DE2107658A1

DE2107658A1 - Doped semiconductor rod - produced by rotation close to hf heated dopant followed by zone melting

Info

Publication number: DE2107658A1
Application number: DE19712107658
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-02-17
Filing date: 1971-02-17
Publication date: 1972-08-31

Abstract

In process for crucible free prodn. of doped silicon rotatable semiconductor rod is induction heated in a vacuum close to a vaporisable rod of a dopant. Vapour deposition to a depth of 5 mu is followed by zone melting in an argon atmosphere; a seed crystal is fused to the bottom of the rod and the polycrystalline rod is transferred to a monocrystalline state. For doping Si rods pures As, Sb, Al, Ag, Au, Ni, Cu or Mn are used or their Si alloys.

Description

Verfahren zum Herstellen von dotiertem Halbleitermaterial beim tiegelfreien Zonenschmelzen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dotiertem Halbleitermaterial, insbesondere dotiertem Silicium, beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem Rezipienten befindlichen, senkrecht gehalterten Halbleiterstabes mit mindestens einer den Stab umgebenden Heizeinrichtung.Method for the production of doped semiconductor material in the case of crucible-free Zone Melting The present invention relates to a method of making doped semiconductor material, in particular doped silicon, in the case of the crucible-free Zone melting of a vertically held semiconductor rod located in a recipient with at least one heating device surrounding the rod.

Für die Herstellung von hochqualifizierten Halbleiterbauelementen werden Siliciumstäbe mit definiertem Dotierstoffgehalt benötigt Dabei soll der Dotierstoff möglichst homogen über das Stabvolumen verteilt sein.For the production of high quality semiconductor components silicon rods with a defined dopant content are required. The dopant should be used be distributed as homogeneously as possible over the rod volume.

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, evtl. nach mehreren Zonendurchgängen, noch enthalten ist. Es muß also beim Zonenschmelzverfahren der eingesetz Polykristallstab während des Abscheideprozesses direkt aus der Gasphase oder über die hochdotierte Seele sq dotiert sein, daß ein gewünschter spezifischer Widerstand oder eine bestimmte Rekombinationszentrendichte über die Stablänge bei Berücksichtigung des Zonenzieh-und Abdampf-Effekts erreicht wird. Hohe Fremdstoffkonzentrationen im fertiggestellten Einkristall sind hiermit jedoch oft nicht zu erreichen. Ebenso önnen hohe Fremdstoffkonzentrationen nahe der Löslichkeitsgrenze (1019 -1o2° cm3) auch mittels der sogenannten Gasdotierung, bei welcher ein mit dem Dotierstoff beladener Gasstrom auf die schmelzflüssige Zone geblasen wird, nicht erreicht werden.There are various methods that at least approximate this requirement fulfill. Semiconductor rods are generally doped during deposition of the semiconductor material from the gas phase by means of thermal or pyrolytic Decomposition of a gaseous compound of the semiconductor material on a heated one Carrier body of the same semiconductor material. The dopants are the gaseous compounds of the semiconductor material mixed in and on the carrier body decomposed. The crystal rods produced in this way are polycrystalline and must be in converted into the monocrystalline state in a subsequent zone melting process will. The dopant concentration often changes in an uncontrollable manner Way and much higher dopant concentrations have to be set, thus the desired dopant concentration in the end product, possibly after several Zone passages, still is included. So it has to be done in the zone melting process the polycrystalline rod used directly from the gas phase during the deposition process or be doped over the highly doped soul sq that a desired specific Resistance or a certain recombination center density over the length of the rod Consideration of the zone drawing and evaporation effect is achieved. High concentrations of foreign matter however, this often cannot be achieved in the finished single crystal. as well high concentrations of foreign substances close to the solubility limit (1019 -1o2 ° cm3) also by means of the so-called gas doping, in which a loaded with the dopant Gas flow is blown onto the molten zone cannot be achieved.

