DE2519527B2 - Verfahren zum herstellen von homogen-phosphordotiertem einkristallinem silicium durch neutronenbestrahlung - Google Patents
Verfahren zum herstellen von homogen-phosphordotiertem einkristallinem silicium durch neutronenbestrahlungInfo
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Description
45
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von homogen-phosphordotiertem, einkristallinem Silicium
durch Neutronenbestrahlung ohne Nachiemperung des Kristallmaterials zur Ausheilung der durch die
Bestrahlung entstandenen Kristallgitterschäden.
Für die Herstellung von hochqualifizierten Halbleiterbauelementen werden Siliciunistäbe mit definiertem
Dotierstoffgehalt benötigt. Dabei soll der Dotierstoff entsprechend der gewünschten Dotierstoffkonzentration
möglichst homogen über das Stabvolumen in radialer und axialer Richtung verteilt sein.
Bei den in der Halbleitertechnik bekannten Verfahren wird der Dotierstoff entweder mittels eines Trägergasstromes
mit der gasförmigen Halbleiterverbindung vermischt auf den, durch Stromdurchgang erhitzten
Halbleiterkristallstab geblasen und dort thermisch zersetzt (C-Prozeß), oder mittels eines Trägergasstromes
während des tiegelfreien Zonenschmelzen direkt (,5
der Schmelzzope zugeführt. Bei letzterem Verfahren werden als Dotierstoffe die gut zu handhabenden, leicht
verdampfbaren Verbindungen von Bor und Phosphor verwendet Die Dosierung der Dotierstoffmenge wird
hier über Ventile geregelt. Ein großer Nachteil besteht darin, daß die für die Dosierung verwendeten Ventile
nicht genau arbeiten. Darunter leidet die Reproduzierbsrkeit
der Dotierung der so hergestellten Siliciumkristallstäbe. Außerdem liefern diese Verfahren and die
dazu verwendeten Vorrichtungen eine mehr oder weniger inhomogene Verteilung der Dotierstoffe.
Aus der DT-PS 12 14 789 ist ein Verfahren zum Herstellen von homogen n-dotierten Siliciumkristallkörpern
durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen entsprechend der Gleichungen
bekannt, bei dem die Dotierung erstmals homogen über
den Kristall eingestellt werden konnte. Der Siliciumkristallkörper
wird dabei so lange der Neutronenbestrahlung ausgesetzt, bis sich in ihm die gewünschte
Phosphormenge durch Kernumwandlung gebildet hat. Durch die Neutronenbestrahlung entstehen aber im
Kristallgitter Fehlstellen in Form von Deformationen, welche durch eine anschließende Wärmebehandlung
durch einen Temperprozeß wieder beseitigt werden müssen, bevor das dotierte Kristallmaterial zu Halbleiterbauelementen
weiterverarbeitet werden kann. Das bestrahlte Material muß also entsprechend der Intensität
der vorherigen Einwirkung im Neutronenreaktor in einem Temperofen so lange nachbehandelt werden, bis
der durch die Bestrahlung entstandene Schaden beseitigt ist und auch die auf Zwischengitterplätzen
sitzenden Phosphoratome in ihre Substitutionellen Stellungen zurückgeführt sind. Dies erfordert, wie aus
der DT-PS 12 14 789 zu entnehmen ist, Temperzeiten von etwa 24 Stunden bei 10000C.
Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg zur Herstellung von homogenphosphordotiertem Silicium
durch Neutronenbestrahlung und vermeidet den Temperprozeß dadurch, daß zunächst in bekannter Weise
durch das thermische Abscheideverfahren aus der Gasphase polykristallines Silicium hergestellt wird, daß
eine Probe des polykristallinen Silicium zur Messung der Leitfähigkeit des Ausgangsmateria's in den einkristallinen
Zustand übergeführt wird, daß aufgrund der gemessenen Leitfähigkeitswerte der Probe die zur
Erzielung der gewünschten Phosphorkonzentration erforderliche Neutronenbestrahlung in bezug auf Zeit,
Ort und Intensität der Strahlung berechnet wird, daß dann das polykristalline Silicium entsprechend der
berechneten Werte der Bestrahlung mit thermischen Neutronen ausgesetzt wird und daß im Anschluß an die
Bestrahlung das polykristalline, bestrahlte und dadurch phosphordotierte Silicium mit Hilfe eines Keimkristalls
in den einkristallinen Zustand übergeführt wird.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß zur Überführung des polykristallinen, dotierten Silicium in
den einkristallinen Zustand das Tiegelziehverfahren nach Czochralski oder aber auch der bekannte
tiegelfreie Zonenschmelzprozeß durchgeführt wird. Da bei diesen Prozessen das Kristallmatenal sowieso
geschmolzen und in den einkrista!l:nen Zustand mittels
eines Keimkristalls übergeführt wird, kann die bei den bekannten Verfahren erforderliche Temperung entfallen.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, das polykristalline Silicium aus der
Gasphase in Stabform herzustellen und dann die Stäbe
während der Neutronenbestrahlung im Reaktor in Rotation um ihre Längsachse zu versetzen. Dadurch
wird die Homogenisierung des durch Kernumwandlung erzeugten Dotierstoffes weiter begünstigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Dotierung des polykristallinen
Stabes im Reaktor zonenweise vorgenommen, wobei die Dotierungskonzentration über gesteuerte Hubbewegungzn
in bezug auf die Strahlungsquelle eingestellt wird. Als Strahlungsquelle wird z. B. ein mit einem
Neutronenleiter gebündelter Neutronenstrahl, der aus einem Kernreaktor herausgeführt wird, verwendet Die
gewünschte Dotierstoffkonzentration entlang des Stabes wird im wesentlichen durch die über den
Antriebsmechanismus auf die Stabhalterung übertragenen
gesteuerten Hubbewegungen eingestellt.
