DE2338338C3

DE2338338C3 - Vorrichtung zum Dotieren beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines Halbleiterkristallstabes

Info

Publication number: DE2338338C3
Application number: DE2338338A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8000 Muenchen Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-27
Filing date: 1973-07-27
Publication date: 1979-04-12
Also published as: US3954416A; DK399374A; DE2338338B2; JPS5045569A; IT1017430B; JPS55357B2; DE2338338A1; DD112357A5; PL94444B1; BE811117A; GB1430883A

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Dotieren beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit einem, mit einer Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnung versehenen, evakuierbaren Rezipienten, der mit Halterungen für* einen ι ialbleiterkristallstab versehen ist, einer durch die Wand des Rezipienten geführten Iduktionsheizspule, und eh ;r in der Wand des Rezipienten angeordneten Rohrleitung zur Zuführung eines drehbaren, dotierten Halbleiter-Dünnstabes.

Die Dotierung von Halbleiterkristallstäben erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase mittels thermischer und/oder pyrolytischer Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials am erhitzten stabförmigen Trägerkörper des gleichen Materials. Dabei werden Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Halbleitermaterials beigemischt und am Trägerkörper zersetzt Die so hergestellten Halbleiterkristallstäbe sind polykristallin und müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand überführt 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 Zonenschmelzdurchgängen, noch enthalten ist.

Die dazu verwendeten Vorrichtungen arbeiten bei nur einigermaßen befriedigenden Ergebnissen mit großem Aufwand.

Aus der DE-OS 15 44 276 ist ein Verfahren zum Herstellen von dotierten Halbleiterkristallstäben bekannt, bei dem der Dotierstoff dem geschmolzenen Halbleitermaterial innerhalb eines evakuierten Rezipienten in gasförmigem Zustand mittels einer Rohrleitung, deren Mündung auf die Schmelze gerichtet ist, zugeführt wird. Dabei wird die Zufuhr des Dotierstoffgases mit Hilfe eines Ventils zwischen dem Dotierstoffgefäß und dem Rezipienten durch Regelung der Durchflußmenge und des Druckes im Dotierstcffgefäß, welches auf konstanter Temperatur gehalten wird, gesteuert Als Dotierstoffe werden bei diesem Verfahren insbesondere die gut zu handhabenden, leicht verdampfbaren Verbindungen von Bor und Phosphor, insbesondere das trimere Phosphornitrilochlorid, verwendet Ein großer Nachteil dieses Dotierverfahrens besteht aber darin, daß die für die Dosierung der Dotierstoffmengen vorgesehenen Ventile — dazu werden meist die handelsüblichen Nadelventile oder

ίο impulsgesteuerte Magnetventile verwendet — nicht genau arbeiten. Darunter leidet die Reproduzierbarkeit der Dotierung der so hergestellten Halbleiterstäbe.

Aus der DE-OS 20 20 182 ist eine Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitermaterial beim tiegelfreien

ii Zonenschmelzen mit einer ringförmig den Halbleiter-S-ab umgebenen Induktionsheizspule zu entnehmen, bei der die Induktionsheizspule mit einer Dotierdüse kombiniert ist, durch weiche die Dotierstoffverbindung mittels eines Trägergasstroms direkt auf die Schfcielzzo-

>u ne geblasen wird. Durch diese Vorrichtung gelingt es, angenähert schon bei einem einmaligen Zonenschmelzdurchgang Halbleitermaterial mit konstanter und einstellbarer Dotierstoffkonzentration herzustellen. Die Dotierung des Halbleiterstabes ist abhängig vom Trägergasstrom. Die Vorrichtung läßt sich gut verwenden, wenn mit den in leicht verdampfbaren Verbindungen vorliegenden Bor und Phosphorverbindungen gearbeitet wird. Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist

μ aus der DE-AS 12 64 399 bekannt

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher es möglich ist, auf einfache und rationelle Weise die Dotierung eines undotierten

J5 Halbleiterkristallstabes während des tiegelfreien Zonenschmelzens im Schutzgas oder im Vakuum bei einem einmaligen Zonenschmelzdurchgang in gezielter Weise vorzunehmen. Dabei sollen vor allen Dingen höhere spezifische elektrische Widerstandswerte, insbesondere größer als 100 Ohm · cm, über die gar ze Stablänge und den Stabquerschnitt genau einstellbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dünnstab mit einem ferromagnetischen Kern verbunden ist, der mit außerhalb der Rohrleitung und des Rezipienten angeordneten Mitnehmermagneten gekoppelt ist In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß zum Erzeugen der Schmelzzone eine als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule mit einem als Halterung für den Dünnstab dienenden, aus Metall bestehenden Rohreinsatz mit Quarzauskleidung verwendet wird. Dadurch kann die Schmelzzone sehr schmalgehalten werden. Der Rohreinsatz besteht aus Kupfer oder Silber und ist durch Hartlöten mit der Flachspule verbunden.

Zweckmäßigerweise wird ein dotierter Dünnstab verwendet, dessen Durchmesser im Bereich von

w) 2—10 mm liegt und der einen spezifischen elektrischen

Widerstand im Bereich von 10-³ bis lOOhm-cm

aufweist. Die Vorschubgeschwiridigkeit wird dabei auf einen Bereich von 1 — 10 mm/Min, eingestellt.