Diese Mängel lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch beseitigen, daß die Dotierstoffquelle in Form eine verdampfbaren festen Stoffes in unmittelbarer Nähe einer Heizeinrichtung angebracht und durch diese der Dotierstoff zum Verdampfen gebracht wird, daß die gesamte Oberfläche des Halbleiterstabes im Vakuum mit dem Dotierstoff entsprechend einem vorgegebenen Programm bedampft wird und anschließend der mit dem Dotierstoff belegte Halbleiterstab zur Vergleichmäßigung des Dotierstoffes einem Zonenschmelzprozeß unterworfen wird.These deficiencies can be remedied by the method according to the invention Eliminate that the dopant source is in the form of a vaporizable solid attached in the immediate vicinity of a heating device and through this the dopant is caused to evaporate that the entire surface of the semiconductor rod in the Vacuum is vaporized with the dopant according to a predetermined program and then the semiconductor rod covered with the dopant for uniformity the dopant is subjected to a zone melting process.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches vorzugsweise für Dotierstoffe anzuwenden ist, welche einen höheren Scnmelzpunkt haben und die Trägerlebensdauer des Halbleitermaterials beeinflussen, kann zusätzlich zum Aufdampfen des festen Stoffes auf die Oberfläche des Halbleitermaterials, z. B. Silicium oder Germanium durch entsprechende Beheizung des Halbleitermaterials eine Legierung gebildet werden, welche dann als weitere Dotierstoffquelle beim Schmelzvorgang verwendet wird. Die so gebildete Legierung verhindert ein Abdampfen des reinen Dotnerstoffes beim Zonenschmelzprozeß. Durch Aufdampfen nach Programm kann der bei den bekannten Dotierverfahren auftretende k-Effekt eliminiert werden, so daß eine gleichmäßige Dotierung über das Stabvolumen erreicht wird.By the method according to the invention, which is preferably used for dopants to be used, which have a higher melting point and the carrier life of the semiconductor material can, in addition to vapor deposition of the solid Substance on the surface of the semiconductor material, e.g. B. silicon or germanium an alloy can be formed by appropriate heating of the semiconductor material, which is then used as a further source of dopant in the melting process. the The alloy formed in this way prevents the pure dopant from evaporating during the zone melting process. By evaporation according to the program, the in the known doping process occurring k-effect can be eliminated, so that a uniform doping over the rod volume is reached.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, beim Bedampfen die Heizeinrichtung mit der Dotierstoffquelle bei feststehendem Halbleiterstab entlang dem Halbleiterstab zu bewegen. Die Heizeinrichtung kann dabei als einwindige Induktionsheizspule ausgebildet sein.In a further development of the inventive concept it is provided when Vaporize the heating device with the dopant source while the semiconductor rod is stationary move along the semiconductor rod. The heating device can be single-winded Induction heating coil be formed.

Es ist vorteilhaft, zur gleichmäßigen Belegung mit dem Dotierstoff den an seinem oberen Ende gehalterten Halbleiterstab in Rotation zu versetzen. Als Ausgangsmaterial wird zweckmäßigerweise ein polykristalliner, undotierter Halbleiterstab verwendet.It is advantageous for uniform coverage with the dopant to set the semiconductor rod held at its upper end in rotation. as The starting material is expediently a polycrystalline, undoped semiconductor rod used.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar bei der Dotierung von Siliciumstäben, wenn die hochreinen Metalle von Arsen, Antimon, Aluminium, Gold, Silber, Nickel, Kupfer und Mangan als Dotierstoffe verwendet werden sollen.The inventive method is particularly applicable to Doping of silicon rods if the high-purity metals of arsenic, antimony, aluminum, Gold, silver, nickel, copper and manganese should be used as dopants.

Es ist aber ebenso möglich, auch die Siliciumlegierungen dieser Metalle aufzudampfen. In -jedem Falle wird die gewünschte Dotierstoffkonzentration über die Schichtdicke des aufgedampften Dotierstoffes eingestellt.But it is also possible to use the silicon alloys of these metals to evaporate. In any case, the desired dopant concentration is above the layer thickness of the vapor-deposited dopant is set.

