DE2364015B2 - Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren Dotierungsprofil - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren Dotierungsprofil

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DE2364015B2 DE19732364015 DE2364015A DE2364015B2 DE 2364015 B2 DE2364015 B2 DE 2364015B2 DE 19732364015 DE19732364015 DE 19732364015 DE 2364015 A DE2364015 A DE 2364015A DE 2364015 B2 DE2364015 B2 DE 2364015B2
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Description

40
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen, bei dem p-dotierte Siliciumeinkristalle mit thermischen Neutronen bestrahlt werden, wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß die Konzentration der entstehenden Phosphoratome größer ist als die der Akzeptoratome.
Die Dotierung von Siliciumkristallstäben erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Siliciummaterials aus der Gasphase mittels thermischer und/oder pyrolyti- w scher Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Siliciums am erhitzten stabförmigen Trägerkörper des gleichen Materials. Dabei werden Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Siliciums beigemischt und am Trägerkörper mitzersetzt. Die so hergestellten Siliciumkristallstäbe sind polykristallin und müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand übergeführt werden. Dabei ändert sich die Dotierstoffkonzentration, oft in unkontrollierbarer Weise. Es können — vor allen Dingen bei bo n-dotierten Siliciumeinkristallstäben — Dotierungsprofile in axialer und/oder auch radialer Richtung anfallen, die einem gewünschten Profil nur zum Teil entsprechen. Die Breite und Tiefe von Widerstandseinbrüchen, die diesen Dotierungsprofilen entsprechen, ist bislang nicht b5 sicher kontrollierbar. Außerdem können auch Nebeneinbrüche des spezifischen Widerstandes und überlagerte Schwankungen des spezifischen Widerstandes, sogenannte »striations«, welche auf stark wachstumsbedingte Do tiers toffkonzentrationssch wankungen im Mikrobereich des Kristalls zurückzuführen sind, nicht sicher vermieden werden.
Durch die Lehre der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, gezielte Widerstands(e)-Profile in axialer und/oder radialer Richtung im Siliriumkristall herzustellen, wobei gleichzeitig die genannten Nebeneinbrüche und überlagerte ρ-Schwankungen vermieden werden. Dabei sollen Siliciumkristalle in Stab- oder Kristallscheibenform von beliebiger Orientierung und beliebigem Durchmesser hergestellt werden.
Aus einem Aufsatz von Tanenbaum und Mills in der Zeitschrift »J. Electrochem. Soc.« 108 (1961), Seiten 171 — 176, ist zu entnehmen, daß Siliciumkristalle mit homogener η-Leitfähigkeit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen hergestellt werden können. Dabei wird das im Silicium vorhandene natürliche Isotop 30Si unter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von y-Strahlung in das instabile Isotop 31Si übergeführt, welches unter Aussendung von ^--Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile 3IP-Isotop übergeht. Bei der sogenannten radiogenen Dotierung des Siliciums nach der Reaktion
30Si(n, y)31Si-^31P
gilt unter der Voraussetzung, daß das 31Si vollständig abgeklungen und der Abbrand des 30Si vernachlässigbar klein ist, folgender einfacher Zusammenhang:
Cp = 1,7 · 1(Γ4 Φ-r,
wobei Cp = Phosphorkonzentration in Atome/cm3, Φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen/cm2 · Sek. und t = Bestrahlungszeit in Sekunden ist.
Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit bestimmtem radialem und/oder axialem Dotierstoffprofil dadurch, daß Siliciumeinkristalle mit dem inversen Akzeptorprofil eingesetzt werden.
Das durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung hergestellte Dotierungsprofil ist nach der Neutronenbestrahlung invers, d. h., aus dem vor der Bestrahlung bestehenden Akzeptorenprofil entsteht nach der Bestrahlung ein inverses Donatorenprofil, wobei zunächst das weniger dotierte ursprüngliche, mit Akzeptoren versehene Silicium über Kompensation zur η-Dotierung übergeführt wird und später das stärker dotierte Material in η-leitendes Silicium übergeht. Voraussetzung ist, daß der p-dotierte Einkristall, der eine axiale und radiale ρ-Verteilung aufweist, exakt vermessen wird.
