dotieren von Halbleiterkristallen mehrere Teile gleicher oder verschiedener Substanzen lose aneinanderzureihen bzw. aufeinanderzustülpen und beim Durchwandern der flüssigen Zone zusammenzuschmelzen. Es kann aber auch eine entsprechende Menge eines Donatorenbzw. Akzeptorenmaterials auf den Halbleiter aufgeschmolzen oder der Stab an der gewünschten Stelle angebohrt oder angefräst und dort eine Dosis der Dotiersubstanz, z. B. in Pillenform, angebracht werden. Damit wird aber kein gezieltes Dotieren bewirkt. It is also known that when doping semiconductor crystals, several parts of the same or different parts Substances to be loosely strung together or placed on top of one another and when wandering through the liquid Zone to melt together. But it can also be a corresponding amount of a Donatorenbzw. Acceptor material melted onto the semiconductor or the rod at the desired location drilled or milled and there a dose of the dopant, z. B. in pill form attached. However, this does not bring about any specific doping.
Stabförmige Körper aus Elementen, Verbindungen, Legierungen fester Lösungen können aber während des Zonenschmelzens unter Schutzgas oder Vakuum bei Verwendung fester Dotierstoffe gezielt dotiert werden, wenn erfindungsgemäß stabförmige Dotierstoffe von der Seite her der Schmelzzone zugeführt werden.Rod-shaped bodies made of elements, compounds, alloys of solid solutions can be used during of zone melting under protective gas or vacuum when using solid dopants are doped if, according to the invention, rod-shaped dopants are fed into the melting zone from the side will.
Unter Dotierung ist bei dem vorliegenden VerfarT-ren nicht nur das Dotieren, wie es die Halbleitertechnik kennt, zu verstehen. Auch das Zusetzen von Stoffen, die optisch, mechanisch, magnetisch oder thermisch wirksam sind, ist damit gemeint.Under doping is in the present process not only to understand doping as it is known in semiconductor technology. Also adding This means substances that are optically, mechanically, magnetically or thermally effective.
Die zugeführten Dotierstoffe verteilen sich in der Schmelzzone bzw. in den Schmelzzonen gleichmäßig und werden entsprechend dem Verteilungskoeffizient fest/flüssig in der festen Pase eingebaut und verleihen den Körpern bestimmte Eigenschaften, z. B. elektrische, magnetische, optische, mechanische oder thermische, entsprechend der Art und Konzentration der Dotierstoffe.The added dopants are distributed evenly in the melting zone or in the melting zones and are incorporated and imparted in the solid phase according to the solid / liquid partition coefficient the bodies have certain properties, e.g. B. electrical, magnetic, optical, mechanical or thermal, according to the type and concentration of the dopants.
Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Der zu dotierende Körper (F i g. 1), beispielsweise ein
Siliciumstab 1, wird in seinem Querschnitt aufgeschmolzen und eine Schmelzzone 2 der Länge nach
durch den Stab wandern gelassen, wobei es möglich ist, die Zone von oben nach unten oder umgekehrt
Verfahren zur gezielten Dotierung von
stabförmigen Körpern während des
ZonenschmelzensThe method is carried out as follows: The body to be doped (FIG. 1), for example a silicon rod 1, is melted in its cross section and a melting zone 2 is allowed to migrate lengthwise through the rod, it being possible to use the zone of top to bottom or vice versa method for the targeted doping of
rod-shaped bodies during the
Zone melting
Anmelder:Applicant:
Wacker-Chemie G. m. b. H.,
München 22, Prinzregentenstr. 22Wacker-Chemie G. mb H.,
Munich 22, Prinzregentenstr. 22nd
Als Erfinder benannt:
Dr. Eduard Enk, Dr. Julius Nicki,
Dipl.-Ing. Dr. Heinz Silbernagel,
Burghausen (Obb.)Named as inventor:
Dr. Eduard Enk, Dr. Julius Nicki,
Dipl.-Ing. Dr. Heinz Silbernagel,
Burghausen (Obb.)
durch den Stab zu führen. Zwischen den Heizkörpern 4 wird der Schmelzzone ein dotierter, dünnerto lead through the staff. Between the heating elements 4, the melting zone becomes a doped, thinner one
a» Siliciumstab 5 mit einem Durchmesser von etwa 3 mm langsam zugeführt. F i g. 2 zeigt die Zuführung des Dotierstabes 5 von oben her. Eine beispielsweise Anordnung zeigt die F i g. 3, bei der von links her der Dotierstab 5 zugeführt wird. Er ruht in der Fassung 6, die an der Welle oder Stange 7 befestigt ist und von dem Antrieb 8 von außen nach innen getrieben wird.a »silicon rod 5 with a diameter of about 3 mm slowly fed. F i g. 2 shows the feeding of the doping rod 5 from above. An example of an arrangement is shown in FIG. 3, in which the doping rod 5 is fed in from the left. It rests in the socket 6, which is attached to the shaft or rod 7 and is driven by the drive 8 from the outside to the inside.
Der Fortschritt des Verfahrens liegt darin, daß die gezielte Dotierung, d. h. die Einstellung eines bestimmten spezifischen elektrischen Widerstandes des zu dotierenden Körpers, durch Längenverstellung mit Hilfe der Zuführungsvorrichtung des Dotierstabes erreicht wird. Längenverstellungen lassen sich bis zu größten Genauigkeiten ausführen. Mit dem Verfahren wird es möglich, von einem ungleichmäßig oder gleichmäßig dotierten Körper auszugehen, da es einfach ist, diesen vorher zu vermessen und entsprechend dem Dotiergehalt des Dotierstabes den Vorschub zu programmieren. Auch der Dotierstab kann gleichmäßig oder ungleichmäßig dotiert sein. Nimmt beispielsweise der Gehalt eines bestimmten Dotierstoffes im Dotierstab von dem Ende, das in der Fassung 7 liegt, zu dem Ende hin, das aufgeschmolzen wird, ab, so ist es ohne weiteres möglieh, den Antrieb 8 so einzustellen, daß entsprechend dem Dotiergehalt des Stabes 5 die Zufuhrgeschwindigkeit linear abnimmt. Somit ist es möglich, einen gleichmäßigen Widerstandsverlauf in Richtung Stabachse in Stab 1 (Fig. 3) zu erreichen.The progress of the process is that the targeted doping, i. H. hiring a particular specific electrical resistance of the body to be doped by adjusting the length is achieved with the help of the feeding device of the doping rod. Length adjustments can be execute to the greatest possible accuracy. With the procedure it becomes possible of an unevenly or evenly doped body, as it is easy to measure this beforehand and to program the feed rate according to the doping content of the doping rod. Also the doping stick can be doped uniformly or unevenly. Take, for example, the salary of a particular one Dopant in the doping rod from the end that lies in the holder 7 to the end that is melted is, from, so it is easily possible to adjust the drive 8 so that accordingly the feed rate decreases linearly with the doping content of the rod 5. Thus it is possible to achieve a uniform resistance curve in the direction of the rod axis in rod 1 (Fig. 3).
In gleicher Weise ermöglicht das Verfahren, geometrische Ungleichmäßigkeiten, z. B. Schwankungen im Durchmesser der Stäbe, allein durch mechanischeIn the same way, the method enables geometric irregularities, e.g. B. Fluctuations in the diameter of the rods, solely by mechanical means
509 539/251509 539/251
Maßnahmen auzugleichen. Ist z. B. der Dotierstab konisch und z. B. gleichmäßig dotiert, so wird entsprechend seinem Querschnittsverlauf der Vorschub so gesteuert, daß die in der Zeiteinheit zugeführte Dotierstoffmenge konstant bleibt. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn mehrere Stäbe immer wieder mit den gleichen Eigenschaften, wie spezifischem elektrischen Widerstand, hergestellt werden sollen.Balance measures. Is z. B. the doping rod conical and z. B. evenly doped, it is accordingly its cross-sectional profile of the feed is controlled so that the supplied in the unit of time Dopant amount remains constant. This is especially important when there are always multiple rods can be produced again with the same properties as specific electrical resistance should.