Zur Vergleichmäßigung des auf dem Halbleiterstab aufgedampften Dotierstoffes über den Querschnitt wird in einer Weierbildung des Erfindungsgedankens ein Zonenschmelzprozeß in hochgereinigter Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise in Argonatmosphäre, durchgeführt. Dabei wird normalerweise ein Druck der Schutzgasatmosphäre von ca. 1 at eingestellt. Wenn leicht abdampfbare Dotierstoffe, wie beispielsweise Arsen oder Antimon verwendet werden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zur Vermeidung einer Abdampfung von der Oberfläche des Haibleiterstabesbei leichtem Uberdruck der Schutzgasatmosphäre zu arbeiten.To even out the dopant vapor deposited on the semiconductor rod A zone melting process is established over the cross section in a further formation of the concept of the invention carried out in a highly purified protective gas atmosphere, preferably in an argon atmosphere. Normally a pressure of the protective gas atmosphere of approx. 1 at is set. If easily evaporable dopants such as arsenic or antimony are used it has proven to be advantageous to avoid evaporation of the surface of the semiconductor rod with a slight excess pressure of the protective gas atmosphere to work.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, bei Verwendung von polykristallinem Ausgangsmaterial beim letzten Zonenschmelzen des Halbleiterstabes mittels eines an das untere Ende angeschmolzenen Keimkristalls den mit der Dotierung versehenen Halbleiterstab in den einkristallinen Zustand überzuführen.It is within the scope of the invention when using polycrystalline Starting material during the last zone melting of the semiconductor rod by means of a The seed crystal fused to the lower end is the one provided with the doping To convert the semiconductor rod into the monocrystalline state.

Durch die der Erfindung zugrundeliegende Aufdampftechnik mit anschließendem Zonenschmelzen ist es möglich, gezielt einen Dotierstoff auch in über die Stablänge verschieden hoher Konzentration in einem stabförmigen Halbleiterkristall einzubringen.Due to the vapor deposition technique on which the invention is based, with subsequent Zone melting, it is possible to specifically add a dopant over the length of the rod to bring different high concentration in a rod-shaped semiconductor crystal.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung wird im einzelnen anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Vorrichtung beschrieben.The method according to the teaching of the invention is illustrated in detail the device described schematically in the drawing.

In einem für dastieelfreieZonenschmelzen voresehenen mit Scaulas 11 Rezipienten 2/befindet sich ein senkrecht stehender, an seinem oberen Ende in die Halterung 3 eingespannter, axial verschiebbarer, noch undotierter polykristalliner Siliciumkristallstab 5. Die Halterung 3 kann in Rotation versetzt werden, wie durch den Doppelpfeil angedeutet werden soll.In a with Scaulas 11 provided for dastieel-free zone melting Recipient 2 / is a vertical standing, at its upper end in the Bracket 3 clamped, axially displaceable, still undoped polycrystalline Silicon crystal rod 5. The holder 3 can be set in rotation, as by the double arrow should be indicated.

Eine Heizeinrichtung; welche aus einer mit Hochfrequenz gespeisten Induktionsheizspule 6 besteht, ist an einer Haltevorrichtung 7 befestigt. Die Dotierstoffquelle 8 in Form von hochreinem Aluminium 9, welches sich in einem ringförmigen Schiffchen 1o aus Graphit befindet, ist auf Keramikstützen 4 und der Spule 6 angebracht. Durch die Induktionsheizspule 6 wird die Dotierstoffquelle 8 auf 11oo - 12002 C aufgeheizt und der Dotierstoff 9 (Aluminum) kontinuierlich verdampft. Die Temperatur wird durch ein Thermoelement gemessen und durch Regelung der Spannung an der Induktionsheizspule konstant gehalten (nicht dargestellt). Dabei wird der Druck im Rezipienten 2, welcher von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumpumpe erzeugt wird, auf 5 - 8.10 6 Torr eingestellt. Durch Strahlungswärme vom Schiffchen 8 wird der Stab bis zu einer Temperatur von 500 - 6ovo0 Chochgeheizt, so daß das Aluminium mit dem Silicium legiert. Die Halterung 3 mit dem Halbleiterstab 5 wird während der Bedampfung mit einer Drehbewegung von 3o UpM beaufschlagt und axial verschoben, so daß sich der Siliciumstab 5 entlang der Dotierstoffquelle 8 bewegt, wobei entsprechend einem vorgegebenen Programm (angestrebte Dotierstoffkonzentration im Stab) die Dotierstoffquelle die ganze Stablänge bestreicht. Der aus Aluminium bestehende Dotierstoff wird beispielsweise mit einer Aufdampfgeschwindigkeit von ?moos i/Sek. verdampft und bis zur gewünschten Sbhichtstärke von beispielsweise 5/um auf dem Kristallstab abgeschieden.A heater; which from one fed with high frequency Induction heating coil 6 is attached to a holding device 7. The dopant source 8 in the form of high-purity aluminum 9, which is in a ring-shaped boat 1o is made of graphite, is attached to ceramic supports 4 and the coil 6. By the induction heating coil 6, the dopant source 8 is heated to 11oo-12002.degree and the dopant 9 (aluminum) evaporates continuously. The temperature is through a thermocouple measured and controlled by the voltage on the induction heating coil held constant (not shown). The pressure in the recipient 2, which from a vacuum pump not shown in the drawing generated is set to 5 - 8.10 6 Torr. By radiant heat from the boat 8 is the rod is heated to a temperature of 500 - 6ovo0 so that the aluminum alloyed with the silicon. The holder 3 with the semiconductor rod 5 is during a rotary movement of 3o rpm is applied to the steaming and is axially displaced, so that the silicon rod 5 moves along the dopant source 8, with corresponding a predetermined program (target dopant concentration in the rod) the dopant source coated the entire length of the rod. The dopant made of aluminum is, for example with an evaporation rate of? moss i / sec. evaporated and down to the desired A layer thickness of, for example, 5 μm is deposited on the crystal rod.

