DE2407697B2 - Verfahren zum Herstellen eines homogen Ga-dotierten Siliciumeinkristalls - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines homogen Ga-dotierten SiliciumeinkristallsInfo
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Description
Die Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines homogen Ga-dotierten Siliciumeinkristalls.
Die Dotierung von Siliciumkristallstäben erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Siliciummaterials aus
der Gasphase mittels thermischer und/oder pyrolytischer 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 zersetzt. 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, und es müssen sehr viel höhere Dotierstoffkonzentrationen eingestellt werden, damit
die gewünschte Dotierstoffkonzentration im Endprodukt, evtl. nach mehreren Zonenschmelzdurchgängen,
noch enthalten ist.
Diese Verfahren sind zeitraubend und ungenau. Die dazu verwendeten Vorrichtungen arbeiten bei nur
einigermaßen befriedigenden Ergebnissen mit großem Aufwand.
Weitere Verfahren zum Herstellen von dotierten Siliciumkristallstäben sind aus den DT-OS 15 54 276 und
20 20 182 bekannt. Bei diesen Verfahren wird der Dotierstoff dem geschmolzenen Silicium innerhalb eines
evakuierten Rezipienten in gasförmigem Zustand zugeführt, wobei der Dotierstoff mittels eines Trägergasstroms
während des tiegelfreien Zonenschmelzens direkt auf die Schmelzzone geblasen wird. Als
Dotierstoffe werden bei diesen Verfahren die gut zu handhabenden, leicht verdampfbaren Verbindungen
von Bor und Phosphor verwendet. Die Dosierung der Dotierstoffmengen wird hier über Ventile geregelt. Ein
großer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die für die Dosierung verwendeten Ventile nicht genau
arbeiten. Darunter leidet die Reproduzierbarkeit der Dotierung der so hergestellten Siliciumkristallstäbe.
Außerdem liefern diese Verfahren eine mehr oder weniger inhomogene Verteilung der Dotierungsstoffe
nach dem Zonenschmelzen.
Zur Herstellung von p-dotiertem Silicium wird häufig auch das Element Gallium benutzt. Die Verteilung
dieses Dotierstoffes im Siliciumgitter ist auch nicht homogen genug. Insbesondere gilt dies für hochohmiges
Silicium. Wegen des relativ kleinen Verteilungskoeffizienten ist der gezielte homogene Einbau von Gallium
in Silicium sehr schwierig. Die aus diesem Material hergestellten Halbleiterbauelemente können nicht ihre
optimalen Kenndaten erhalten, weil sich die Doiierstoffschwankungen
beim Wachsen des Einkristalls beim Zonenschmelzen durch Facettenbildung und ungleichmäßige
Temperaturverteilung der Schmelze bemerkbar machen in radial und axial inhomogener Widerstandsverteilung,
z. B. beim Auftreten von »Striations«, das sind nahezu periodisch auftretende Inhomogenitäten
von Konzentrationsschwankungen im Kristall.
Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, Siliciumkristalle mit p-Leitfähigkeit unter
Verwendung von Gallium als Dotierstoff herzustellen, bei denen ein homogener Einbau des Dotierstoffs im
Siliciumgitter gewährleistet ist. Außerdem soll auf einfache und rationelle Weise unabhängig vom Stabdurchmesser
über die Stablänge und den Stabquerschnitt eine homogene und striationsfreie Dotierung im
Siliciumkristall eingestellt werden. Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zunutze, daß Germanium und
Silicium in jedem Verhältnis, also ohne Mischungslücke, gut mischbar sind und daß es möglich ist, eine homogene
Dotierstoffverteilung durch Neutronenbestrahlung des Kristallg'tters zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, daß ein Einkristall aus einer Silicium-Germanium-Legierung
mit einem Germaniumanteil von 10~8 bis 10 Vol.-% mit thermischen Neutronen von einer Fluenz (Φ · t) gleich
2,5 · 10" Neutronen/cm2 bestrahlt wird. Dabei wird
entsprechend der bekannten Kernreaktion
)71 Ge-71Ga
Legierung eine zusätzliche
in der einkristallinen
j-, Galliummenge erzeugt.
j-, Galliummenge erzeugt.
