-
Verfahren zum gezielten Einbringen von Dotierungsmaterial in einen
Halbleiterkristallstab.
-
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein,, Verfahren zum gezielten
und reproduzierbaren Einbringen von Dotierungsmaterial in einen Halbleiterkristallstab,
insbesondere in einen Siliciumeinkristallstab, durch tiegelfreies Zonenschmelzen
des an seinen Enden senkrecht gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig
umgebenden Heizeinrichtung.
-
Für die Herstellung von hochqualifizierten Halbleiterbauelementen
werden Siliciumstäbe mit definiertem Dotierstoffgehalt benötigt. Dabei soll der
Dotierstoff möglichst homogen über das Stabvolumen in radialer und axialer Richtung
verteilt sein.
-
Es gibt verschiedene Verfahren, die diese Anforderungen 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 Halbleitermaterials0 Dabei werden die Do-VPA 9/110/4032)
VPA 9/190/4010) kombiniert VPA 9/190/4014) VPA 9/190/4020)
tierungsstoffe
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 geviünschte Dotierstoffkonzentration im Endprodukt, evtl. 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 ein gevmnschter spezifischer
Widerstand oder eine bestimmte Rekombinationszentrendichte über die Stablänge bei
Berücksichtigzng des Zonenzieh- und Abdampfeffekts erreicht wird. Hohe 9remdstoffkonzentrationen
im fertiggestellten Einkristall sind hiermit jedoch ebenfalls nicht zu erreichen.
Ebenso können hohe Fremdstoffkonzentrationen nahe der iöslichkeitsgrenze (1019 -
i020 cm 3) auch mittels der sogenannten Gasdotierung, bei welcher ein mit dem Dotierstoff
belaaener Gasstrom auf die schmelzflüssige Zone geblasen wira, nicht erreicht werden0
Auch niedrigere Dotierstoffkonzentrationen, z.B. 1013 bis 1014 cm 3, sind mit den
herközzlicher Methoden schwer reproduzierbar einzustellen.
-
Diese Mängel lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch
beseitigen, daß vor dem Zonenschmelzen das Dotierungsmaterial entsprechend einem
in Bezug auf die gewünschte Dotierungskonzentration vorgegebenen Programm in die
oberflächennahe Schicht des Halbleiterstabes einge-VPA 9/110/4032 VPA 9/190/4010
VPA 9/190/4014 ) kombiniert VPA 9/190/4020 )
bracht wird und daß
unter Verwendung der dotierten Oberflächenschicht als Dotierstoffquelle das Dotierungsmaterial
durch das tiegelfreie Zonenschmelzen über den Querschnitt des Halbleiterstabes vergleichmäßigt
wird.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches für die verschiedensten
Dotierstoffe anwendbar ist, gelingt es, eine gezielte Dotierung auf einfache und
rationelle Weise längs eines Siliciumstabes herzustellen, wobei auch die möglich
keit gegeben ist, die Dotierstoffkonzentration längs des Stabes zu variieren, um
sowohl Segregations- und Abdampfeffekte als auch den Dotierungsverlauf eines hochohmigen
Ausgangsstabes entsprechend zu berücksichtigen, so aaß die gewünschte Zieldotierung
entlang der Stabachse homogen wird.
-
Die Dotierstoffatome werden zuerst in eine dünne Mantelzone des Stabes
in das Kristallgitter eingebaut und dann durch das Zonenziehen in einem weiteren
Verfahrensschritt über den Stabquerschnitt verteilt. Die Höhe der Dotierungskonzentration
wird eingestellt über die Dicke und die Konzentration des in der oberflächennahen
Schicht befindlichen Dotierstoffes. Die Berechnung der erforderlichen Dotierstoffmenge
soll an Rand der Figur 1 erläutert werden. Das Volumen der mit dem eingebauten Dotierstoff
versehenen Mantelzone VM ergibt sich zu VM -. h . x . d wobei x = Eindringtiefe
des Dotierstoffes, h = Höhe bzw.
