DE1238448B

DE1238448B - Method for doping a rod-shaped semiconductor body

Info

Publication number: DE1238448B
Application number: DE1957S0054492
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Horst Irmler; Dipl-Phys Lothar Rehfeld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-07-26
Filing date: 1957-07-26
Publication date: 1967-04-13

Description

Verfahren zum Dotieren eines stabförmigen Halbleiterkörpers Es ist bekannt, einen vorgereinigten Halbleiterstab zum gezielten Dotieren auf seiner Länge in gewissem Abstand mit Bohrungen zu versehen, in welche das als Störstellensubstanz wirkende Material eingebracht wird, und dann über die Länge des Stabes einen diesen umgebenden Heizring langsam zu verschieben, der in dem Halbleiterstab die Schmelzzone von einer bestimmten axialen Länge erzeugt, so daß, sobald die erzeugte Schmelzzone die Bohrungen überstreicht, welche das eingebrachte Störstellenmaterial enthalten, diese eingebrachten Substanzen sich innerhalb gewisser Zonen des Halbleiterstabes verteilen sollen.Method for doping a rod-shaped semiconductor body It is known, a pre-cleaned semiconductor rod for targeted doping along its length to be provided with holes at a certain distance, in which that as an impurity substance acting material is introduced, and then one this over the length of the rod to move the surrounding heating ring slowly, the melting zone in the semiconductor rod generated by a certain axial length, so that once the melt zone generated sweeps over the bores that contain the introduced impurity material, these introduced substances are located within certain zones of the semiconductor rod should distribute.

Es war auch für ein Zonenschmelzen in einem Tiegel bekannt, einen Einkristall des Materials an einem Ende der Tiegelfüllung anzuordnen, eine den Tiegel umschließende Heizspule von einer anteiligen axialen Länge, bezogen auf die gesamte Länge des Tiegels, zur Erzeugung der Schmelzzone in dem an den einkristallinen Teil anschließenden Teil der Tiegelfüllung vorzusehen, die in der Längsrichtung über den Tiegel und den Halbleiterkörper hinweggeführt werden soll und auf der Oberfläche des Tiegelinhaltes eine bestimmte Menge oder mehrere anteilige Mengen von Störstellenmaterial zu lagern, über welche die Schmelzzone hinweggeführt werden soll, so daß die Störstellensubstanz dann von dem Bad der schmelzflüssigen Zone absorbiert wird, sobald die Schmelzzone diese Störstellenmaterialmengen erreicht.It was also known for a zone melting in a crucible, one Arrange single crystal of the material at one end of the crucible filling, one the crucible surrounding heating coil of a proportional axial length, based on the entire Length of the crucible, for creating the melting zone in the one-crystal part Provide subsequent part of the crucible filling that extends in the longitudinal direction the crucible and the semiconductor body are to be carried away and on the surface the contents of the crucible contain a certain amount or several proportional amounts of impurity material to store, over which the melting zone is to be led away, so that the impurity substance then is absorbed by the bath of the molten zone once the melt zone reaches this amount of impurity material.

Ziel der Erfindung ist, bei einer Dotierung des stabförmigen Halbleiterkörpers eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Dotierungsmaterials in dem Volumen des Halbleiterkörpers durch einen Zonenschmelzvorgang zu erreichen, auch sehr kleine Mengen an Störstellenmaterial, wenn sie nicht mehr ohne weiteres durch Wägen zu erfassen sein würden, für eine solche Dotierung des Halbleiterkörpers benutzen zu können und ferner zu erreichen, daß die beabsichtigte einzubringende Störstellenmaterialmenge auch tatsächlich praktisch vollständig in den Halbleiterkörper hineingelangt und nicht, wie es bei den angeführten bekannten Verfahren gegeben ist, bereits zufolge der sich dem Störstellenmaterial annähernden Schmelzzone durch deren Einflüsse und diejenigen der ihr voreilenden Erwärmung des zu dotierenden Halbleiterstabes in ihrer absoluten Menge durch Abdampfen bzw. Sublimieren beeinträchtigt werden kann.The aim of the invention is when the rod-shaped semiconductor body is doped the most uniform possible distribution of the doping material in the volume of the To achieve semiconductor body by a zone melting process, even very small Quantities of impurity material when they are no longer readily available by weighing would be to use for such a doping of the semiconductor body can and further achieve that the intended amount of impurity material to be introduced also actually got practically completely into the semiconductor body and not, as is the case with the cited known processes, already according to the melting zone approaching the impurity material due to their influences and those of the leading heating of the semiconductor rod to be doped in their absolute amount can be impaired by evaporation or sublimation.