In der Figur ist eine Anordnung dargestellt, mittels
welcher das Dotierungsmaterial (Phosphor) durch Kernumwandlung des Siliciums mit thermischen Neutronen
erzeugt wird. Dabei ist ein mit einer Stabhalterung 2 versehener Rezipient 3 dargestellt, der mit einer
Neutronenquelle 4 gekoppelt ist Im Rezipienten 3 befindet sich ein senkrecht stehender, an seinem unteren
Ende in der Halterung 2 eingespannter, axialverschiebbarer und um seine Längsachse drehbarer (s. Pfeil 5).
noch undotierter, polykristalliner Siliciumstab 6, der zuvor durch Abscheidung von Silicium aus einer
Silicium enthaltenden gasförmigen Verbind'ing auf einer erhitzten Silicium-Seele hergestellt wurde. Die
Erzeugung der Phosphoratome im Stab 6 erfolgt in der Weise, daß der rotierende Siliciumstab 6 am ruhenden in
der Neutronenquelle 4 erzeugten Neutronenstrahl 7 vorbeigezogen wird.
Ausführungsbeispiel
Zur Erzielung eines spezifischen Widerstandes von 200 Ωαη η-Leitfähigkeit längs eines Siliciumkristallstabes
von 30 mm Durchmesser sind im polykristallinen ίο Siliciumstab im Reaktor folgende Parameter einzustellen:
Phosphorkonzentration: 200 Hern, entsprechend
2,6 ■ 1013 Atome cm J
is Therm. Neutronenfluß: 2· ΙΟ12 Neutronen cm--
is Therm. Neutronenfluß: 2· ΙΟ12 Neutronen cm--
Vorschub der Stabhalterung: 0,5 cm/h
Rotationsgesehwindigkeit
der Stabhalterung: 10 Umdrehungen pro
Stunde
Leitfähigkeit des Ausgangs-
materials (aufgrund der
Widerstandsanalyse): 2000 bis 3000 Qcm,
n-Typ
Bestrahlungszeit der jeweils
Bestrahlungszeit der jeweils
bestrahlten Zone: 20 Stunden
Für das anschließende Zonenschmelzen gelten die üblichen Bedingungen.
Hierzu ί Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen von homogen-phosphordotiertem, einkristallinem Silicium durch Neutronenbestrahlung
, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in bekannter Weise durch das
thermische Abscheideverfahren aus der Gasphase polykristallines Silicium hergestellt wird, daß eine
Probe des polykristallinen Silicium zur Messung der ,o
Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials in den einkristallinen Zustand übergeführt wird, daß aufgrund der
gemessenen Leitfähigkeitswerte der Probe die zur Erzielung der gewünschten Phosphorkonzentration
erforderliche Neutronenbestrahlung in bezug auf Zeit, Ort und Intensität der Strahlung berechnet
wird, daß dann das polykristalline Silicium entsprechend der berechneten Werte der Bestrahlung mit
thermischen Neutronen ausgesetzt wird und daß im Anschluß an die Bestrahlung das polykristalline,
bestrahlte und dadurch phosphordotierte Silicium mit Hilfe eines Keimkristalls in den einkristallinen
Zustand übergeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überführung in den einkristallinen
Zustand das Tiegelziehverfahren nach Czochralski durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überführung in den einkristallinen
Zustand das polykristalline, dotierte Silicium einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Silicium aus
der Gasphase in Stabforni hergestellt wird und daß die Stäbe während der Neutronenbestrahlurg im j_s
Reaktor in Rotation um ihre Längsachse versetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 .bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung des polykristallinen
Stabes im Reaktor zonenweise vorgenommen wird, wobei die Dotierungskonzentration über
gesteuerte Hubbewegungen des Stabes in bezug auf die Strahlungsquelle eingestellt wird.
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