-
Länge des Stabes und d = Durchmesser des Stabes ist. Das Stabvolumen
VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010) kombiniert VPA 9/190/4014) VPA 9/190/4020
Die
Dotierstoffkonzentration in der Mantelzone NM verhält sich zur Dotierstoffkonzentration
im Stabvolumen NV nach dem Zonenziehen wie folgt
Die gewünschte Dotierstoffkonzentration der Mantelzone
Unter Vernachlässigung von Ausdampf- und Seggregationseffekten (EEff = 1 ) erhält
man für diese Dotierstoffkonzentration im Mantel eine Volumenkonzentration von
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, das Dotierungsmaterial durch Ionenimplantation
in die oberflächennahe Schicht einzubauen. Dabei wird gemäß einem Ausführungsbeispiel
nach der Lehre der Erfindung der zu dotierende Halbleiterstab in Drehungen um seine
Längsachse versetzt und am ruhenden Ionenstrahl vorbeibewegt, so daß der implantierte
Bereich eine Schraubenlinie auf dem Stabmantel beschreibt. Die Belegungsdosis wird
dann außer durch die Ionenstrahldichte auch durch die Drehzahl und den Vorschub
des Stabes (Abstand der Schraubenlinien) bestimmte Eine mikroskopisch homogene Belegung,
wie sie VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010 ? kombiniert VPA 9/190/4014) VPA 9/190/4020)
z.B.
bei integrierten Schaltkreisen erforderlich ist, ist hier nicht notwendig, da'die
Höhe der Schmelzzone beim Zonenziehen in der Größenordnung von Zentimetern liegt.
-
Gemäß einer anderen Verfahrensweise nach der lehre der Erfindung wird
der Ionenstrahl an einem feststehenaen Halbleiterstab so entlanggeführt, daß er
senkrecht zur Stabachse ausgelenkt wird und eine Zickzacklinie auf einem Teil des
Stabmantels beschreibt. Ns3h der lonenimplantation kann der Stab einem Temperaturprozeß
unterworfen werden, um eine zusätzliche Diffusion der eingebrachten Dotierstoffe
zu erreichen.
-
Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß das Dotierungsmaterial
in die oberflächennahe Schicht des Halbleiterstabes durch Diffusion bei hohen Temperaturen
eingebracht wird. Dabei wird gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der lehre der
Erfindung die Diffusion in einer Ampulle durchgeführt, in der der zu dotierende
Stab mit dem zu dotierenden Material eingeschmolzen wird. Zweckmäßigerweise wird
als Dotierungsmaterial pulverförmiges Halbleitermaterial verwendet, das mit der
entsprechenden Menge Dotierstoff versetzt ist. Durch Variation des Dotierstoffgehalts
des Halbleiterpulvers, der Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit kann die
gewünschte Dotierstoffmenge in eine nur wenige/u Eindringtiefe enthaltende Oberflächenschicht
eingebracht werden. Es ist aber ebenso möglich, anstelle des dotierten Halbleitermaterialpulvers
einen gasförmigen Dotierstoff in die Ampulle einzufüllen.
-
In einer eiterbildung des Erfindungsgedankens ist auch vorgesehen,
das Dotiermaterial aus einer Gasatmosphäre mit definierter Dotierstoffkonzentration
in die aufgeschmolzene VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010) VPA 9/190/4014) kombiniert
VPA 9/190/4020)
oberflächennahe Schicht des Halbleiterstabes einzubringen.
-
Dabei geschieht zweckmäßigerweise das Aufschmelzen der oberflächennahen
Schicht mittels einer ringförmigen Induktionsheizspule mit großem Innendurchmesser,
wobei mit geringer Hf-Leistung gearbeitet wird. In die schmelzflüssige Oberflächenschicht
dringt der Dotierstoff ein und es entsteht ein Halbleiterstab mit einer dotierstoffreichen
Außenhaut. Durch die Wahl der Dotierstoffkonzentration im Gas, die Verweilzeit der
flüssigen Schicht im Gas, welche abhängig von der Ziehgeschwindigkeit ist, und der
Dicke der geschmolzenen Schicht, die über die leistung der Induktionsheizspule einstellbar
ist, kann die pro cm Stablänge eingebrachte Dotierstoffmenge eingestellt und auch
längs des Stabes in gewünschter Weise verändert werden. Das Verfahren läßt sich
sehr leicht in einer konventionellen Zonenschmelzeinrichtung durchführen, wobei
ein möglichst kleines Rezipientenvolumen, doh. ein enger Abstand vom Stab zur l-land,
gewählt werden soll. Das Verfahren ist aber auch durchführbar mit einer, mit einer
Dotierdüse kombinierten Induktionsheizspule, durch welche die Dotierstoffverbindung
mittels eines Trägergasstroms auf die aufgeschmolzene Staboberfläche geblasen wird.