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, daß, wenn ein solches Störstellenmaterial unmittelbar auf den Halbleiterkörper aufgelegt wird und mit diesem zusammen dann erhitzt würde, um dieses Störstellenmaterial in den Halbleiterkörper hineinzuführen, die Schmelztemperaturen beider Körper gegebenenfalls derart voneinander abweichend sein können, daß von dem Störstellenmaterial bereits eine gewisse Menge abdampft, bevor überhaupt der Einführungsprozeß stattfindet, der durch den thermischen Behandlungsvorgang beabsichtigt ist. Es ist daher notwendig, dieses einzuführende Störstellenmaterial vorher gewissermaßen an der Stelle festzuhalten, von welcher aus es in den Halbleiterkörper hineingeführt werden soll.The invention is based on the consideration that if such Impurity material is placed directly on the semiconductor body and with this would then be heated together to this impurity material in the semiconductor body introduce the melting temperatures of the two bodies, if necessary, in such a way from each other may differ that of the impurity material already a certain amount evaporates before the introduction process takes place, which is caused by the thermal Treatment process is intended. It is therefore necessary to introduce this To hold defect material beforehand, so to speak, at the point of which from it is to be introduced into the semiconductor body.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Dotieren eines stabförmigen Halbleiterkörpers, indem an dem Stab ein Störstellenmaterial eingebracht und dann mittels einer über dessen Länge nach dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren hinweggeführten schmelzflüssigen Zone in dem Halbleiterstab verteilt wird, erreicht, wenn erfindungsgemäß das Störstellenmaterial vor seinem Aufbringen auf den stabförmigen Halbleiterkörper an einen Träger aus dem gleichartigen Halbleitermaterial in homogener Verteilung oder als eine Legierung gebunden wird.The solution to this problem is in a method for doping a rod-shaped semiconductor body by introducing an impurity material on the rod and then by means of a crucible-free zone melting process over its length carried away molten zone is distributed in the semiconductor rod, achieved, if according to the invention the impurity material before its application to the rod-shaped Semiconductor body on a carrier made of the same type of semiconductor material in homogeneous Distribution or bound as an alloy.

Für die Herstellung von pn-Schichthalbleitern aus Germanium oder Silizium durch Einlegieren und Eindiffundieren war es bekannt, als Ausgangsmaterial für den Legierungsprozeß zunächst eine Ausgangslegierung der Verunreinigung und der Verunreinigungssubstanz bzw. Störstellensubstanz mit Germanium oder Silicium herzustellen und diese Ausgangslegierung dann mit dem Halbleiterkörper in dem entsprechenden erwünschten Zonenbereich zur Legierung und Eindiffusion zu bringen. Diese Benutzung von Legierungen der Verunreinigungssubstanz und des Halbleitermaterials bzw. des Germaniums hatte aber zum Ziel, nur zu einer geringeren Eindringtiefe der Verunreinigungssubstanz in den Halbleiterkörper innerhalb einer vorgegebenen Zeit und bei einer gegebenen Temperatur zu führen, also insbesondere unter Beachtung der physikalischen Bedingungen, die jeweils das für die betreffende Legierung zweier Stoffe bzw. dreier Stoffe maßgebliche Zustandsdiagramm ergibt. Hierbei handelt es sich also nicht um die gleichmäßige gezielte Dotierung eines Halbleiterstabes in seinem gesamten Volumen im Sinne der Zielsetzung der vorliegenden Erfindung.For the production of pn-layer semiconductors made of germanium or silicon by alloying and diffusing it was known as the starting material for the Alloying process first a starting alloy of the impurity and the impurity substance or to produce impurity substance with germanium or silicon and this starting alloy then with the semiconductor body in the corresponding desired zone area alloy and bring in diffusion. This use of pollutant alloys and the semiconductor material or the germanium had the goal of only one less depth of penetration of the contaminant into the semiconductor body within a given time and at a given temperature, so in particular taking into account the physical conditions that are relevant for the Alloying two substances or three substances results in a decisive state diagram. This is not about the uniform, targeted doping of a Semiconductor rod in its entire volume within the meaning of the objective of the present Invention.