Durch die Verwendung eines dotierten Dünnstabes

als Dotierstoffquelle, welcher gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung axial verschiebbar angeordnet ist, kann die Dotierung eines gegebenen Halbleiterkristallstabes beim tiegelfreien Zonenschmelzen in Schutzgas-

atmosphäre oder im Vakuum genau dosierbar eingestellt werden. Die Dotierung ist abhängig

1. von der Dotierung des Dünnstabes,

2. von der Dicke bzw. dem Querschnitt des Dünnstabes und ^D

3. von der Vorschubgeschwindigkeit des dotierten Dünnstabes.

Da diese drei Parameter genau einstellbar sind, IaQt sich auf einfache Weise auch die gezielte Dotierung des to Halbleiterkristallstabes durchführen.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung-sind im folgenden anhand der in der Zeichnung befindlichen F i g. 1 und 2 noch näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch im Schnittbild die Anordnung des dotierten Dünnstabes gegenüber der Schmelzzone im Rezipienten;

F i g. 2 zeigt eine als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule mit einem Rohreinsatz für den dotierten Dünnstab.

In F i g. 1 befindet sich in einem für das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen Rezipienten 2 ein senkrechtstehender, an seinen Enden in Haltelangen 3 und 4 eingespannter, zunächst noch undotierter Siiiciumkristallstab 5. Eine als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule 6 (sogenannte Lochpfannkuchenspule) erzeugt eine Schmelzzone 7, aus der der dotierte Siliciumeinkristallstab 8 gezogen wird. In den Rezipienten ist vakuumdicht eine Rohrleitung 9 aus Messing oder rostfreiem Stahl eingeführt, weiche zur Zuführung des dotierten Dünnstabes 10, einem etwa 3 mm dicken, vordotierten Siiiciumkristallstab mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1 Ohm · cm, dient Der dotierte Dünnstab 10 ist innerhalb der Rohrleitung 9 an seinem oberen Ende mit einem ferromagnetischen Kern 11, welcher mit einer Isolationsschicht 20 überzogen ist, verbunden. Der ferromagnetische Kern 11 ist mit außerhalb der Rohrleitung 9 und des Rezipienten 2 angeordneten Mitnehmerelektromagneten 12 gekoppelt, so daß der dotierte Dünnstab 10 aus Silicium mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit der Schmelzzone 7 zugeführt und in diese eingeschmolzen werden kann. Außerdem kann der dotierte Düruistab 10 zusätzlich auch in Umdrehungen (s. Pfeil 13} versetzt werden. An seinem unteren Ende wird der dotierte Dünnstab 10 durch einen in der Heizspule 6 befindlichen Rohreinsatz 14 aus Kupfer oder Silber, der mit einer Quarzauskleidung 19 versehen ist, geführt Die Rohrleitung 9 ist mit einem Deckel 15 gasdicht verschlossen.

Am Reziepienten 2 ist ferner ein Manometer 16, welches einen im Rezipienten herrschenden Gasdruck, welcher von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Argongasflasche über die Gaszuführung 17 und die Gasableitung 18 erzeugt wird, anzeigt, vorgesehen. Der Prozeß kann auch im Hochvakuum erfolgen. Bei Dotierung mit im Vakuum ausdampfbaren Dotiersfoffen (z. B. Phosphor) muß dann der Ausdampffaktor berücksichtigt werden. Will man beispielsweise einen Siiiciumkristallstab mit einer Bordotierung entsprechend einem spezifischen elektrischen Widerstand von ca. 140 Ohm · cm herstellen, so geht man von einem Siliciumdünnstab von 3 mm 0 aus, der eine Bordotierung von 1 Ohm - cm aufweist Dieser Dünnstab wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit ν -n 6 mm/Min, in die Schmelzzone des undotierten hochoh-nigen Siliciumkristallstabes (50 mm 0;ρ>2ΟΟΟ Ohm · cm) eingeschmolzen und eine Ziehgeschwindigkeit von 3 mm/ Min. während des tiegelfreien Zonenschmelzens eingestellt Aus dem Volumen des aufgeschmolzenen Siliciumvorratsstabes (6 cm³) pro Minute und dem Gewicht des aufgeschmolzenen dotierten Siliciumdünnstabes (42 mm³) pro Minute errechnet sich der Verdünnungsfaktor zu

6000
42

^ 140.

Die erzielte Dotierung beträgt demnach etwa 140 Ohm · cm. Für das tiegelfreie Zonenschmelzen gelten für die Schutzgasatmosphäre und die Drehgeschwindigkeit der Halterungen die sonst üblichen Parameter. Der Dünnstab kann auch mit Phosphor oder Arsen dotiert sein.

Fig.2 zeigt in Vergrößerung die als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule 6 mit dem durch Hartlöten befestigten Rohreinsatz 14 aus Kupfer oder Silber, der mit einer Quarzauskleidung 19 versehen ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Dotieren beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit einem mit einer Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnung versehenen, evakuierbaren Rezipienten, der mit Halterungen für einen Halbleiterkristallstab versehen ist, einer durch die Wand des Rezipienten geführten Induktionsheizspule und einer in der Wand des Rezipienten angeordneten Rohrleitung zur Zuführung eines drehbaren, dotierten Halbleiter-Dünnstabes, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnstab mit einem ferromagnetischen Kern verbunden ist, der mit außerhalb der Rohrleitung und des Rezipienten angeordneten Mitnehmermagneten gekoppelt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine als Flachspule ausgebildete Induktionsheizspule mit einem als Halterung für den Dünnstab dienenden, aus Metall bestehenden Rohreinsatz mit Quarzausld&kiung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreinsatz aus Kupfer oder Silber besteht und durch Hartlöten mit der Flachspule verbunden ist