Bei Dotierungen mit schnell laufender Schmelzzone ist es vorteilhaft, zwei oder mehrere Dotierstäbe der Schmelzzone zuzuführen. Eine beispielsweise Anordnung zeigt F i g. 4. In diesem Falle werden drei Stäbe 5 gleichmäßig der Schmelzzone 2 zugeführt. In the case of doping with a rapidly moving melting zone, it is advantageous to use two or more doping rods to be fed to the melting zone. An example of an arrangement is shown in FIG. 4. Be in this case three rods 5 are fed evenly to the melting zone 2.
Mit diesem Verfahren gelingt es weiterhin, durch eine verschieden schnelle Zufuhr der Dotierstäbe einen bestimmten Verlauf des spezifischen elektrischen Widerstandes in dem zu dotierenden Körper herzustellen, z. B. einen fallenden Widerstand von einem Stabende zum anderen.With this method, it is still possible to supply the doping rods at different speeds a certain curve of the specific electrical resistance in the body to be doped to manufacture, e.g. B. a falling resistance from one rod end to the other.
Außerdem können durch Anwendung von Dotierstäben, die entgegengesetzt wirksame Dotierstoffe enthalten, Bereiche mit verschiedenem Leitfähigkeitstyp in ein und demselben Körper erzeugt werden. Dotiert man z. B. zuerst einen Siliciumstab oder ein Siliciumrohr mit einem borhaltigen Dotierstab, so erhält man p-leitendes Silicium. Anschließend wird dieser borhaltige Dotierstob gegen einen Dotierstab ausgewechselt, der Phosphor enthält, wodurch eine Zone mit η-Leitung im Stab oder Rohr erzeugt wird. Es können also Körper mit vielen Zonen entgegengesetzter Leitungsart hergestellt werden. Durch eine gleichzeitige Zufuhr von entgegengesetzt wirksamen Dotierstoffen gelingt es, eine vollständige oder teilweise Kompensation z. B. des Leitfähigkeitstyps zu erzeugen. Man erhält auf diese Weise ein absichtlich kompensiertes Material.In addition, by using doping rods, the oppositely effective dopants contain, areas with different conductivity types are generated in one and the same body. If one dopes z. B. first a silicon rod or a silicon tube with a doping rod containing boron, this gives p-type silicon. This boron-containing doping agent is then used against a Replaced doping rod containing phosphorus, creating a zone with η conduction in the rod or tube is produced. Bodies with many zones of opposite conduction types can therefore be produced. A simultaneous supply of oppositely effective dopants makes it possible to achieve a complete or partial compensation z. B. to generate the conductivity type. One receives on this Way an intentionally compensated material.
Als Dotierstäbe eignen sich runde oder eckige Stangen aus dem gleichen Material wie der zu dotierende Körper. Aber auch andere Stoffe, die beim Aufschmelzen verdampfen und die dominierenden Eigenschaften des herzustellenden Körpers nicht stören, eignen sich. Siliciumstäbe dotiert man z. B. vorteilhafterweise mit etwa 3 mm starken Siliciumstäben, die Bor, Aluminium, Indium, Gallium oder Phosphor, Arsen, Antimon enthalten. Bei der Dotierung von Germanium- und Borkörpern arbeitet man vorteilhafterweise sinngemäß mit Germanium bzw. Borstäben.Round or square rods made of the same material as the one to be doped are suitable as doping rods Body. But also other substances that evaporate when melting and the dominant ones Properties of the body to be produced do not interfere, are suitable. Silicon rods are doped z. B. advantageously with about 3 mm thick silicon rods, the boron, aluminum, indium, gallium or Contains phosphorus, arsenic, antimony. One works with the doping of germanium and boron bodies advantageously analogously with germanium or boron rods.
Der Dotierstab kann aber auch gleichzeitig aus einem Stoff bestehen, der am Aufbau des herzustellenden Körpers teilnimmt und darin verbleibt, so kann er z. B. eine Legierungskomponente oder ein Element sein, das mit dem zu reinigenden Stab eine Verbindung bildet. In diesem Fall kann z. B. bei Silicium der dotierende Stab Bor sein, der Phosphor enthält, wodurch es gelingt, phosphorhaltige Borsilicide herzustellen. Sinngemäß ist das Verfahren auch bei der Herstellung von intermetallischen Verbindungen anwendbar, z.B. IWV-, WWl-, V/IV-Verbindungen. The doping rod can also consist of a substance that participates in the structure of the body to be produced and remains therein. B. be an alloy component or an element that forms a connection with the rod to be cleaned. In this case, e.g. B. in the case of silicon, the doping rod may be boron, which contains phosphorus, which makes it possible to produce phosphorus-containing boron silicides. The process can also be used analogously in the production of intermetallic compounds, for example IWV, WWI, V / IV compounds.
Die Dotierstäbe können die wirksamen Stoffe in homogen verteilter Form oder heterogen eingelagert enthalten, z. B. als Einschlüsse oder als feste Lösung oder als gelöste Elemente oder Verbindungen.The doping rods can store the active substances in a homogeneously distributed form or heterogeneously included, e.g. B. as inclusions or as a solid solution or as dissolved elements or compounds.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß es nicht an die Erhitzungsart, mit der die wandernde Schmelzzone erzeugt wird, gebunden ist. Es eignet sich sowohl bei Erhitzung mit elektrischer Hochfrequenz, Elektronen- oder Ionenbombarde-Another advantage of the process is that it does not depend on the type of heating with which the migrating Melting zone is generated, is bound. It is suitable for both heating and electric High frequency, electron or ion bombardment
ao ment, Plasmabrenner, Elektronenfackel oder Wärmestrahlung. ao ment, plasma torch, electron torch or thermal radiation.
Das Verfahren ist ferner unabhängig von dem Druckbereich, bei dem zonengeschmolzen wird. Es wird anwendbar bei Unter-, Normal- oder Überdruck. The method is also independent of the pressure range at which zone melting is carried out. It can be used with negative, normal or overpressure.
Dotierstäbe können auch in eine Schmelzzone geführt werden, die der eigentlichen Schmelzzone voraus- oder nacheilt und die nicht den gesamten Querschnitt des Stabes erfaßt, wodurch eine gleichmäßigeDoping rods can also be led into a melting zone that precedes the actual melting zone. or lags and which does not cover the entire cross-section of the rod, creating a uniform
Verteilung der Dotierstoffe erreicht wird. _Distribution of the dopants is achieved. _
Mit den Verfahren gelingen Dotierungen in einem weiten Widerstandsbereich z. B. bei Silicium von etwa 104 bis 10 4 Ohm/cm, bei n- und p-leitendem Material und Trägerlebensdauern von 104 bis zu einigen Mikrosekunden zu erzielen.With the method, doping in a wide resistance range z. B. with silicon from about 10 4 to 10 4 ohms / cm, with n- and p-conductive material and carrier lifetimes of 10 4 to a few microseconds.
Dieses Verfahren läßt sich sinngemäß übertragen auf das Zonenschmelzen im Tiegel.This process can be applied analogously to zone melting in the crucible.
Claims (1)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 017 795;
österreichische Patentschrift Nr. 194 444.Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1 017 795;
Austrian patent specification No. 194 444.
Priority Applications (5)
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| DEW28070A DE1190918B (en) | 1960-06-24 | 1960-06-24 | Process for the targeted doping of rod-shaped bodies during zone melting |
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