Es war ferner für die Herstellung von Halbleiterkörpern mit einem oder mehreren pn-Übergängen für die Zielsetzung, die Lage des pn-Überganges und den Verunreinigungsgradienten, also das Verhältnis der Zahl der Störstellen je Kubikzentimeter zur Wegeinheit der Eindringtiefe leicht und genau kontrollieren zu können, ein Verfahren bekannt, ohne den Halbleiterkörper irgendeiner vorher bestimmten Wärmebehandlung zu unterwerfen, eine kleine Menge einer geschmolzenen Legierung, bestehend aus einem Halbleiter und einer Donatoren- oder einer Akzeptorenverunreinigung und gegebenenfalls eines neutralen Verunreinigungselementes, vorzugsweise als Tropfen durch eine Öffnung im Boden des Schmelzenbehälters auf die darunter angeordnete Halbleiteroberfläche durch freien Fall aufzubringen und unter Ausnutzung des Wärmeinhaltes des Tropfens die zur Dotierung benutzte Schmelze mit dem Halbleiterkörper zur Legierung zu bringen, so daß jene eine bestimmte Tiefe erreichen sollte.It was also used for the manufacture of semiconductor bodies with a or several pn junctions for the objective, the position of the pn junction and the impurity gradient, i.e. the ratio of the number of imperfections per cubic centimeter To be able to easily and precisely control the unit of travel of the penetration depth, a method known without any predetermined heat treatment to the semiconductor body to subject a small amount of a molten alloy consisting of a Semiconductors and a donor or an acceptor impurity and optionally a neutral contaminant element, preferably as a drop through an opening in the bottom of the melt container on the semiconductor surface arranged below to be applied by free fall and utilizing the heat content of the drop to bring the melt used for doping to alloy with the semiconductor body, so that it should reach a certain depth.

Hierbei wurde eine genaue Kontrolle der Wärmebehandlung vorgeschlagen, da ein zu langes oder zu hohes Erhitzen eine Verunreinigungsdurchsetzung des ganzen Halbleiterkörpers verursachen würde, so daß also kein pn-Übergang erzeugt werden würde.A precise control of the heat treatment was suggested here, because too long or too high heating impurities penetration of the whole Would cause semiconductor body, so that no pn junction are generated would.

Es handelte sich also nicht um die gleichmäßige Dotierung eines Halbleiterstabes, aus welchem dann Halbleiterkörper geschnitten werden können, die als Ausgangshalbleiterkörper bestimmter Grunddotierung in ihrem gesamten Volumen gleichmäßig p- oder n-leitend dotiert sind.So it was not about the uniform doping of a semiconductor rod, from which semiconductor bodies can then be cut, which are used as the starting semiconductor body certain basic doping uniformly p- or n-conducting in its entire volume are endowed.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann für die Bildung des Störstellenmaterialträgers ein Hilfsstab an seiner Oberfläche mit einer entsprechenden Menge an Störstellenmaterial versehen werden, dann über dieses Material eine entsprechende Schmelzzone hinweggeführt werden, so daß in dem Volumen des Hilfsstabes das Störstellenmaterial verteilt wird. Alsdann werden aus diesem Hilfsstab entsprechende Teilkörper geschnitten und diese Teilkörper dann an dem endgültigen Stab gelagert, der in seinem Volumen derart dotiert werden soll, daß aus diesem geschnittene Körper als Ausgangshalbleiterkörper für die Herstellung von Halbleiteranordnungen gebildet werden können.In the method according to the invention, for the formation of the impurity material carrier an auxiliary rod on its surface with a corresponding amount of impurity material are provided, then a corresponding melting zone is passed over this material so that the impurity material is distributed in the volume of the auxiliary rod. Then corresponding partial bodies are cut from this auxiliary rod and these Partial body then stored on the final rod, which doped in its volume in this way should be that from this cut body as a starting semiconductor body for the manufacture of semiconductor devices can be formed.

Es kann auch ein Hilfskörper benutzt werden, der aus dem gleichen Material besteht wie der Halbleiterstab, der dotiert werden soll. An diesem Halbleiterkörper wird nach Art des üblichen Legierungsverfahrens das Störstellenmaterial aufgebracht und anschließend ein Einlegierungsprozeß bis zu einer bestimmten Tiefe durchgeführt. An diesem Hilfskörper wird dann ein selektiverÄtzprozeß durchgeführt, durch den das oberhalb des eigentlichen Halbleiterkörpers vorhandene Einlegierungsmaterial wieder entfernt wird, so daß dann nur ein Restkörper vorliegt aus dem ursprünglichen Halbleitermaterial mit einer einlegierten dotierten Zone. Aus diesem Hilfskörper werden jetzt Teilkörper abgetrennt, die eine Menge an Störstellenmaterial entsprechend der an dem zu dotierenden Stab zu erzeugenden Störstellenkonzentration enthalten, und ein solcher Körper dann an demjenigen Stab gelagert, welcher zu dotieren ist, wonach dann über die Lagerungsstelle dieses Hilfskörpers die flüssige Schmelzzone hinweggeführt wird, um die Dotierung des Halbleiterstabes durchzuführen, aus dem dann Halbleiterkörper für Halbleiteranordnungen geschnitten werden sollen.It is also possible to use an auxiliary body made from the same Material is like the semiconductor rod that is to be doped. On this semiconductor body the impurity material is applied according to the usual alloying process and then carried out an alloying process to a certain depth. A selective etching process is then carried out on this auxiliary body the alloy material present above the actual semiconductor body is removed again, so that then only a residual body is present from the original Semiconductor material with an alloyed doped zone. From this auxiliary body Partial bodies are now separated, which correspond to an amount of impurity material contain the impurity concentration to be generated on the rod to be doped, and such a body is then supported on the rod that is to be doped, after which then the liquid melting zone via the storage point of this auxiliary body is carried away in order to carry out the doping of the semiconductor rod from which then semiconductor bodies for semiconductor arrangements are to be cut.

Bei der Anbringung eines solchen Teilkörpers können ebenfalls verschiedene Maßnahmen benutzt werden. Es kann das Material, welches an dem zu dotierenden Halbleiterstab als mit Störstellenmaterial angereicherte Substanz angebracht wird, an einer Oberflächenstelle bereits in der Form gelagert werden, daß es über den gesamten Umfang des Halbleiterstabes herum verteilt ist, z. B. als Ringkörper. Das wird dann eine gewisse Gleichmäßigkeit für die Verteilung dieser mit Störstellenmaterial angereicherten Substanz in der schmelzflüssigen Zone ergeben, wenn diese über diese Körper hinweggeführt wird.When attaching such a part body can also be different Measures are used. It can be the material which is attached to the semiconductor rod to be doped is attached as a substance enriched with impurity material, to a surface location already stored in such a way that it covers the entire circumference of the semiconductor rod is distributed around, e.g. B. as a ring body. This then becomes a certain regularity for the distribution of this substance enriched with impurity material in the result in a molten zone when it is passed over these bodies.