An Hand zweier Ausführungsbeispiele und der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Kurven soll im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren noch näher erläutert werden.
Ein p-dotierter, versetzungsfreier Siliciumeinkristallstab mit einer Länge von 22 cm und einem Durchmesser von 34 mm weist das aus der folgenden Tabelle I in der zweiten Spalte aufgezeigte Konzentrationsprofil auf. Es werden Akzeptorenkonzentrationen von 1,3 · 10n Atome/cm3 Si bis 3,2 · 1013 Atome/cmJ Si gemessen. Dieser Siliciumeinkristallstab wird nun einer Neutronenbestrahlung mit thermischen Neutronen ausgesetzt, wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5,6 · 1013 Atome Phosphor gebildet werden.
Dabei ergeben sich die in der vierten Spalte der Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationen, welche den aus der fünften Spalte zu entnehmenden Qa-Werten entsprechen. Die Qn- Verteilung erstreckt sich längs des Stabes von 120 Ohm · cm bis 208 Ohm - cm. Bei einem
Tabelle I
homogenen Fluß von 8 · 1013 Neutronen/cm2 · see betrug die Bestrahlungszeit im Ausführungsbeispiel
t =
5.6-UP
1.710"4 · 8-1Ö13
= L15h
Abstand vom p-leiienc
Keimkristall
in cm
2 1.310"
4 I.'7-IO"
6 2.210"
8 2.4-10"
10 2.6-10"
12 2.7-10"
14 2.7-10"
16 2.8-10"
18 2.910"
20 3.2-10"
3 . 4 5
Erzeugte Phosphor Result Dona- Pn
menge lorenkonz.
(Ohm ■ cm)
5.6-10" 4.3-10" 120
5.6-10" 3.9-10" 132
5.6-10" 3.4-10" 152
5.6-10" 3.2-10" 161
5.6-10" 3.0-10" 172
5.6-10" 2.9-10" 178
5.6-10" 2.9-10" 178
5.6-10" 2.8-10" 185
5.6-10" 2.7-10" 192
5.6-10" 2.4-10" 208
Der dazugehörige ρ-Verlauf ist aus der F i g. 1 ersichtlich. Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate links der spezifische Widerstand in Ohm · cm und als Ordinate rechts die mittlere Lebensdauer τ in μβεο aufgetragen, während die Abszisse auf die Stablänge Bezug nimmt. Die durchgezogene Kurve entspricht der gemessenen ρρ-Verteilung vor der Bestrahlung, die gestrichelt gezeichnete Kurve der gemessenen ρπ-Verteilung nach der Bestrahlung. Wie aus der Tabelle I und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das axiale ρ-Profil nunmehr invers.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, im Anschluß an die Neutronenbestrahlung die Siliciumeinkristalle einem Temperprozeß bei Temperaturen über 1000°C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr zu unterwerfen. Dabei wurde festgestellt, daß nach einem Temperprozeß bei ungefähr 1100° C und einer Zeitdauer von zwei Stunden der bestrahlte Siliciumeinkristallstab einen relativ hohen Wert der mittleren Lebensdauermeßwerte ergab. Es wurden r-Werte vor der Bestrahlung im Bereich von 800 yszz und nach der Bestrahlung im Bereich von 400 μβεο gefunden. In der Figur entspricht die durchgezogene Kurve wieder den Werten vor der Bestrahlung, die gestrichelte Kurve denen nach der Bestahlung.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist ebenso anwendbar für die Herstellung inverser ρ-Profile in radialer Richtung. Dabei wird ebenfalls von einem p-dotierten Siliciumeinkristallstab von einer Länge von 700 mm und einen Durchmesser von 35 mm ausgegangen. Dieser Stab wird in 360 μ dicke Kristallscheiben zerteilt und diese Scheiben werden dann einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt. Das auf einer Scheibe gemessene Konzentrationsprofil ist sowohl aus der F i g. 2 (durchgezogene Kurve) als auch aus der folgenden Tabelle 11, Spalte 1 bis 3, ersichtlich. Es werden Akzeptorkonzentrationen von Scheibenrand zu Scheibenrand von 6,6 · 1013 Atome/cm3 bis 1,5 · 1014 Atome/cm3 gemessen. Der Neutronenfluß wird so geregelt, daß insgesamt 2,9 · 1014 Atome Phosphor gebildet werden. Dabei ergeben sich die in der 5. Spalte der Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationen, welche den aus der 6. Spalte zu entnehmenden ρ-Werten entsprechen. Die ρ,,-Verteilung nach der Bestrahlung erstreckt sich längs der Siliciumeinkristallscheibe von 20 bis 36 Ohm · cm.