Die mit Germaniumisotopen ablaufenden Kernreaktionen (ohne Isomerenübergänge) sind folgende:
1) 711Ge(Ii,,.)7'Ge--71Ga
2) 74Ge(ii,,.)75Ge-—>
75As
3) 7<1Ge(n,j')77Gc-'—
77Asi'-
7Se
stabil stabil stabil
-Π
Dabei bedeutet ε einen Einfang eines Elektrons der K-Schale unter Aussendung einer charakteristischen
Röntgenstrahlung und π die eingestrahlten Neutronen.
Die Reaktion 1) ist dominant. Im Silicium wird durch -,ο das vorhandene natürliche Isotop 30Si unter Aufnahme
eines thermischen Neutrons und Abgabe von y-Strahlung
das instabile Isotop JISi erzeugt, welches unter
Aussendung von /!(-Strahlung in das stabile 31P
(Phosphor) übergeht. Die ablaufende Kernreaktion
muß bei der radiogenen Dotierung der Silicium-Germanium-Legierung berücksichtigt werden.
Die erreichbare Dotierung ist
'P = 1,7- Ι0~4Φ· ί (Phosphorkonz. in Atome/cm1)
Für die Reaktion 1), 2) und 3) gilt:
1) ''Ga = 3,0- K)-2</)f(Galliumkonz.inAtome/cml)
2) 'As = 1,1 · 10 -'/'· MArsenkonz.in Atome/cm1)
3) 'Se = 1,0· ΗΓJ Φ r(Selenkonz. in Atome/cm')·
Unter der Bezeichnung Φ ■ t wird das Produkt aus
Neutronenfluß/cm2 · see und der Bestrahlungszeit in
Sekunden verstanden.
Um einen versetzungsfreien Kristall für die Neutronenbestrahlung zu erhalten, wird der germaniumhaltige
Siliciumeinkristall einem zusätzlichen Zonenschmelzdurchgang unterworfen, bei dem die bekannten
Verfahren zur Erzielung von versetzungsfreiem Material angewendet werden (z. B. dünne Keimkristalle). Bei
Verwendung von Keimkristallen mit (111)-, (10O)- oder (115)-Orienti«;rung beim Überführen in den einkristallinen
Zustand wird die Herstellung von versetzungsfreiem Silicium auch bei größeren Stabdurchmessern
wesentlich erleichtert.
Als Strahlungsquelle wird ein Kernreaktor vom Typ Leichtwasserreaktor oder Schwerwasserreaklor oder
graphitmoderierter Reaktor in bekannter Weise verwendet.
Die in der Zeichnung befindliche Figur zeigt schematisch die Anordnung eines zonengeschmolzenen
versetzungsfreien (lll)-orientierten, mit 2 Vol.-°/o
Germanium legierten Siliciumstabes 1 bei der Bestrahlung im Neutronenfeld. Letzteres wird durch Punkte 2
dargestellt. Durch den Pfeil 3 wird die Rotation des Siliciumstabes 1 während der Bestrahlung um seine
Längsachse 4 angezeigt.
An Hand von zwei Ausführungsbeispielen soll im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren noch näher
erläutert werden.
Ausführungsbeispiel 1
Als Ausgangsmaterial wird ein polykristalliner Siliciumstab mit einer Stablänge von 900 mm und einem
Durchmesser von 35 mm verwende., welcher, mit Hochfrequenz gemessen, einen spezifischen Widerstand
von 900 Ohm · cm p-Typ aufweist. Dies entspricht 1,5 · lO^Akzeptoren/cm3.
Dieser Siliciumrtab wird mit 1,2 Vol.-°/o Germanium versetzt, und es wird durch Zonenschmelzen eine
germaniumhaltige Süliciumlegierung hergestellt.
Anschließend wird in einem weiteren Zonenschmelzdurchgang in Argonschutzgasatmosphäre durch Anschmelzen
eines Keimkristalls mit einer (lll)-Orientierung
ein versetzungsfreier Einkristallstab hergestellt.
Das Ziel der p-Dotierung im Siliciumeinkristallstab beträgt 500 Ohm · cm, das sind 2,78 · 1013 Akzeptoren/
cm3.
Die Bestrahlung im Reaktor mit einer Neutronenfluenz (Φ ■ t) von 2,5 ■ 10" Neutronen/cm- (Bestrahlungszeit
1 Std.) ergibt (1) eine Änderung der Siliciumdotierung
(wegen des erzeugten Phosphors) von 4,0 10" Donatoren/cm' und (2) eine Umwandlung von Germaniumaiomen
in Galliumatome entsprechend 5,3 · 10" Akzeptoren/cm1.
Daraus resultiert eine Akzeptorenkonzentration (Galliumdotierung) von 2,8 · 10" Akzeptoren/an1 = 500
Ohm
cm.
Ausführungsbeispiel 2
Ausgangsmaterial: Polykristalliner Siiciunmab mil
einem spezifischen Widerstand von 400 Ohm ■ cm η-Typ. Dies entspricht 1,3 · 10" Donatoren/cm';
Germaniumanteil 3 Vol.-"o;
Keimkristall (11 l)-orientiert;
Germaniumanteil 3 Vol.-"o;
Keimkristall (11 l)-orientiert;
Ziel der p-Dotierung 180 0hm · cm, das sind 7,7 -10"
Akzeptoren/cm1;
Neutronenfluenz 2,5 · 10" Atome/cm2 (Bestrahlungszeit 1 Std.);
erzeugte Galliumatome 1,3 · 1014 Atome/cm3;
resultierende Akzeptorkonzentration unter Berücksichtigung der Änderung der Siliciumdotierung (wegen des erzeugten Phosphors) 7,7 · 1013 Akzeptoren/cm i = 180 Ohm · cm.
resultierende Akzeptorkonzentration unter Berücksichtigung der Änderung der Siliciumdotierung (wegen des erzeugten Phosphors) 7,7 · 1013 Akzeptoren/cm i = 180 Ohm · cm.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, die bestrahlten Siliciumeinkristallstäbe zur
Ausheilung möglicher Kcistallgitterschäden bei Temperaturen über 1000°C mindestens eine Stunde lang im
Siliciumrohr zu tempern. Dieser Prozeß kann jedoch entfallen, wenn das Halbleitermaterial zu Bauelementen
weiterverarbeitet wird und bei der Weiterverarbeitung Hochtemperaturprozesse (Diffusionen bei hohen Temperaturen)
durchgeführt werden müssen.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, die p-Dotierung im Siliciumkristall
exakt über zwei Parameter einzustellen,
t. über den Anteil an Germanium an der Siliciumlegierung und
2. über die Bestrahlungsintensität bzw. Bestrahlungsdauer.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals gelungen. Siliciumeinkristallstäbe mit relativ
großen Durchmessern versetzungsfrei und ohne striations mit einer homogenen Galliumdotierung zu
versehen. Diese Siliciumeinkristalle werden insbesondere benötigt zur Herstellung von Teilchenzählern wie
Strahlungsdedektoren oder Grenzschichtzähler.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines homogen Ga-dotierten Siliciumeinkristalls, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Einkristall aus einer Silicium-Germanium-Legierung mit einem Germaniumanteil
von 10-" bis 10 Vol.-°/o mit thermischen Neutronen von einer Fluenz (Φ ■ i^ gleich 2,5 · 10"
Neutronen/cm2 bestrahlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestrahlte germaniumhaltige
Siliciumeinkristall zur Ausheilung möglicher Kristallgitterschäden bei Temperaturen über 1000° C
mindestens eine Stunde im Siliciumrohr getempert wird.
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