Das tiegelfreie Zonenschmelzen kann dabei sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Lage erfolgen. Die Schmelzzone kann dabei in bekannter Weise durch magnetische Stützfelder gestützt werden.The crucible-free zone melting can be done in both vertical and can also be done in a horizontal position. The melting zone can be used in a known manner be supported by magnetic support fields.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist 1 ein Halbleiterstab, der z. B. aus reinem Silicium besteht und der mit einem Zusatzstoff, z. B. Antimon, dotiert werden soll. Dieser Halbleiterstab ist an der Stelle 2 mit einer eingearbeiteten Kerbe versehen, die z. B. mittels eines Sägeschnittes hergestellt sein kann. In dieser Kerbe 2 ist nach einem an ihr vorausgegangenen Ätzprozeß mit einer Lösung aus Salpetersäure und Flußsäure der Körper 3 eingelagert, der als Träger des an ihn gebundenen Störstellenmaterials aus einem gleichartigen Halbleiterwerkstoff besteht, in welchem z. B. Antimon als Störstellenmaterial in einer bestimmten Verteilung enthalten ist. Für die Dotierung des Halbleiterkörpers 1 mit dem in oder an dem Körper 3 vorhandenen Zusatzstoff wird nun der Körper 1 zunächst an der Stelle 4, die sich unterhalb der Stelle befindet, an welcher der Körper mit dem Störstellenmaterial eingelagert ist, durch Hochfrequenzerhitzung mittels der Spule 13 in einer bestimmten Zonenbreite in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt. Diese schmelzflüssige Zone wird durch eine Relativbewegung zwischen der Spule 13 und dem Stab 1 in der Richtung des Pfeiles 5 nach oben geführt. Sobald die schmelzflüssige Zone 4 die Zone erreicht, wo der Körper 3 gelagert ist, wird das Störstellenmaterial in den Schmelzfluß aufgenommen und löst sich in diesem. Die schmelzflüssige Zone ist auf diese Weise nunmehr mit einer eindeutig bestimmten Menge bzw. Konzentration an Störstellenmaterial angereichert. Bei dem weiteren Aufwärtsführen der schmelzflüssigen Zone 4 wird somit sinngemäß das Störstellenmaterial entsprechend seinem Verteilungskoeffizienten in bezug auf den Halbleiterwerkstoff in dem Halbleiterkörper 1 verteilt und damit eine eindeutige Dotierung dieses Körpers mit dem Störstellenmaterial erreicht. Unter Verteilungskoeffizient ist hierbei das Verhältnis der Konzentrationen des Körpers an der Phasengrenze zwischen festem und flüssigem Zustand zu verstehen. Der Körper 3 kann beispielsweise eine Konzentration von etwa 101s Antimonatomen je Kubikzentimeter aufweisen. Die Größe des Körpers 3 ist derart gewählt, daß sich in der Zone eine ganz bestimmte Konzentration des Zusatzstoffes im Halbleiterkörper in der schmelzflüssig gemachten Zone einstellt. Der Körper ist in derjenigen Richtung, in welcher die schmelzflüssige Zone über ihn hinweggeführt wird, kleiner als die Breite dieser Zone.According to the embodiment of FIG. 1, 1 is a semiconductor rod formed e.g. B. consists of pure silicon and the with an additive, z. B. antimony is to be doped. This semiconductor rod is provided at the point 2 with an incorporated notch, which z. B. can be made by means of a saw cut. In this notch 2 , after a previous etching process with a solution of nitric acid and hydrofluoric acid, the body 3 is embedded. B. Antimony is contained as an impurity material in a certain distribution. For doping the semiconductor body 1 with the additive present in or on the body 3, the body 1 is now first at the point 4, which is located below the point at which the body with the impurity material is embedded, by high-frequency heating by means of the coil 13 converted into the molten state in a certain zone width. This molten zone is guided upwards by a relative movement between the coil 13 and the rod 1 in the direction of the arrow 5. As soon as the molten zone 4 reaches the zone where the body 3 is stored, the impurity material is absorbed into the melt flow and dissolves in it. In this way, the molten zone is now enriched with a clearly defined amount or concentration of impurity material. As the molten zone 4 continues upwards, the impurity material is accordingly distributed in the semiconductor body 1 according to its distribution coefficient with respect to the semiconductor material, and thus a clear doping of this body with the impurity material is achieved. The distribution coefficient here is to be understood as the ratio of the concentrations of the body at the phase boundary between the solid and liquid state. The body 3 can, for example, have a concentration of approximately 101s antimony atoms per cubic centimeter. The size of the body 3 is selected in such a way that a very specific concentration of the additive in the semiconductor body is established in the zone which has been made molten. The body is smaller in the direction in which the molten zone is carried over it than the width of this zone.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 hat der Halbleiterkörper 6, der dotiert werden soll, die Form eines Stabes, der einen Teil geringeren Durchmessers 6a und einen Teil größeren Durchmessers 6b aufweist. An dieser Übergangsstelle zwischen beiden Teilen verschiedenen Durchmessers ist auf dem gebildeten Absatz 6 c der Körper 7 mit dem Störstellenmaterial, z. B. in Form eines Ringkörpers, gelagert. Hierdurch ist die Masse dieses Trägerkörpers bereits in der Umfangsrichtung des Stabes gleichmäßig aufgeteilt vorhanden und wird in solcher Verteilung von der Schmelzzone gelöst und absorbiert. Es wird nunmehr wieder ein Zonenschmelzverfahren angewandt, in dessen Verlauf der Körper 6 zunächst an der Stelle 6 d mittels der Hochfrequenzspule 13 in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt wird und diese schmelzflüssige Zone dann in Richtung des Pfeiles 5 nach oben geführt wird. Es geht dann sinngemäß der Körper 7 wieder in dem Halbleitermaterial in der Schmelzzone in Lösung, wodurch dann bei dem Aufwärtsführen der Schmelzzone eine entsprechende Dotierung des Halbleiterkörpers 6 stattfindet.In the embodiment according to FIG. 2 has the semiconductor body 6, which is to be doped, the shape of a rod, which is part of a smaller diameter 6a and a part of larger diameter 6b. At this transition point between two parts of different diameter is on the formed paragraph 6 c of the body 7 with the impurity material, e.g. B. in the form of an annular body, stored. Through this the mass of this support body is already uniform in the circumferential direction of the rod divided present and is released in such a distribution from the melting zone and absorbed. A zone melting process is now used again, in which Course of the body 6 initially at the point 6 d by means of the high-frequency coil 13 is converted into the molten state and this molten zone is then guided in the direction of arrow 5 upwards. It then works accordingly Body 7 again in the semiconductor material in the melting zone in solution, whereby then when the melting zone is led upwards, the semiconductor body is doped accordingly 6 takes place.