Tabelle Il 2 3 .08-10'" 4 5 6
1 Pn p-leilend Alomc Bor .18-10'" erzeugte Phosphor Result. Donatorenkon/. Pn
Abstand von der .22-10'" menge
Mitte in mm (Ohm cm) .23-1O14 (Ohm · cm)
160 ! 5.5-10" .3-10'" 2.9-10'" : '.0510'" 24
6 140 9.6-10" .4-10'" 2.9-10'" .95-10'" 25.8
4 128 2.9-10'" .8210'" 27.5
2 119 2.9-10'" .7210'" 29.0
0 111 2.9-10'" .68-10'" 30
8 110 2.9-10'" .6710'" 30
() 105 2.910'" .6-10'" 31
4 96 2.9-10'" .5-10'" 33.5
2
Fortsetzung
1 2
Abstand von der pn
MiUe in mm
(Ohm ■ cm)
p-leitend Atome Bor
erzeugte Phosphormenge
5 6
Result. Donatorcnkonz. />„
(Ohm ■ cm)
90
94
101
110
121
136
160
190
205
1.51014
1.451014
1.3510'4
1.231014
1.12 1014
HO14
8.5-1013
7.21013
6.6-1013
2.910'4 2.910'4 2.910|d 2.91O'4 2.910'4 2.9-1014 2.910'4 2.910'4 2.91014 1.4-10"
1.4510'4
1.55-1O14
1.67-1014
1.781014
1.91014
2.051014
2.18-1014
2.24-10'4
36
34.5
33
30
28
26
24
23
20
Der dazugehörige ρ-Verlauf ist aus der F i g. 2 ersichtlich. Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate der spez. Widerstand in Ohm · cm und als Abszisse der Abstand von der Scheibenmitte in mm aufgetragen. Die strichpunktierte Linie entspricht der 25 Scheibenmitte, die durchgezogene Kurve der gemessenen pp-Verteilung vor der Bestrahlung und die gestrichelt gezeichnete Kurve der gemessenen ρ,,-Verteiiung nach der Bestrahlung. Wie aus der Tabelle II und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das radiale ρ-Profil nunmehr invers.
Als Strahlungsquelle wird ein Kernreaktor vom Typ Leichtwasserreaktor oder Schwerwasserreaktor oder graphitmoderierter Reaktor in bekannter Weise verwendet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    I. Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen, bei dem p-dotierte Siliciumein- § kristalle mit thermischen Neutronen bestrahlt werden, wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß die Konzentration der entstehenden Phosphoratome größer ist als die der Akzeptoratome, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstel» lung von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit bestimmtem radialem und/oder axialem Dotierstoffprofil Siliciumeinkristalle mit dem inversen Akzeptorprofil eingesetzt werden.
    Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines n-dotierten Siliciumeinkristallstabes mit einem spezifischen Widerstand von ca. 120 Ohm · cm (Keimkristall) bis ca. 208 Ohm · cm über die Stablänge ansteigend von einem p-leitenden Siliciumstab mit einer Akzeptorenkonzentration von Iß · ίO13 Atome/cm3 bis 3,2 · 1013 Atome/cm3 ausgegangen wird und der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5,6 · 1013 Atome Phosphor gebildet werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer n-dotierten Siliciumeinkristallscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 20 bis 36 Ohm · cm von einer p-leitenden Siliciumkristallscheibe mit einer Akzeptorenkonzentration von 6,6 - 1013 bis 1,5 · 1014 Atome/cm3 ausgegangen wird und der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 2,9 · 10'4 Atome Phosphor gebildet werden.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Neutronenbestrahlung die Siliciumkristalle einem Temperprozeß bei Temperaturen größer 1000" C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr ausgesetzt werden.
DE19732364015 1973-12-21 1973-12-21 Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren Dotierungsprofil Expired DE2364015C3 (de)

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