Im,Anschluß an diesen Bedampfungsprozeß wird der Kristallstab im Rezipienten nach Entfernung der Dotierstoffquelle in bekannter Weise einem Zonenschmelzprozeß in Argonatmosphäre bei leichtem-8berdruck (1 - 5 at) zur Vermeidung der Abdampfung der Dotiersubstanz unterworfen und eine homogene Verteilung des Dotierstoffes im Silicium hergestellt.Following this vapor deposition process, the crystal rod is placed in the recipient after removal of the dopant source in a known manner, a zone melting process in an argon atmosphere at a slight overpressure (1 - 5 at) to avoid evaporation subjected to the dopant and a homogeneous distribution of the dopant in the Silicon made.

Dabei kann an das untere Ende des Siliciumstabes ein Keimkristall angeschmolzen werden und der polykristalline Stab in den einkristallinen Zustand übergeführt werden.A seed crystal can be attached to the lower end of the silicon rod are melted and the polycrystalline rod in the monocrystalline state be transferred.

13 Patentansprüche 1 Figur13 claims 1 figure

Claims

Claims 1. Method for producing doped semiconductor material, especially of doped silicon, with crucible-free zone melting of one in one recipient located, vertically held semiconductor rod with at least one the rod surrounding heating device, characterized in that the dopant source in Form of a vaporizable solid substance in the immediate vicinity of a heating device attached and through this the dopant is made to evaporate that the entire surface of the semiconductor rod in a vacuum with the dopant accordingly a predetermined program is vaporized and then that with the dopant covered semiconductor rod to equalize the dopant in a zone melting process is subjected.

2. The method according to claim 1, characterized in that when steaming moves the heating device with the dopant source axiaaelativ to the semiconductor rod will.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that as Heating device an induction heating coil is used.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that of a polycrystalline undoped semiconductor rod is assumed.

5. The method according to claim 1-4, characterized in that when Vapor deposition with the dopant causes the semiconductor rod to rotate.

6. The method according to claim 1-5, characterized in that by Heating the semiconductor rod to a temperature above the eutectic an alloy of the dopant with the semiconductor material is produced.

7. The method according to claim 1-6, characterized in that as Dopants in the production of doped silicon rods are the high-purity metals used by arsenic, antimony, aluminum, silver, gold, nickel, copper and manganese will.

8. The method according to claim 1-6, characterized in that as Dopants in the production of doped silicon rods. Silicon alloys used by arsenic, antimony, aluminum, silver, gold, nickel, copper and manganese will.

9. The method according to claim 1-8, characterized in that the Layer thickness of the vapor-deposited dopant according to the desired dopant concentration of the semiconductor rod to be manufactured is set.

10. The method according to claim 1-9, characterized in that the Zone melting process for equalizing the amount applied to the semiconductor rod Dopant in a highly purified protective gas atmosphere, preferably in an argon atmosphere, is carried out.

11. The method according to claim 1-10, characterized in that when Zone melting process a pressure of cå. 1 at. Is set.

12. The method according to claim 1-11, characterized in that the Zone melting process to avoid evaporation of the dopant from the surface of the semiconductor rod is carried out at an excess pressure of the protective gas atmosphere.

13. The method according to claim 1 - 12, characterized in that at Use of polycrystalline starting material in the last zone melting of the Semiconductor rod by means of a seed crystal fused to the lower end the doped semiconductor rod is converted into the monocrystalline state will.