DE2439430C2 - Verfahren zum Herstellen von homogen dotiertem Halbleitermaterial mit p-Leitfähigkeit - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von homogen dotiertem Halbleitermaterial mit p-Leitfähigkeit

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Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von homogendotiertem Halbleitermaterial, bei dem das zu dotierende Material einer Kernstrahlung ausgesetzt wird.
Die Dotierung von Halbleitermaterial erfolgt im allgemeinen, z. B. bei Silicium, beim Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase mittels thermischer und/oder pyrolytischer Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Siliciums am erhitzten Trägerkörper des gleichen Materials. Dabei werden Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Siliciums beigemischt und am Trägerkörper mitzersetzt. Die so hergestellten Siliciumsläbe sind polykristallin und müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand übergeführt werden. Dabei ändert sich oft die Dotierstoffkonzentration in unkontrollierbarer Weise und es müssen sehr viel höhere Dotierstoffkonzentrationen eingesetzt werden, damit die gewünschte Dotierstoffkonzentration im Endprodukt noch vorhanden ist.
Germanium wird meist durch das Tiegelziehverfahren nach Czochralski hergestellt. Dabei wird ein Keimkristall in die mit der Dotierung versetzte Schmelze, welche sich in einem Tiegel befindet, eingetaucht und ein Einkristallstab aus der Schmetae gezogen. Auch hier tritt der Effekt auf, daß der Dotierstoff in unkontrollierbarer Weise während des Kristallzüchtungsprozesses abdampft.
Bei A'"BV-Verbindungen. z. B. bei Galliumarsenid oder Galliumphosphid, erfolgt die Dotierung ebenfalls aus der in einem Tiegel oder Boot befindlichen Schmelze.
Diese Dotierstoffverfahren sind zeitraubend und ungenau. Als Folge davon können die aus diesem Halbleitermaterial hergestellten Bauelemente bezüglich ihrer elektrischen Parameter nicht ihre optimalen Kenndaten erhalten»
Die Aufgabe, die der vorliegenden Patentanmeldung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, ein Verfahren anzugeben, mit welchem es möglich ist, auf einfache und rationelle Weise ein über die Stablänge und den Stabquerschnitt homogene p-Dotierung im Halbleiterkristall, unabhängig von dem Stabdurchmesser, einzustellen. Dabei soll auch insbesondere sehr hochohmiges Halbleitermaterial hergestellt werden. Dies war bislang nach den herkömmlichen Verfahren mit engen radialen und axialen Widerstandstoleranzen nur schwer realisierbar.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in der Weise, daß das zu dotierende Material einer Bezahlung mit γ-Photonen ausgesetzt wird.
Zu bedenken ist, daß die erfindungsgemäße Dotierung mittels y-Photonen nicht mit der bekannten Neutronendotierung verglichen werden kann, da die entsprechenden Wirkungsquerschnitte für y-Strahlen erheblich geringer sind als die Wirkungsquerschnitte für Neutronen. Infolgedessen müssen z. B. sehr hohe Photonenfluenzen angewendet werden, die aber eine hohe Dichte von Kristallgitterstörungen hinterlassen, deren Ausheilungsmöglichkeiten zum Anmeldungszeitpunkt unbekannt waren.
Ferner sind y-Strahlen im Gegensatz zu Neutronenstrahlen richtungsbestimmt und weisen geringere Eindringtiefen als Neutronen auf. Von der physikalischtechnischen Seite lag es daher zum Anmeldungszeitpunkt dem Fachmann nicht nahe zum Erzielen homogener Halbleiterdotierungen anstelle von Neutronenstrahlen y-Strahlen zu verwenden.
Insbesondere werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren p-dotiertes Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder Galliumphosphid erhalten. Durch Bestrahlung des Siliciums mit /-Photonen entsteht gemäß der Kernreaktion
28Si(^p)-27AI
aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen Isotop 28Si das stabile Isotop 27AI, welches die p-Dotierung bewirkt.
Durch Bestrahlung mit y-Photonen gemäß der Kernreaktion
70Ge (y, n) 69Ge
69Ga
entsteht aus dem in Germanium vorhandenen natürlichen Isotop 70Ge das instabile Isotop 69Ge, das sich unter K-Einfang in das stabile Isotop 69Ga umwandelt, welches die p-Dotierung bewirkt.
Durch Bestrahlung von Galliumarsenid oder Galliumphosphid oder Galliumarsenidphosphid mit y-Photonen entsteht gemäß der Kernreaktion
fiqGa (y, n) 68Ga
"Zn
aus dem stabilen Isotop MGa das instabile Isotop 68Ga, wobei Neutronen abgegeben werden. 68Ga ist ein ^ + -Strahler und wandelt sich mit einer Halbwertszeit von 1,14 Stunden in das stabile Isotop 68Zn um. welches die p-Dotierung bewirkt.
Die Dotierungskonzentration ist abhängig von o'er Zeitdauer der Einwirkung der y-Bestrahlung und dem Photonenstrom pro Flächeneinheit (Photonenstromdiehte). Das Produkt aus beiden Größen wird als Fluenz bezeichnet.
So wird beispielsweise in einem Germaniumstab mit einem spezifischen Widerstand von 47 Sicm (Eigenleitung bei 3000K) der gewünschte Widerstand 8,75 Hern p-Typ wie folgt eingestellt:
Ein 35 MeV-Elektronenstrahl von 100 μΑ Stromdichte trifft auf ein 0,6 cm dickes Wolframtarget Die Bremsstrahlung löst im Germanium folgende Kernreaktionen aus:
1. 76Ge (y, n) 75Ge
2. 70Ge (y, n) 69Ge
>\n
= 38 h
75As (stabil)
69Ga (stabil)
Bei einer Einwirkungsdauer von 10 Min. und nach vollständigem Zerfall der radioaktiven Isotope liegen im Germanium unter der bestrahlten Fläche folgende Dotierstoffkonzentrationen vor:
1. 1,14 - 10'2 Atome As/cm3
2 2,11 · 10l2AtomeGa/cm3
Da As zur n-Dotierung, Ga zur p-Dotierung führt verbleiben nach Kompensation rrch 9,7 -10" Atome · cm-3 zur p-Dotierung. Im obigen Beispiel ist folgende Dotierstofferzeugung notwendig:
Ausgangswert
Zielwert
zu erzeugen
2,4 · 10» cm-3 = 47Ωατι
2,75 · 10Mcm-3 = 8,75 Ωαη
2,56 · I0l4cm-3
Die Bestrahlungsdauer beträgt dann rund 44 Stunden, Die für die Durchführung der Bestrahlung notwendigen Vorrichtungen sind bekannt Man verwendet dazu beispielsweise van de Graaff-Generatoren, Zyklotrone,
Linearbeschleuniger oder Kernreaktoren,
In einer Weiterbildung des Erfindergedankens ist vorgesehen, daß zur Ausheilung möglicher Kristallgitterschäden durch die y-Strahlung die bestrahlten Halbleiterkristalle mindestens eine Stunde bei Temperaturen oberhalb 500" C getempert werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise bei Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial im Siliciumrohr. Dieser Prozeß kann jedoch entfallen, wenn das Halbleitermaterial zu Bauelementen weiterverarbeitet wird und bei der Weiterverarbeitung Hochtemperaturprozesse durchgefOhrt werden müssen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Bestrahlung mit y-Photonen an einem Halbleitermaterialstab vorgenommen, wobei der Halbleiterkristallstab während der Bestrahlung in Umdrehungen um seine Längsachse versetzt wird. Beispielsweise wird ais Ausgangsmateria! ein polykristallinen Siliciumstab mit einer Länge von 900 mm und einem Durchmesser von 35 mm verwendet Dieser Stab wird im Vakuum zonengeschmolzen und anschließend oder gleichzeitig wird ein Keimkristall mit einer (111 ^Orientierung angeschmolzen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Möglichkeit gegeben. Silicium-, Germanium- und Galliumarsenid- oder Galliumarsenidphosphidkristalle mit einer homogenen p-Dotierung zu versehen. Diese Kristalle werden insbesondere verwendet für die Herstellung elektronischer Halbleiterbauelemente.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten Dotierverfahren ergeben sich eindeutig durch die größere Homogenität der Dotierstoffkonzentration im Kristall und durch die Vermeidung von Hochtemperaturprozessen und deren negative Folgen.

Claims (6)

Patentansprüche;
1. Verfahren zum Herstellen von homogendotiertem Halbleitermaterial, bei dem das zu dotierende Material einer Kernstrahlung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Halbleitermaterial mit p-Leitfähigkeit das zu dotierende Material einer Bestrahlung mit y-Photonen ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder Galliumphosphid mit y-Photonen bestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration durch die Zeitdauer der Bestrahlung und den y-Photonenstrom pro Flächeneinheit eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausheilung von Kristallgitterschäden die bestrahlten Halbleiterkristalle mindestens eine Stunde bei Temperaturen oberhalb 500° C getempert werden.
5. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestrahlung eines Halbleiterstabs dieser um seine Längsachse gedreht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestrahlung von Halbleiterkristallscheiben mit dem Photonenstrahl ein x-J^Scanning erfolgt.
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