DE2427645A1

DE2427645A1 - Verfahren zum gezielten einbringen von dotierungsmaterial in einen halbleiterkristallstab

Info

Publication number: DE2427645A1
Application number: DE19742427645
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Burtscher; Ernst Haas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1974-06-07
Publication date: 1976-01-02

Description

Verfahren zwirn gezielten Einbringen -von Dotierungsmaterial in einen Halbleiterkristallstab.
Das Hauptpatent (P 24.15.717.3) betrifft ein Verfahren zum gezielten und reproduzierbaren Einbringen'von Dotierungsmaterial in einen Halbleiterkristallstab, insbesondere in einen Siliciumeinkristallstab, durch tiegelfreies Zonenschinelzen des an seinen Enden senkrecht gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmlg umgebenden Heinzeinrichtwlg, bei dem vor dem Zonenschmelzen das Dotierungsmaterial entsprechend einem in Bezug auf die gewünschte Dotiermngskonzentration vorgegebenen Programm in die oberflächennahe Schicht des Halbleiterstabes eingebracht und unter Verwendung der dotierten Oberflächenschicht als Dotierstoffquelle das Dotierungsmaterial durch das tiegelfreie Zonenschmelzen über den Querschnitt des Halbleiterstabes vergleichmäßigt wird.
Durch das Verfahren nach dem Hauptpatent ist es möglich, eine gezielte Dotierung auf einfache und rationelle Weise längs eines Siliciumstabes herzustellen, wobei auch die Möglichkeit 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 daß die gewünschte Zieldotierung entlang der Stabachse homogen wird.
Die Dotierstoffatome werden zuerst in eine dünne Mantelzone des Stabes in das Kristallgitier 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.
Im Rahmen des llauptpatentes liegt es, das Dotierungsmaterial durch Ionenimplantation oder Eindiffusion von Dotierstoffen in die oberflächennahe Zone, gegebenenfalls über eine aufgeschmolzene Oberflächenschicht, einzubauen.
Die vorliegenae Erfindung beschreibt einen anderen Weg zur Einbringung des Dotierungsstoffes in die oberflächennahe Zone und löst die gestellte Aufgabe der gezielten und reproduzierbaren Dotierung in einem Halbleiterkristallstab durch tiegelfreies Zonenschmelzen dadurch, aaß erfindungsgemäß das Dotierungsmaterial durch Kernreaktionen in der oberflächennahen Schicht des Halbleiterstabes erzeugt wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß bei Verwendung von Silicium als H$lbleitermaterial das Dotierungsmaterial durch Umwandlung von Siliciumatomen über radioaktive Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen oder erzeugt wird.
Gemäß der ersten Gleichung entsteht durch Bestrahlung mit Deuteronen unter Abgabe von Protonen aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen Isotop 30Si das instabile Isotop 31Si, welches unter Aussendung von ß-Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile 31P-Isotop (Phosphor) übergeht. Dadurch wird eine n-Dotierung der Mantelzone des Siliciumstabe-s erreicht.
Gemäß der zweiten Gleichung entsteht durch Bestrahlung mit Deuteronen unter Abgabe von Oc-Strahlung aus dem im Silicium vorhandenen Isotop 28Si das instabile Isotop 26Al, welches unter Aussendung von ß+-Strahlung mit einer Halb-26 wertszeit von 6.4 Sekunden in das stabile Mg-Isotop (Magnesium) übergeht. Dadurch wird eine p-Dotierung im Silicium erreicht.
In einer eiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß bei Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial das Dotierungsmaterial durch Umwandlung von Siliciumatomen ohne radioaktlve Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen oder erzeugt wird.
Gemäß der ersten Gleichung entsteht durch Bestrahlung mit Deutronen unter Aussendung von @-Strahlung aus dem im Silicium vorhandenen Isotop 29Si das stabile 31P-Isotop (Phosphor), wodurch eine n-Dotierung hervorgerufen wird.
Gemaß der zweiten Gleichung entsteht durch Bestrahlung mit Protonen aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen 30 Isotop Si unter Aussendung vono&-Strahlung das stabile Isotop 27A1 (Aluminium), welches eine p-Dotierung im Silicium zur Folge hat.
Es liegt aber auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß das Dotierungsmaterial durch vor den Kernreaktionen in die oberflächennahe Schicht eindiffundierte und/oder ionenimplantierte Fremdstoffe und deren Kernumwandlung gebildet wird. Dabei wird gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung als Fremdstoff das Element Germanium in das Siliciumgitter eindiffundiert, welches gemäß der Gleichung in das Element Arsen umgewandelt wird und im Silicium kristall eine n-Dotierung erzeugt.
Die Erzeugung der geladenen Teilchen (Deuteronen, Protonen) geschieht in van de Graff'schen Beschleunigern und ähnlichen bekannten Anlagen.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist es möglich, die Oberfläche eines Halbleiterstabes gezielt bis zu 1 mm Tiefe mit dem gewünschten Dotierstoff zu versehen und anschließend den Dotierstoff durch das tiegelfreie Zonenschmelzen auf den gesamten Stabquerschnitt zu verteilen. Das sich längs der Stabachse auf Grund der Verteilungskoeffizienten und von Ausdampfeffekten erstreckende Konzentrationsprofil wird dadurch verhindert, aaß eine entsprechende Steuerung bei der Dotierstofferzeugung längs der Stabachse vorgenommen wird.
Ausführungsbeispiel: Zur Erzeugung einer n-Dotierung in einem Siliciumstab mit Phosphor als Dotierstoff wird für eine maximale Dotierungstiefe von ca. 30/um eine Bestrahlung mit 2 MeV Deuteronen, für eine maximale Dotierungstiefe von ca, 400/um eine Bestrahlung mit 10 MeY Deuteronen eingestellt.
Die Dotierstoffkonzentration berechnet sich wie folgt: Ein Siliciumstab von 50 mm ß wird auf 1 cm Länge mit 2,3 MeV Deuteronen 10 Minuten lang pro cm2 Mantelfläche bestrahlt.
Der Deuteronenfluß beträgt 1.1C14 cm 2.s. 4 Nach homogener Verteilung der gebildeten 2,8.10¹¹ Atome Phosphor in das Stabvolumen unter der bestrahlten Mantelfläche ergibt sich eine Phosphorkonzentration von ungefähr 1,4.101° Atome/ cm In der Figur ist eine Anordnung dargestellt) mittels welcher das Dotierungsmaterial durch Kernumwandlung des Siliciums mit geladenen Teilchen in dünnen Oberflächenschichten erzeugt wird. Dabei ist ein mit einer Stabhalterung 2 versehener Rezipient 3 dargestellt, der mit einer Deuteronenquelle 4 gekoppelt ist. In dem Rezipienten 3 befindet sich ein senkrechtstehender, an seinem unteren Ende in die Halterung 2 eingespannter, axial verschiebbarer und um seine Längsachse drehbarer (sO PfeileS), noch undotierter Siliciumstab 6. Die Erzeugung des Dotierstoffes, zOB.
Phosphor, erfolgt in der Weise, daß der rotierende Siliciumstab 6 am ruhenden, in der Deuteronenquelle 4 erzeugten Deuteronenstnahl7 vorbeigezogen wird. Das Dotierungsprofil wird dann außen durch den Deuteronenfluß auch durch die Drehzahl und den Vorschub des Stabes bestimmt und kann entlang der Stabachse entsprechend einem gewünschten Programm variiert werden.
Der anschließende Zonenschmelzprozeß wird in bekannter Weise durchgeführt.
5 Patentansprüche 1 Figur.

Claims

Pat entansprüche

1. Verfahren zum gezielten und reproduzierbaren Einbringenvon Dotierungsmaterial in einen Halbleiterkristallstab, insbesondere in einen Siliciumeinkristallstab, durch tiegelfreies Zonenscinelzen des an seinen Enden senkrecht gehalterten ilalbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umgebenden Heizeinrichtung, bei dem vor dem Zonenschmelzen das Dotierungsmaterial entsprechend einem in Bezug auf die gewünschte Dotierungskonzentration vorgegebenen Programm in die oberflächennahe Schicht des Halbleiterstabes eingebracht und unter Verwendung der dotierten Oberflächenschicht als Dotierstoffquelle das Dotierungsmaterial durch das tiegelfreie Zonenschmelzen über den Querschnitt des - Halbleiterstabes vergleichmäßigt wird, nach Patent (Patentanineldung P 24.15.717.3 = VPA 74/1054), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Dotierungsmaterial durch Kernreaktionen in der oberflächennahen Schicht des Halbleiterstabes erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß bei Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial das Dotierungsmaterial durch Umwandlung von Siliolumatomen über radioaktive Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen oder erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -K e n n z e i chne t, daß bei Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial das Dotierungsmaterial durch Umwandlung von Siliciumatomen ohne radioaktive Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen oder erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Dotierungsmaterial durch vor den Kernreaktionen in die oberflächennahe Schicht eindiffundierte und/oder lonenimplantierte Fremdstoffe und deren Kernumwandlung gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als Premdstoff Germanium eindiffundiert und/oder ionenimplantiert wird, welches gemäß der Gleichung umgewandelt wird.