DE1419280C - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von pn-Übergängen - Google Patents

Description

In der australischen Patentschrift 166 223 ist ein · weise inerten, Trägergasstrom bestehen, welcher das

Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen beschrie- Dotierungsmittel, zweckmäßig in gasförmiger Phase

ben, bei dem in einem Stab aus Halbleitermaterial oder Pulverform, mitführt.

eine sich über den vollen Stabquerschnitt erstreckende Damit eine möglichst scharfe Bündelung des Dotie-Schmelzzone erzeugt und sukzessive durch diesen 5 rungsstrahles möglich ist, wird der Schmelzvorgang Stab hindurchgeführt wird. Dieses Verfahren kann gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungszum Reinigen oder — unter Verwendung eines ein- gedankens im Hochvakuum durchgeführt. Der kristallinen Keimes an der Erstarrungsseite der Dampfstrahl kann entweder punktförmigen oder Schmelzzone — zur Erzeugung von stabförmigen schlitzförmigen Querschnitt besitzen, je nachdem, Halbleitereinkristallen verwendet werden. Schließlich ₁₀ welche Form man der zu erzeugenden Zone bestimmkann man dieses Verfahren zum Dotieren verwenden, ter physikalischer Beschaffenheit, vorzugsweise beindem man in die geschmolzene Zone Dotierungs- stimmten Leitungstypus, in dem Halbleiterkörper stoff einbringt. Dies kann durch Zugabe fester dotie- erzeugen will. ■■■'■■
render Zusätze erfolgen, die dann in der Schmelze Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfinaufgelöst werden. - i₅ dungsgedankens wird die Breite der Schmelzzone der

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Zonen- Ausdehnung der gewünschten Dotierungszone ange-

schmelzvorgang in einer Atmosphäre vorzunehmen, _paßt. Zweckmäßigerweise sind an sich bereits vorge-

die den gewünschten Dotierungsstoff in gasförmigem schlagene Mittel (deutsche Auslegeschrift 1097 956)

Zustand enthält. Der Dotierungsstoff gelangt dann vorgesehen, durch welche die Schmelzzone gedreht

unmittelbar aus der Gasphase in die Schmelzzone ₃₀ und/oder durchrührt bzw. durchwirbelt wird, damit

und wird in das auskristallisierende Halbleitermaterial _sj_ch das Dotierungsmittel möglichst schnell und

eingebaut. Nachdem es möglich ist, das Halbleiter- gleichmäßig in das Innere der Schmelzzone hinein

material in einkristallinem Zustand aus der Schmelz- verteilt. Um eine gute Homogenisierung des Dotie-

zone zu gewinnen und zum Einsatz des Materials für rungsmittels in der Schmelzzone zu erreichen, ist es

Halbleiterbauelemente ebenfalls der einkristalline _a5 gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungs-

Zustand erforderlich ist, kann man das tiegellose gedankens vorteilhaft, den Dotierungsstrahl von

Zonenschmelzen zur Erzeugung von pn-Übergängen mehreren Seiten konzentrisch, gegebenenfalls von

in dem auskristallisierenden Material verwenden, so allen Seiten ringstrahlförmig auf die ringförmige

daß aus diesem nur die erforderlichen Stücke heraus- Oberfläche der Schmelzzone hinzulenken,

geschnitten werden müssen, die dann ohne neuerliche ₃₀ Um nach Belieben verschiedene Dotierungsmittel

. Zufuhr an Dotierungsstoff weiterverarbeitet werden wahlweise, gegebenenfalls abwechselnd zur Anwen-

können. dung bringen zu können, ist es weiterhin vorgesehen,

Die Praxis bei der Durchführung eines solchen daß entweder mehrere Dotierungsstrahlerzeugungs-

Verfahrens hat nun gezeigt, daß es sehr schwierig ist, Vorrichtungen in der Ziehvorrichtung angeordnet

mit seiner Hilfe scharfe pn-Übergänge zu erzielen. 35 sind oder daß mindestens mehrere Dampfbehältnisse

Deshalb stellt sich die vorliegende Erfindung die Auf- vorgesehen sind, welche durch Verschieben ein und

gäbe, das oben beschriebene Verfahren der Dotie- derselben Blendenanordnung wahlweise wirksam ge-

rung aus der Gasphase beim tiegellosen Zonen- macht werden können.

schmelzen so weit zu verbessern, daß einwandfreie Sollen längere Strecken und/oder mehrere Stellen

scharfe pn-Übergänge entstehen können. 40 des stabförmigen Halbleiterkörpers dotiert werden,

Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf ein ist die Dotierungsstrahlvorrichtung verschiebbar aus-Verfahren zum Herstellen von pn-Übergängen durch zubilden, zweckmäßig derart, daß sie sich zusammen tiegelloses Zonenschmelzen eines Stabes-aus halb- mit der die Schmelzzone erzeugenden Strahlungsleitendem Material, bei dem mindestens ein gegen quelle mindestens ein Stück weit mitverschiebt und die Schmelzzone gerichteter, dotierender Gasstrahl 45 vorzugsweise durch den gleichen mechanischen zur Erzeugung einer Dotierung verwendet wird, und Transportmechanismus bewegt wird,
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsvor- I_n der Zeichnung sind zwei Äusführungsformen gang unter Vakuum bei laufender Evakuierungspumpe der Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise vorgenommen wird. . dargestellt. In Fig. 1 bedeutet 1 einen Halbleiter-

