DE2519663A1

DE2519663A1 - Directly heated silicon tubes for semiconductor techniques - produced by doping silicon by bombardment with neutrons or protons

Info

Publication number: DE2519663A1
Application number: DE19752519663
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Chem Dr Dietze
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-05-02
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1976-11-11

Abstract

Prodn. of directly heated silicon tubes or use in high-temp. processes in semiconductor techniques, by depositing silicon from the gas phase onto the surface of a heated supporting body, which is subsequently removed and by doping the silicon tube, is improved by doping the tube by a nuclear reaction; pref. by converting some Si atoms into P atoms by bombardment with thermal neutrons (m-doping), or by converting some Si atoms into Al atoms by combardment with protons (p-doping). By this method, contamination of silicon during the doping by unwanted substances is prevented. The tubes are used in the diffusion-doping of silicon wafers.

Description

Verfahren zum Herstellen von direkt-beheizbaren Siliciumrohren.Process for the production of directly heatable silicon tubes.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von direktbeheizbaren Siliciumrohren, welche für Hochtemperaturprozesse in der Halbleitertechnik verwendet werden un2 durch Abscheiden von Silicium aus der Gasphase auf die Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers und anschließendes Entfe ien des Trägerkörpers hergestellt werden und bei dem das Siliciumrohr mit einer Dotierung versehen wird.The invention relates to a method for producing directly heatable Silicon tubes, which are used for high-temperature processes in semiconductor technology are un2 by depositing silicon from the gas phase on the surface of a heated carrier body and subsequent defection of the carrier body produced and in which the silicon tube is doped.

Aus der DU-OS 1 933 128 ist eine Anordnung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial bekannt, bei dem als Diffusionsbehälter ein Rohr aus kristallinem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, verwendet wird, welches durch Anlegen einer Spannung direkt oder mittels Hochfrequenzenergie beheizt werden kann. Das als Heizkörper dienende Siliciumrohr kann an seinen beiden Enden mit Elektroden versehen oder von einer Induktionsheizspule umgeben sein. Um bei Induktionsheizung ein Anheizen des Rohres zu erleichtern, wird auf dem Rohr ein Ring aus gut leitendem Material, z.B. aus Graphit, aufgebracht. Wird das Rohr durch Anlegen einer Spannung direkt beheizt, so ist die Spannung zur Erreichung der fur die Diffusion notwendigen Temperatur außer von den Abmessungen des Rohres von der Beitfähigkeit des Siliciums abhangig. Es ist deshalb in der obengenannten Offenlegungsschrift vorgeschlagen worden, fur das Diffusionsrohr relativ billig herzustellendes hochdotiertes Silicium zu verwenden, damit die beim Einleiten des Anheizvorgangs notwendige Spannung relativ gering sein kann. Bei Erreichen einer bestimmten Anheiztemperatur wird die Leitfähigkeit des Rohres dann von der Dotierung des Silicium unabhängig und ist aufgrund seiner E-igenle.itung im wesentlichen von den Abmessungen des Rohres abhängig.From the DU-OS 1 933 128 an arrangement for the diffusion of Dopants in a semiconductor material known as the diffusion container a tube made of crystalline semiconductor material, in particular made of silicon, is used which is achieved by applying a voltage directly or by means of high-frequency energy can be heated. The silicon tube serving as a heating element can be attached to both of them Ends with electrodes or be surrounded by an induction heating coil. Around In the case of induction heating, it is easier to heat up the pipe on the pipe a ring made of a highly conductive material, e.g. graphite, is applied. Will the pipe directly heated by applying a voltage, the voltage is to be achieved the temperature necessary for the diffusion apart from the dimensions of the pipe depends on the capacity of silicon. It is therefore in the above Published patent application has been proposed to be relatively cheap for the diffusion tube to use highly doped silicon to be produced so that the Initiate the voltage required for the heating process can be relatively low. Upon reaching a The conductivity of the pipe is then determined by the doping at a certain heating temperature of silicon and, due to its properties, is essentially of depending on the dimensions of the pipe.