Claims

Claims: 1. Method for doping a rod-shaped semiconductor body, by attaching an impurity material to the rod and then using an over the length of which is carried away by the crucible-free zone melting process Zone is distributed in the semiconductor rod, characterized in that the impurity material before it is applied to the rod-shaped semiconductor body on a carrier the same type of semiconductor material in a homogeneous distribution or as an alloy is bound.

2. The method according to claim 1, characterized in that the with Substance enriched with impurities as a ring body on the surface of the semiconductor rod is applied.

3. Process for the production of those enriched with impurities Substance for a method according to Claims 1 and 2, characterized in that that after the crucible zone melting process an auxiliary rod on its surface is provided with an amount of impurity material, then a zone melting process thereon carried out and a corresponding portion separated from the obtained rod or is cut out, which is then attached to the actual semiconductor rod to be doped is used or attached.

4. Method of making the dopant for a method according to claims 1 and 2, characterized in that on one Auxiliary body made of the same material as the rod to be doped, an amount of impurity material is alloyed through an alloying process up to a certain penetration depth, then the recrystallized residual body by a selective etching process from the auxiliary body is removed and one or more proportionate from the body obtained Bodies are produced which have a portion of the alloyed zone and the starting material body which are then attached to the rod to be doped. Into consideration Extracted publications: German patent application R 12771 VIII c / 21 g (published on May 12, 1955); French Patent Nos. 1094 267, 1107 076; Journ. appl. Phys., 27 (1956), 12.