-
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß zur Vermeidung
des unerwünschten Abiampnens des Dotiermaterials aus der dotierten oberflächennahen
Schicht während des Zonenschmelzens vor dem Zonenschmelzen eine Schutzschicht aus
Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid über der dotierten Schicht aufgebracht
wird.
-
Desweiteren ist es auch möglich, zur Vermeidung einer Abdampfung des
Dotierungsmaterials den Zonenschmelzprozeß bei VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010) VPA
9/190/4014) kombiniert VPA 9/190/4020)
einem Überdruck der Schutzgasatmosphäre,
die bevorzugt aus einer hochgereinigten Argonatmosphäre besteht, durchzuführen.
-
Als Ausgangsmaterial für den Einbau des Dotierstoffes wird zweckmäßigerweise
ein polykristalliner, im wesentlichen undotierter Halbleiterstab verwendet, der
dann beim Zonenschmelzen mittels eines an das eine Ende angeschmolzenen ~Eeimkristalls
in den einkristallinen Zustand übergeführt wird.
-
Eine Vorrichtung zur Durchführui des Verfahrens besteht z.B. aus einem
Rezipienten, in dem eine drehbare und.axial verschiebbare Halteeinrichtung für den
Halbleiterstab angeordnet ist. In dem Rezipienten ist in der seitlichen Wand eine
lonenstrahleinrichtung angebracht, deren Strahl auf den Halbleiterstab gerichtet
ist.
-
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung wird im einzelnen an Hand
der in der Zeichnung schematisch dargestellten Figuren 1 - 4 noch näher erläutert.
-
Sigo 1 zeigt den der Berechnung der Dotierstoffkonzentration zugrundeliegenden,
mit den entsprechenden Maßangaben versehenen stabförmigen Körper (Berechnung s.
Seite 3/4), Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der der Dotierstoff durch Diffusion
in das äußere Kristallgitter eingebaut wird, Fig. 3 stellt eine Anordnung dar, mit
der der Dotierstoff aus der Gasatmosphäre durch Aufschmelzen der Mantelzone des
Halbleiterstabes eingebracht wird und VPA 9/110/4032 vFA 9/190/4010 VPA 9/190/4014)
kombiniert VPA 9/190/4020)
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, mittels
welcher das Dotierungsmaterial durch Ionenimplantation in die oberflächennahe Schicht
des Halbleiterkristallstabes eingeschossen wird.
-
In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den aus einer Quarz-oder
Siliciumampulle bestehenden Diffusionsraum, der von eine Einzonenofen 2 allseitig
umgeben ist. Im Diffusionsraum 1 befindet sich als Dotierstoffquelle vorgesehenes,
zu pulverförmigem Ea-ternal 3 zerstoßenes phosphordotiertes Silicium (Phosphoranteil
z.B. 1018 Atome/cm3), und der zur Diffusion bestimmte Siliciumstab 4. An die Quarzampulle
1 wird bei dem mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten Pfeil eine Vakuumpumpe angeschlossen
und die gefüllte Ampulle bis zu einem Druck von 10 -lorr evakuiert und dann abgeschmolzen.
Dann wird die Ampulle auf die Diffusionstemperatur, beispielsweise auf 1100°C, erhitzt,
wobei nach ca. 20 Stunden eine Eindringtiefe des Dotierstoffes im Stab- von 5 /u
erreicht ist.
-
Der gewünschte spezifische Widerstand sei 100 Ohm . cm; das entspricht
einer Phosphorkonzentration von NV = 5 . 10¹³Atome/ cm . Der Stabdurchmesser des
Siliciumstabes beträgt 40 mm.
-
Dann ist die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Mantelzone
NM = NV d wobei x = Eindringtiefe in cm 4x ( 5 µ = 5 . 10-4 cm)
Atome/cm3 Es müssen also 1017 Phosphoratome/cm3in einer oberflächennahen Zone von
5/um Tiefe eindiffundiert werden. Der anschließende Zonenschmelzprozeß zur Vergleichmäßigung
des VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010) kombiniert VPA 9/190/4014) VPA 9/190/4020
Dotierstoffes
erfolgt in bekannter Weise.
-
Fig. 3 zeigt einen für das tiegelfreie Zonenschmelzen vorgesehenen
Rezipienten 10 aus Quarz, in dem sich ein senkrechtstehender, an seinem oberen Ende
in die Halterung 11 eingespannter, axial verschiebbarer, noch undotierter polykristalliner
Siliciumstab 12 befindet. Eine Heizeinrichtung, bestehend aus einer mit Hochfrequenz
gespeisten zweiwindigen Induktionsheizspule 13, ist außerhalb aes Rezipienten 10
angeordnet. Die dotierende Gasatmosphäre definierter Lronzen tration wird bei dem
mit dem Bezugszeichen 14 bezeichneten Pfeil in den Rezipienten 10 eingefüllt, nachdem
bei dem mit dem Bezugszeichen 15 bezeichneten Pfeil der Rezipient evakuiert worden
ist. Mittels der Induktionsheizspule 13 wird der zu dotierende Siliciumstab 12 bis
zu 1 bis 3 mm oberflächlicH aufgeschmolzen. In die schmelzflüssige Oberflächenschicht
16 dringt der Dotierstoff aus der Gasatmosphäre ein und es entsteht schließlich
ein Siliciumstab (12) mit einer dotierstoffreichen Außenhaut 16. Durch die Wahl
der Dotierstoffkonzentration in der Gasatmosphäre, die Verweilzeit der flüssigen
Schicht in der Gasatmosphäre und die Dicke der geschmolzenen Schicht 16, die über
die leistung der Induktionsheizspuie 13 einstellbar ist, kann die pro cm Stablänge
eingebrachte Dotierstoffmenge eingestellt und längs des Stabes 12 in gewünschter
Weise auch verändert werden. Auf diese Weise kann in zwei getrennten Verfahrensschritten
zunächst ein undotierter Vorratsstab (12, 16) und schließlich durch das bekannte
tiegelfrele Zonenschmelzen ein gezielt dotierter Einkristallstab hergestellt werden.
Zur Vermeidung der Abdampfung der Dotierung in der Außenhaut 16 wird der Zonenschmelzprozeß
in Argonatmosphäre bei leichtem Überdruck durchgeführt. Dabei kann an das untere
Ende des Siliciumstabes ein Keimkristall angeschmolzen werden und der polykristalline
Stab in den einkristallinen Zustand übergeführt werden0 VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010)kombiniert
VPA 9/190/4014) VPA 9/190/4020)
In Fig. 4 ist ein mit einer Stabhalterung
22 versehener Rezipient 20 dargestellt, der mit einer lonenimplantationsanlage 21
gekoppelt ist. In dem Rezipienten 20 befindet sich ein senkrechtstehender, an seinem
uneren Ende in die Halterung 22 eingespannter, axial verschiebbarer und um seine
längsachse drehbarer (s. Pfeile23), noch undotierter Siliciumstab 24. Die Belegung
mit dem Dotierstoff, z.B. Bor, erfolgt in der Weise, daß der rotierende Siliefumstab
24 am ruhenden, 1 der Ionenimplantationsanlage 21 er-zeusten Ionenstrahl 25 vorbeigezogen
wird, so daß der implantierte Bereich eine in der Figur nicht dargestellte Schraubenlinie
auf dem Stabmantel erzeugt. Die Belegungsdosis wird dann außer durch die Ionenstromdichte
auch durch die Drehzahl und den Vorschub des Stabes (Abstand der Schraubenlinien)
bestimmt und kann entlang der Stabachse entsprechend einem gewünschten Programm
auch variiert werden0 1. Ausführungsbeispiel Gewünschte Bordotierung 10 Ohm . cm,
das entspricht einer Borkonzentration NBor = 1,4 0 1015/cm3. Der Durchmesser des
zu implantierendenSiliciumstabes d = 50 mm, die erforderliche Implantationsdosis
errechnet sich zu b = N 4
Baratome/cm² Die verwendete Implantationsanlage benötigt zur (gleichmäßigen) Belegung
einer ca0 50 mm großen Kristallscheibe mit 1015 Boratomen/cm2 ca. 6 Minuten. Daraus
ergibt sich für ein Stabstück von 10 cm Länge und 50 mm ß bei einer Belegung VPA
9/110/4032) VPA 9/190/4010) VPA 9/190/4014) kombiniert VPA 9/190/4020)
mit
b = 1,8 . i015/cm2 eine Belegungsdauer von
= 87 Minuten = ca. 1,5 Stunden.
-
2. Ausführungsbeisiel Gewünschte Bordotierung 100 Ohn . cm, das entspricht
einer Scrkonzentration NBor = 1,4 . 1014/cm3, die erforderliche Implantationszeit
verringert sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel um den Faktor 10, d.h.
-
t = 9 Minuten.
-
Der Einbau der Dotierung in den Stabmantel durch das Ionenimplantationsverfahren
hat gegenüber der Diffusionstechnik den Vorteil, daß keine hohen Temperaturen erforderlich
sind und daß sich die Ionen eines jeden Elements oder seiner Verbindungen in das
Innere eines Kristalls "schießen" lassen und zwar nicht nur lösliche Dotierungsstoffe,
sondern auch unlösliche und bei löslichen mit höherer Konzentration als es der Löslichkeit
entspricht, sofern nur ihre kinetische Energie genügend hoch ist. Die Konzentrationsverläufe
unterscheiden sich auch bei Diffusion und Implantation. Das Diffusionsprofil hat
sein Maximum an der Oberfläche des Kristalls, während das Maximum des Implantationsprofils
im Innere des Kristalls liegt und zwar umso tiefer, je höher die kinetische Energie
der DotierelemenSIonen beim Auftreffen auf den Kristall ist.
-
Der durch Ionenimplantation dotierte Vorratsstab wird durch das bekannte
Zonenschmelzen, wie bereits auch bei den figuren VPA 9/110/4032> VPA 9/190/4010)
kombiniert VPA 9/190/4014) VPA 9/190/4020
2 und 3 beschrieben,
bezüglich der Verteilung des Dotierstoffes homogenisiert. enn die Gefahr besteht,
daß der Dotierstoff beim Zonenschmelzen aus der oberflächennahen Schicht des festen
Stabes ausdampfen kann, kann das Zonenschmelzen auch in zwei Verfahrensschritten
durchgeführt werden.
-
Vor dem eigentlichen Zonenschmelzen wird der Stab mit seiner oberflächennahen
Schmelzzone (z.B. 1 - 3 mm tief) möglichst schnell durchgezogen, d.h. mit einer
Ziehgeschwindigkeit von 6 - 10 mm/ZinO Durch den ersten Verfahrensschritt 5Offll
bewirkt werden, aaß der zunächst nur oberflächlich aufgebrachte Dotierstoff schnell
auf ein um Zehnerpotenzen größeres Siliciumvolumen verteilt wird, so daß Ausdampfeffekte
aus dem festen Silicium während des eigentlichen Zonenschmelzens wesentlich verringert
werden, einerseits infolge der verringerten Dotierstoffkonzentration in Oberflächennähe,
andererseits wegen der größeren Eindringtiefe von z.B. 3 mm.
-
Schwankungen der Schmelzzonentiefe während des ersten Verfahrensschrittes
sind ohne Einfluß auf die Stabdotierung.
-
21 Patentansprüche 4 Figuren VPA 9/110/4032) VPA 9/190/4010) VPA 9/190/4014)
kombiniert VPA 9/190/4020