In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen 50 stab aus Silicium oder Germanium, welcher in an

werden, daß gemäß einem älteren Vorschlag dotie- sich bekannter Weise senkrecht angeordnet und an

rcndes Gas vermengt mit einem zur Abscheidung des den Enden gehaltert ist. Durch ebenfalls bekannte

Halbleitermaterials geeigneten Gas gegen eine Mittel wird eine Schmelzzone 2 erzeugt und von oben

Schmelzzone gerichtet wird und dabei die die ge- nach unten bzw. von unten nach oben durch relatives

schmolzene Zone tragenden Stabteile allmählich aus- 55 Verschieben der Wärmequelle, vorzugsweise Strah-

einandergezogen werden, um ein progressives Aus- lungsquelle oder Induktionsvorrichtung, gegenüber

kristallisieren von Halbleitermaterial aus der Schmelz- dem Stab 1 hindurchgezogen. Die Schmelzanordnung

zone zu ermöglichen und um ein Abtropfen der ist in einem Vakuumgefäß angeordnet, welches auf

Schmelzzone zu verhindern. · höchstmögliches Vakuum gebracht ist und sich stän-

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist vor- 60 dig an der Pumpe befindet. 3 bedeudet eine Vergesehen, daß das Dotierungsmittel entweder in Form dampfungseinrichtung mit einer Austrittsöffnung 4. oder mit Hilfe eines Atom- oder Molekularstrahles In dem Verdampfer 3 wird Aluminium als Dotiegegen die Schmelzzone transportiert wird. Zweck- rungsmittel in an sich bekannter Weise zum Vermäßigerweise bedient man sich der an sich bekannten dampfen gebracht. 5 und 6 bedeuten Blenden aus Dampfstrahlmethode zur Erzeugung derartiger Strah- 65 Quarz, durch die ein scharfer Aluminiumdampflen. Dabei kann entweder der Dampfstrahl aus einem strahl 7 ausgeblendet wird, welcher gegen die Dotierungsmittel wie z. B. Aluminium, Arsen, Schmelzzone 2 gerichtet ist. Die durch die Bezugs-Phosphor od. dgl. bestehen oder aus einem, Vorzugs- zeichen 3 mit 6 gekennzeichnete Vorrichtung zur

Erzeugung des Dotierungsstrahls ist parallel zur Achse des Stabes 1 beweglich bzw. in der Höhe einstellbar, so daß die Dotierung an beliebigen Stellen des Stabes 1, an dem sich gerade die Schmelzzone 2 befindet, vorgenommen werden kann. Die in der Abbildung dargestellte Einrichtung wird in der Weise betätigt^ daß beim Hindurchziehen der Schmelzzone durch die Stablänge die Verdampfungseinrichtung aufgeblendet und die Schmelzzone mit dem Dampfstrahl beschossen wird. Unter Einwirkung des Aluminiums wird ein vorher η-leitender Germanium- oder Siliciumstab an der betreffenden Stelle p-leitend gemacht. Eine andere Benutzungsarf besteht darin, daß eine feststehende Schmelzzone beschossen wird, unter Umständen anschließend oder bei weiter andauerndem Beschüß ein kurzes Stück nach oben oder nach unten oder abwechselnd nach beiden Seiten mindestens je einmal verschoben wird. Man kann durch Variation der genannten Möglichkeiten verschieden breite Bereiche eines bestimmten Leitungstypus und auch verschieden scharfe p-n-Übergänge erzeugen. Die gute Homogenisierung mindestens innerhalb eines Querschnitts senkrecht zur Stabachse wird durch Drehen der Stabenden und/oder unmittelbares Drehen der Schmelzzone selbst erreicht.

Unter Umständen ist es erwünscht, gerade keine ganz scharfen, sondern einen in bestimmter Weise stetigen Übergang zwischen Zonen unterschiedlicher Halbleitereigenschaften, insbesondere unterschiedlichen Leitungstypus herzustellen, d. h. es kann erwünscht sein, daß die Konzentration der Donatoren, Akzeptoren oder sonstigen Störstellen, sich in Richtung der Stabachse nach einer bestimmten Funktion verteilt. Dies kann gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens mittels der Anordnung nach der Erfindung dadurch bewirkt werden, daß die Blende einen in Richtung der Stabachse variierenden Querschnitt besitzt, der beispielsweise dreieckig ausgebildet ist. Es ist jedoch auch möglich, auf andere Art, beispielsweise durch einen bestimmten Programmbeschuß bzw. durch stetige Veränderung der Strahlintensität während der Bestrahlungsdauer bei einer entsprechend relativen Verschiebung zwischen Strahl und Schmelzzone, gewünschte Unscharfen in den Übergängen zwischen den verschiedenen Dotierungszonen zu verursachen. .

