DE2019179A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitermaterial beim tiegelfreien Zonenschmelzen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitermaterial beim tiegelfreien Zonenschmelzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gezielten Dotieren von Halbleitermaterial, insbesondere von Silicium, beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehaltenen Halbleiterstabes, welcher von einer Induktionsheizspule ringförmig umgeben wird, und sich in einem Rezipienten in einer Schutzgasatmosphäre befindet.
• Für die Herstellung von hochqualifizierten Halbleiterbauelementen werden Siliciumstäbe mit definiertem Dotierstoffgehalt benötigt. Dabei soll der Dotierstoff möglichst homogen über das Stabvolumen verteilt sein.
• Es gibt verschiedene Verfahren, die diese Anforderung wenigstens angenähert erfüllen. Die Dotierung von Halbleiterstäben erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase mittels thermischer oder pyrolytischer Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials an einem erhitzten Trägerkörper des gleichen Halbleitermaterials. Dabei werden die Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Halbleitermaterials beigemischt und am Trägerkörper mitzersetzt. Die so hergestellten Kristallstäbe sind polykristallin und müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand übergeführt werden.
• Dabei ändert sich die Dotierstoffkonzentration oft in unkontrollierbarer Weise und es müssen sehr viel höhere Dotierstoffkonzentrationen eingestellt werden, damit die gewünschte Dotierstoffkonzentration im endprodukt, eventuell nach mehreren Zonendurchgängen, noch enthalten ist. Es muß also beim Zonenschmelzverfahren der eingesetzte Polykristallstab während des Abscheideprozesses direkt aus der Gasphase oder über die hochdotierte Seele so dotiert sein, daß der gewünschte spezifische Widerstand über die Stablänge bei Beriicksich'igung der Zonenzieh- und des Abdampf-Effektes erreicht wird. Hohe Fremdstoffkonzentrationen im fertiggestellten Einkristall sind hiermit jedoch nicht zu erreichen. Ebenso können hohe Premdstoffkonzentrationen nahe der Tiöslichkeitsgrenze (1019 bis 1o20/cm3) auch mittels der sogenannten Gasdotierung", bei welcher ein mit dem Dotierstoff beladener Gasstrom auf die schmelzfl.ssige Zone geblasen wird, nicht erreicht werden.
• Diese Mängel lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch beseitigen, daß die Dotierstoffquelle in metallischer Form vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes oder dem Halbleiterstab angeordnet wird, daß der Dotierstoff durch Kathodenzerstäubung des als Kathode ges-chalteten Dotierstoffmetalls der Schmelze oder dem Halbleiterstab angeboten wird und daP die zerstäubte Dotierstoffmenge durch die Stromstärke der elektrischen Gasentladung gesteuert wird.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei welcher der Effekt der Kathodenzerstäubung zur Dotierung eines wachsenden Kristalles ausgenutzt wird, gelingt es, gezielt einen Dotierstoff auch in verschieden hoher Konzentration ineinon.stabförmigon Halbleiterkristall einzubringen.
• Zwischen der schmelzflüssigen Zone oder dem aufzuschmelzenden Teil, z. B. einem Siliciumstab, und der mit der Induktionsheizspule fest verbundenen, jedoch von ihr elektrisch isolierten metallischen Dotiersubstanz wird eine elektrische Gasentladung, vorzugsweise eine die Elektroden - Sclirielzzone bzw. Halbleiterstab einerseits und Dotierstoff andererseits - überziehende stabile Glimmentladung gezündet. Hierbei wird die gekühlte Dotierelektrode, die aus den hochreinen Metallen Bor, Arsen, Aluminium, Antimon, Gallium und Indium, aber auch aus Silicium bestehen kann, welches mit diesen Ttetallen stark dotiert ist, als Kathode geschaltet. Die Entladung brennt dabei in einer Schutzgasatmosphäre, bestehend aus hochreinem Wasserstoff, Argon, Helium oder verdünntem Stickstoff oder Gemischen aus diesen Gasen,bei einem Druck von o,l bis 1,5 at.
• Die Gasentladung wird zunächst entweder durch direkte Berührung der Elektroden oder besser durch einen geeignet-en Hochspannungsirnpuls bei festem Elektrodenabstand gezündet.
• Die in der Entladungstrecke beschleunigten Gasionen prallen auf die Dotierstoff-Elektrode auf, schlagen Dotierstoffteilchen los, die nun in den Gasraum fliegen und zu einem gewissen Teil auch zum gegenüberliegenden Halbleiterstab gelangen. Beim Aufschmelzen werden diese Teilchen durch die thermische Konvektion in der Schmelze gut vermischt und gemäß ihrem Verteilungslcoeffizienten in den wachsenden Kristall eingebaut.
• Durch die Wahl des Gasdruckes im Entladungsraum und des EnZ;-ladungsstromes kann die Intensität der.Eathodenzerstaubung bei jeweils gleicher Kathodenform definiert verändert und hierdurch die Dotierstoffkonzentration in der Schmelze und damit auch im Halbleiterstab in gewünschter gleise eingestellt werden.
• Im Rahmen des Erfindungsgedankens soll es auch-liegen, verschiedene Kathodenformen zu wählen. So kann die Dotierstoffkathode so angebracht sein, daß sie den Halbleiterstab ringförmig umschließt. Binde weitere Ausführungsform ist, daß die Dotirstoffkathode großflächig ausgebildet ist und dadurch über grQßere Stablängen verwendbar ist. Es können aber auch mehrere als Kathode geschaltete 3lektroden als Dotierstoffquelle benutzt werden.
• Statt einer kontinuierlichen elektrischen Gasentladung kann auch eine impuls gesteuerte Entladung durehgefuhrt erden.
• Durch das Verfären nach der Lehre der Erfindung ist auch die Möglichkeit gegeben, einen icristallographisch nicht einwandfrei gewachsenen Kristall wiederholt einem Zone-nschmeLsprozeß zu unterwerfen, ohne daß sich dessen, beispiei9w'eie sehr niedriger spezifischer Widerstand von wenigen mOhm.c.m ändert.
• Die zur Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der BrSindung vorgesehene Dotieranordnung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
• In einem für das tiegelfre?e Zonenschmelzen vorgesehenen Rezipienten 2 befindet sich ein senkrechtstehender, an seinen Enden in Halterungen 3 und 4 eingespannter, zunächst noch undotierter Siliciumkristallstab 5. Eine Heizeinrichtung, welche aus einer mit Hochfrequenz gespeisten Induktionsheizspule 6 besteht und an einem Träger 7 befestigt ist, erzeugt eine Schmelzzone 8'im Halbleiterstab.
• In den Rezipienten 2 sind vakuumdicht die Elektroden einer Gasentladungsvorrichtung lo eingeführt. Die Kathode 9 besteht aus einem in metallischer Form vorliegenden Dotierstoff, z. B. aus hochreinem Aluminium. Die positive Elektrode der Gasentladungsvorrichtung lo wird duroh den Halbleiterstab 5 gebildet. Am Rezipienten 2 ist ferner ein Manometer 13 angebracht, welches einen im Rezipienten herrschenden Gasdruck, welcher von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Argonvorratsflasche über ein eingebautes Ventil erzeugt wird, anzeigt.
• Die Gasentladungsvorrichtung 10 besteht, wie üblich, aus der Stromversorgung 11 und einem Lade- bzw. Zündgerät 12.
• 1 Figur

Claims (15)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zum gezielten Dotieren von Halbleitermaterial, insbesondere-von Silicium, beim tiegeifreien Zonenschmelzen eines an seinen Enden gehaltenen Halbleiterstabes, welcher von einer InduRtionsheizspule ringförmig umgeben wird und sich in einem Rezipienten in einer Schutzgasatmosphäre befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffquelle in metallischer Form vor der Schmelzzone des Halbleiterstabes oder dem Halbleiterstab angeordnet wird, daß der Dotierstoff durch Kathodenzerstäubung des als Kathode geschalteten Dotierstoffmetalls, der Schmelze oder dem Halbleiterstab angeboten wird und daß die zerstäubte Dotierstoffmenge durch die Stromstärke der elektrischen Gasentladung gesteuert wird.
2. 2. Verfahren nach aspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kathode geschaltete Dotierstoffquelle mit der Induktionsheizspule mechanisch gekoppelt ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkathode den Halbleiterstab ringförmig umschließt.
4. 4. Verfahren nach Anspru-ch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotiers-toffquelle eine großflächige, aus dem Dotiermetall bestehende Elektrode verwendet ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierstoffquelle mehrere Elektroden verwendet sind.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Dotierstoff bestehende Kathode gekühlt ist.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierstoffe die hochreinen Metalle von Bor, Arsen, Aluminium, Antimon, Gallium und Indium verwendet sind.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierstoffquelle Silicium, welches mit dem Dotierstoff versetzt ist, verwendet ist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch Gasentladung in einer Schutzgasatmosphare bei einem Druck von o,l bis 1,5 at durchgeführt wird.
10. lo. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgase Wasserstoff, Argon, Helium oder verdünnter Stickstoff oder Gemische aus diesen Gasen verwendet sind.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Gasentladung in Form einer die Elektroden -Halbleitermaterial und I>otierstoff - überziehende stabile Glimmentladung brennt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Gasentladung impulsgesteuert durchgeführt wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung durch direkte Berührung der Elektroden gezündet wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 129 dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung durch einen geeigneten Hochspannungsimpuls bei festem Elektrodenabstand gezündet ird.
15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet 9 daß in einer elektrischen Gasentladungseinrichtung die Kathode aus Dotierstoffmetall hergestellt ist und die Anode aus einem 1albleitermaterialstab besteht.