Durch die Gasphasenabscheidung zur Herstellung eines Diffusionsrohres, wie es beispielsweise aus der DT-PS 1 805 970 bekannt ist, bei der Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, aus einer gasförmigen Halbleiterverbindung auf der Außenfläche eines Trägerkörpers, z.B. aus Graphit, niedergeschlagen und der Trägerkörper ohne Zerstörung der Halbleitermaterialschicht entfernt wird, ist die Herstellung reinster und gasdichter Rohre aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, möglich geworden. Ein Aufheizen durch direkten Stromdurchgang ist bei solchen hochreinen Rohren nur bei entsprechender Vorheizung möglich. Through the gas phase deposition for the production of a diffusion tube, as it is known, for example, from DT-PS 1 805 970, in the case of semiconductor material, in particular silicon, from a gaseous semiconductor compound on the outer surface a support body, e.g. made of graphite, is deposited and the support body without Destruction of the semiconductor material layer is removed, the production is purest and gas-tight tubes made of semiconductor material, in particular made of silicon, are possible become. Heating up through direct passage of current is highly pure in such Pipes only possible with appropriate preheating.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, ein solches Rohr zum Zwecke der direkten Beheizung mit einer homogenen Dotierung zu versehen, wobei gewährleistet ist, daß keine die spätere Diffusion störenden Verunreinigungen in das Rohrmaterial eingeschleppt werden können. The present invention is therefore the task of such To provide the tube with a homogeneous doping for the purpose of direct heating, it is ensured that there are no impurities which would interfere with the later diffusion can be dragged into the pipe material.

Nun ist aus der DU-PS 1 214 789 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 solange der Neutronenbestrahlung ausgesetzt, bis sich in ihm die gewünschte Phosphormenge durch Kernumwandlung gebildet hat.Now, from the DU-PS 1 214 789 a method for the production of homogeneously n-doped silicon crystal bodies by irradiation with thermal neutrons according to the equations known, in which the doping could be adjusted homogeneously over the crystal for the first time. The silicon crystal body is exposed to the neutron radiation until the desired amount of phosphorus has formed in it through nuclear transformation.

Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zu nutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung eines dotierten Siliciumrohres dadurch, daß die Dotierung durch Kernreaktionen im Silicium gebildet wird. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Dotierung durch Umwandlung von Siliciumatome in Phosphoratome durch Bestrahlung des Siliciumrohres mit thermischen Neutronen über radio aktive Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen gebildet wird. Dadurch erhält man ein Siliciumrohr mit n-dotiertem Material.The invention makes use of this knowledge and solves the stated problem of producing a doped silicon tube in that the doping is formed by nuclear reactions in the silicon. It is within the scope of the invention that the doping by converting silicon atoms into phosphorus atoms by irradiating the silicon tube with thermal neutrons via radioactive intermediate stages according to the equations is formed. This gives a silicon tube with n-doped material.

Es ist aber ebenso möglich, eine p-Dotierung zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, die Dotierung durch Umwandlung von Siliciumatome in Aluminiumatome durch Bestrahlung des Siliciumrohres mit Protonen ohne radioaktive Zwischenstufen entsprechend der Gleichung zu bilden.However, it is also possible to generate p-doping. For this purpose, a further development of the concept of the invention provides for doping by converting silicon atoms into aluminum atoms by irradiating the silicon tube with protons without radioactive intermediate stages in accordance with the equation to build.

Gemäß der ersten beiden Gleichungen entsteht durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen unter Abgabe von Gamma-Strahlung aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen Isotop 30Si das instabile Isotop 31Si, welches unter Aussendung von Beta-Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile 31P(Phosphor)-Isotop übergeht.According to the first two equations, irradiation with thermal neutrons emitting gamma radiation from that present in silicon natural isotope 30Si the unstable isotope 31Si, which emits Beta radiation with a half-life of 2.62 hours into the stable 31P (phosphorus) isotope transforms.

Gemäß der zweiten Gleichung entsteht durch Bestrahlung mit Protonen aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen Isotop 30Si unter Aussendung von Alpha-Strahlung das stabile Isotop 27Al (Aluminium), welches eine p-Dotierung im Silicium zur Folge hat.According to the second equation arises from irradiation with protons from the natural isotope 30Si present in silicon with the emission of alpha radiation the stable isotope 27Al (aluminum), which results in p-doping in silicon Has.

Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Dotierung nur in der oberflächennahen Schicht der Außenmantelfläche des Siliciumrohres zu erzeugen. Dadurch wird erreicht, daß der Innenraum des Rohres aus einem hochreinen Silicium, wie es nur durch die Gasphasenabscheidung anfällt, erhalten bleibt.The doping is also within the scope of the present invention only in the layer near the surface of the outer jacket surface of the silicon tube produce. This ensures that the interior of the tube consists of a highly pure Silicon, which is only obtained through vapor deposition, is retained.