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können beispielsweise durch andere Dotierungsmittel umgekehrt aus p-leitenden Halbleitern η-leitende Zonen erzeugt werden oder auch Intrinsic-Bereiche hergestellt werden. Durch bestimmte Peridizitäten der Dotierung lassen sich p-n-p- oder n-p-n-Zonenfolgen u. dgl. herstellen. Die Blendenanordnung kann auch durch eine Röhrchenanordnung ersetzt werden. Insbesondere ist es möglich, die Ionen-, Atom- bzw. Molekularstrahlen durch Kathodenzerstäubung, Gasentladung od. dgl. zu erzeugen. :

In F i g. 2 ist eine weitere, besonders zweckmäßige Ausführungsform der Dampfstrahlerzeugungsvorrichtung dargestellt. 1 bedeutet wiederum den Halbleiterstab mit der Schmelzzone 2, welche durch eine Induktionsspule 8 geschmolzen wird. 9 bedeutet ein sich nach vom, d. h. zur Schmelzzone 2 hin, düsenartig verjüngendes Quarzgefäß, in dem sich eine Heizwendel 10 aus Tantal befindet. Durch die Heizwendel, die über einen Transformator 11 aufgeheizt wird, wird der Dotierungsstoff in Form eines Stabes 12 oberflächlich teilweise zum Verdampfen gebracht, und die hierbei entstehenden molekularen bzw. atomaren Dampfteilchen werden durch die Düse des Gefäßes 9 zu einem sehr scharfen Dampfstrahl ausgeblendet, welcher auf die Oberfläche der Schmelzzone 2 an einer vorher bestimmten Stelle auf trifft. Gemäß der Zeichnung ist das Dotierungsmaterial 12 innerhalb der Heizspule 10 angeordnet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Dotierungsmittel in

ίο anderer Gestalt und anderer Anordnung in dem Ge-. faß 9 unterzubringen und gegebenenfalls noch zusätzliche Wännestrahlungskonzentrierungsrnittel, beispielsweise einen Hohlspiegel, vorzusehen, welcher die von der Heizwendel 10 ausgehenden Wärmestrahlen auf das Dotierungsmittel konzentriert, und zwar vorzugsweise in der Weise, daß die der Düse des Gefäßes 9 zugewandte Oberfläche des Dotierungsmittels bevorzugt erhitzt wird.

Eine Blende 13 ist in einem Ansatz 14 des Gefäßes 9 verschiebbar angeordnet und gestattet es, den Dotierungsstrahl nach Wunsch ein- und auszuschalten.

Eine Abwandlung der in den beiden Zeichnungen

dargestellten Ausführungsbeispiele besteht darin, daß zusätzliche Mittel vorgesehen sind, welche den Dotierungsstrahl konzentrisch verdichten, insbesondere können hierbei elektrostatische Mittel zur Anwendung kommen, um den Dotierungsstrahl zu beeinflußen, d. h. entweder zu konzentrieren oder auch noch zusätzlich zu beschleunigen oder beides zu bewirken.

Hierbei ist es unter Umständen erforderlich, die Strahlteilchen zweckmäßig beim Austritt aus der Strahlerzeugungseinrichtung elektrisch zu beladen, damit sie auf die Einwirkung eines elektrostatischen oder auch elektromagnetischen Feldes reagieren können.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von pn-Übergängen durch tiegelloses Zonenschmelzen eines Stabes aus halbleitendem Material, bei dem mindestens ein gegen die Schmelzzone gerichteter, dotierender Gasstrahl zur Erzeugung einer Dotierung verwendet wird, dadurch gekenn- -■·■ zeichnet, daß der Dotierungsvorgang unter Vakuum bei laufender Evakuierungspumpe vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsstrahl durch eine Gasentladung erzeugt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Ver-

■'.·,-.. fahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Richtung der Stabachse verschiebbare, mit der Schmelzzone mitlaufende, ■ in einer evakuierten Behandlungskammer angeordnete Ausblendevorrichtung (6, 9) für den Dotierungsstrahl vorgesehen ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische, insbesondere elektrostatische Mittel zur Konzentrierung und/oder Beschleunigung des Dotierungsstrahles vorgesehen . . sind. ''-■- ■·' ; ■;/, ,. ..'"." ^:. ■·' .■ ' ■ '

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl oder mehrere Strahlen ringförmig konzentrisch auf die Schmelzzone gerichtet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dotierungsvorrichtungen oder mindestens mehrere

Dämpfstrahlerzeuger zum wahlweisen Zusammenwirken mit ein und derselben Blendenanordnung vorgesehen sind, um wahlweise verschiedene, gegebenenfalls periodische, Dotierungen zu ermöglichen.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Drehen und/oder Durchrühren bzw. Durch wirbeln der Schmelzzone vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen