DE2436490C3

DE2436490C3 - Verfahren zur Phosphor-Dotierung von schwach n-leitenden Siliciumkör-

Info

Publication number: DE2436490C3
Application number: DE19742436490
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Phys. Dr. 4785 Belecke Sommer; Alois Dipl.- Phys. 4771 Muelheim Sonntag
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1974-07-29
Filing date: 1974-07-29
Publication date: 1978-12-07
Also published as: DE2436490A1; DE2436490B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phosphor-Dotierung von schwach η-leitenden Siliciumkörpern durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen und anschließendes Erhitzen auf über 1000⁰C.

Unter den in der Praxis verwendeten Halbleiterstoffen spielt das Silicium eine führende Rolle. Um es in einen Halbleiterkörper vom n-Leitungstyp umzuwandeln, werden üblicherweise in den meisten Fällen als Donatoren Elemente der V. Gruppe des Periodensystems der Elemente, wie Phosphor, Arsen oder Antimon verwendet. Unter ihnen kommt dem Phosphor besondere Bedeutung zu, weshalb die Dotierung des Siliciums mit Phosphor in der Halbleitertechnologie einen sehr wichtigen Arbeitsschritt darstellt.

Das Verfahren der Dotierung mit Hilfe einer Atomkernumwandlung durch thermische Neutronen zeichnet sich durch eine besonders hohe Homogenität und Gleichmäßigkeit der Störstellenverteilung — und zwar auch innerer Bereiche — aus, weil das für die spätere Dotierung nach seiner Umwandlung maßgebliche Siliciumisotop völlig homogen in dem Ausgangsmaterial verteilt ist und ebenso der Neutronenfluß den Siliciumkörper völlig gleichmäßig durchstrahlt.

Dabei wirkt sich vorteilhaft aus, daß Inhomogenitäten des Ausgangsmaterials die Eigenschaften des fertigen Bauelementes nicht mehr beeinträchtigen.

Werden aber örtliche Inhomogenitäten vermieden, lassen sich auch deren nachteilige Folgen verhindern. Daher treten zum Beispiel im Sperrbetrieb eines Bauelementes keine überhöhten örtlichen Sperrstromdichten — sogenannte hot spots — und keine örtlichen Durchschläge mehr an solchen Stellen auf, an denen der spezifische Widerstand zu niedrig ist. Da der Sperrstrom von der gesamten Fläche gleichmäßig geführt wird, führt auch eine Stoßspannungsbeanspruchung nicht gleich zu einer Zerstörung des Bauelementes. Ebenso wird das örtliche Auftreten des »punch throughw-Effektes vermieden, der zum Beispiel bei Thyristoren auf Stellen mit zu geringer Dotierung zurückzuführen ist. Wenn aber ein Auftreten des »punch through«-Effektes nicht mehr zu befürchten ist, kann in vorteilhafter Weise auch auf eine Überdimensionierung der Siliciumscheiben verzichtet werden. Dies bedeutet, daß bei einer Dotierung mit Hilfe einer Atomkernumwandlung dünnere Siliciumscheiben als bisher verwendet werden können, was den weiteren Vorteil der Verringerung der Durchlaßverluste zur Folge hat. Außerdem lassen dünnere .Siliciumscheiben kürzere Freiwerdezeiten bei Thyristoren zu; das heißt also, daß man bessere Frequenzthyristoren erhält Schließlich lassen sich auch noch über die leicht und genau einzustellende Bestrahlungszeit genaue Werte einer vorgegebenen Dotierungskonzentration erreichen und einhaken und das Verfahren der Kristallherstellung insgesamt vereinfachen.

Diesen zahlreichen Vorteilen einer Bestrahlung mit Neutronen steht als Nachteil entgegen, daß als Folge

Ό der Bestrahlung im Siliciumkristall Gitterstörungen in Form von Leerstellen und Zwischengitterplätzen entstehen. Diese Schaden müssen ausgeheilt werden, bevor die Siliciumscheiben den weiteren Behandlungen zugeführt werden können. Es ist an sich bekannt, daß die Gitterstörungen durch eine Temperung bei Temperaturen von etwa 450 und 560°C während einer Dauer bis zu etwa 24 h ausgeheilt werden. Andererseits muß als Folge einer solchen Temperung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen als besonders nachteilig angesehen werden, daß sich eine auf die Temperung folgende Galliumdiffusion nicht mehr erfolgreich durchführen läßt, da offensichtlich durch Leerstellenanhäufungen, die später nicht mehr ausheilen, die Eindiffusion von p-Leitung hervorrufenden Störstellen, wie Gallium, zu sehr erleichtert wird und es dann zu einer örtlichen Anhäufung der Störstellenatome kommt.

Aus der US-PS 30 76 732 ist bekannt geworden, die

Temperbehandlung mit steigenden Temperaturen bis auf 1200⁰C durchzuführen, um eine Ausheilung der Strahlenschäden zu bewirken. Bei diesem Verfahren wird zwar die Mehrzahl der kleinen Punktfehler beseitigt, was sich etwa in der Änderung des spezifischen Widerstandes ausdrückt. Zugleich kann es aber bei dieser Temperbehandlung zu einer Anhäufung der großen Punktfehler kommen, die als Ursache für das verschlechterte Sperrvermögen bei einer an die Temperung anschließenden Galliumdiffusion anzusehen sind.

Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß als Folge der Neutronenbestrahlung sogenannte Frenkel-Paare oder Frenkel-Defekte gebildet werden, das heißt, daß einerseits Leerstellen erzeugt und zum andern Zwischengitterplätze besetzt werden. Wenn diese Frenkel-Paare einer Temperung unterzogen werden, kommt es wegen der von der Temperatur abhängigen Beweglichkeit der Zwischengitteratome und Leerstellen einerseits und wegen der unterschiedlichen Beweglichkeit der Zwischengitteratome und Leerstellen andererseits nicht zu einem Ausgleich der Leerstellen und Zwischengitteratome, sondern zu einer Aggregation von Punktfehlern einer Art, indem sich sowohl die Leerstellen untereinander als auch die Zwischengitteratome untereinander zu größeren Kristallfehleranhäufungen zusammenschließen, wobei die Aggregation der Zwischengitteratome schneller als die der Leerstellen verläuft.

Sind solche Defekt-Aggregationen einmal entstanden, lassen sie sich auch mit einer Hochtemperaturtemperung nicht mehr ausheilen. Daher ist es dann auch nicht mehr möglich, eine Anhäufung von Elementen der III. Gruppe des Periodensystems der Elemente, wie etwa des Galliums, an Leerstellenanhäufungen im Kristallgitter zu verhindern, wenn diese Elemente nach einer solchen Temperbehandlung in den Halbleiterkör-

''ί per eindiffundiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren zum homogenen Dotieren eines Siliciumhalbleiterkörpers mit Phosphor durch Bestrahlung mit thermischen

Neutronen und anschließender Temperung zur Ausheilung der Strahlungsschäden eine nachfolgende Diffusion eines Elementes der III. Gruppe des Periodensystems der Elemente, z. B. Gallium, erfolgreich durchzuführen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Phosphor-Dotierung von schwach η-leitenden Siliciumkörpern durch Bestrahlen mit thermischen Neutronen und anschließendes Erhitzen auf über 1000° C erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Siliciumkörper in weniger als zwei Stunden auf Temperaturen von über 1000° C gebracht werden.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Siliciumkörper innerhalb von weniger als 30 Minuten auf Temperaturen über 1000° C erwärmt werden. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, die Siliciumkörper auf Temperaturen über 1200° C zu bringen.

Vor dieser Temperung werden die Siliciumscheiben zunächst einmal den in Zusammenhang mit der Bestrahlung stehenden Arbeitsschritten unterworfen. Aus einem größeren Siliciumhalbleiterkörper mit entsprechend geringer Nettodotierung werden Scheiben, etwa durch Sägen, abgeteilt. Sie werden zunächst geläppt und einer gründlichen Reinigung durch Abkochen in Königswasser und einer Ultraschallbehandlung unterzogen, sodann beispielsweise in Stapeln von etwa 10 cm Länge, das heißt also bis zu einigen hundert Stück in möglichst reine Aluminiumfolie (99,9% Al) verpackt oder in eine evakuierte Quarzampulle eingeschmolzen. Die Stapel der Siliciumscheiben werden nun mit der Verpackung einem Kernreaktor zugeführt und mit der vorgesehenen Dosis an thermischen Neutronen bestrahlt, wobei sowohl eine sogenannte incore-Bestrahlung, das heißt eine Bestrahlung zwischen den Uran-Brennelementen bei hohen Neutronenflußdichten, als auch eine Bestrahlung in » einer thermischen Säule mit moderierten Neutronen bei geringen Neustronenflußdichten möglich sind. Als Folge der Bestrahlung wird ein Teil der Siliciumatome, die als Isotop mit der Massenzahi 30 vorliegen, in Phosphor umgewandelt. Für p-leitende Siliciumscheiben mit einem spezifischen Widerstand von ρ = 8000 Ω cm benötigt man beispielsweise bei einer Neutronentlußdichte von 5 - 10^l3n/cm²s eine Bestrahlungszeit von 94,6 min, um sie in η-leitende Siliciumscheiben mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ω cm umzuwandeln. Die Bestrahlungszeiten liegen somit in einem Bereich, in dem sie gut gemessen und kontrolliert werden können, um eine genaue Einstellung der Dotierungskonzentration zu gewährleisten, sie sind andererseits so kurz, daß sie nur einen Bruchteil der sonst für Dotierungen üblichen Diffusionszeiten betragen, weshalb das Verfahren vorteilhaft bei einem technischen Fertigungsprogramm eingesetzt werden kann.

Da bei der Atomkernumwandlung ein radioaktives Isotop entsteht, — neben einer ^-Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 h wird y-Strahlung frei — _f werden die Siliciumscheiben erst nach dem Abklingen dieser Radioaktivität weiterverarbeitet. Die als Folge der Bestrahlung im Siüciumkristall entstandenen Gitterstörungen werden danach nach dem oben beschriebenen Temperverfahren gemäß der Erfindung ausgeheilt, und schließlich werden die Siliciumscheiben einer Galliumdiffusion unterzogen.

Die Galliumdiffusion kann in Kombination mit der beschriebenen Hochtemperaturtemperung zum Zwekke der Ausheilung der Strahlenschäden erfolgen. Hierzu werden die Siliciumscheiben nach dem Abklingen der Radioaktivität erneut gereinigt und danach zusammen mit dem als weiteren Dotierstoff benutzten Gallium — gegebenenfalls unter Zufügung eines Schutzgases — in eine Quarzampulle eingeschmolzen und innerhalb von 1 bis 2 h in einem Diffusionsofen auf die Diffusionstemperatur von 1250°C gebracht, wobei das Gallium in die Oberfläche der Siliciumscheiben eindringt und gleichzeitig die Ausheilung der Strahlenschäden gesichert wird. Die weitere Bearbeitung der Siliciumscheiben entspricht den bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Phosphor-Dotierung von schwach η-leitenden Siliciumkörpern durch Bestrahlen mit thermischen Neutronen und anschließendes Erhitzen auf über 1000⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumkörper in weniger als zwei Stunden auf Temperaturen von über 1000⁰C gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumkörper in weniger als 30 Minuten auf Temperaturen von über 1000⁰C gebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumkörper auf Temperaturen über 1200° C gebracht werden.