Eine weitere Möglichkeit einer nur teilweisen Dotierung bietet sich dadurch an, daß gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung das Siliciumrohr nur in einem, über seine Außenmantelfläche sich erstreckenden, streifenförmigen Bereich dotiert wird. Dies wird erreicht, indem bei der Bestrahlung mit thermischen Neutronen oder Protonen mit entsprechenden Absorberblenden (für Neutronen aus Kadmiumblech) gearbeitet wird.Another possibility of only partial doping is offered characterized in that according to an embodiment according to the teaching of the invention Silicon tube only in a strip-shaped form extending over its outer jacket surface Area is doped. This is achieved by using thermal irradiation Neutrons or protons with appropriate absorber diaphragms (for neutrons made from cadmium sheet) is being worked on.

Da durch die Bestrahlung des Siliciumrohres im Reaktor im Kristallmaterial Gitterstörungen in Form von Deformationen auftreten und auch die durch die Bestrahlung erzeugten Dotierstoffatome auf Zwischengitterplätze wandern können, ist durch die Lehre der Erfindung vorgesehen, einen Temperprozeß an die Bestrahlung anzuschließen, welcher bei Temperaturen größer als 10000C durchgeführt wird und durch direkten Stromdurchgang des Siliciumrohrs (Anlegen einer Spannung an den an den Rohrenden angebrachten Elektroden) vorgenommen werden kann.Because of the irradiation of the silicon tube in the reactor in the crystal material Lattice disturbances occur in the form of deformations and also those caused by the irradiation Dopant atoms generated can migrate to interstitial sites is through the Teaching of the invention provided to connect a tempering process to the irradiation, which is carried out at temperatures greater than 10000C and by direct Current passage of the silicon tube (application of a voltage to the ends of the tube attached electrodes).

Dieser Temperprozeß kann aber entfallen, weil das dotierte Siliciumrohr sowieso laufend einer Hochtemperaturbehandlung ausgesetzt wird, wenn es für Diffusions- oder Temperprozesse in der Halbleitertechnik eingesetzt wird.This tempering process can be omitted because the doped silicon tube is exposed to high-temperature treatment anyway, if it is necessary for diffusion or annealing processes are used in semiconductor technology.

Als Strahlungsquellen zur Erzeugung der Kernreaktionen werden die üblichen Kernreaktoren, Teilchenbeschleuniger oder Radionuklidquellen in bekannter Weise verwendet.The radiation sources used to generate the nuclear reactions are usual nuclear reactors, particle accelerators or radionuclide sources in known Way used.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels und der in der Zeichnung dargestellten Figur noch näher erläutert werden. The method according to the teaching of the invention is intended to be based on an exemplary embodiment and the figure shown in the drawing will be explained in more detail.

In der Figur ist eine Anordnung dargestellt, mittels welcher das Dotierungsmaterial durch Kernumwandlung des Silicium mit thermischen Neutronen im Siliciumrohr erzeugt wird. Dabei ist ein mit einer Stabhalterung 2 versehener Rezipient 3 dargestellt, der mit einer Neutronenquelle 4 gekoppelt ist. In dem Rezipienten 3 befindet sich ein senkrechtstehendes, an seinem unteren Ende in die Halterung 2 eingespanntes, axial verschiebbares und um seine Längsachse drehbares (siehe Pfeile 5), undotiertes Siliciumrohr 6. Das Siliciumrohr wurde durch Gasphasenabscheidung von Silicium auf einem erhitzten Graphitträgerkörper hergestellt. Die Erzeugung des Dotierstoffes Phosphor erfolgt in der Weise, daß das rotierende Siliciumrohr 6 am ruhenden, in der Neutronenquelle 4 erzeugten Neutronenstrahl 7 vorbeigezogen wird. Die Dotierung wird außer durch den Neutronenfluß auch durch die Drehzahl und den Vorschub der Rohrhalterung bestimmt. The figure shows an arrangement by means of which the Doping material through nuclear transformation of silicon with thermal neutrons in the Silicon tube is produced. Here is a recipient provided with a rod holder 2 3, which is coupled to a neutron source 4. In the recipient 3 is a vertical one, at its lower end in the holder 2 clamped, axially displaceable and rotatable about its longitudinal axis (see arrows 5), undoped silicon tube 6. The silicon tube was vapor deposited made of silicon on a heated graphite support body. The production the dopant phosphorus takes place in such a way that the rotating silicon tube 6 passed the stationary neutron beam 7 generated in the neutron source 4 will. The doping is not only due to the neutron flux but also due to the speed and determines the advance of the pipe holder.

Ausführungsbeispiel: Zur Erzielung eines spezifischen Widerstandes von 0,2 Ohm.cm n-Leitfähigkeit längs eines Siliciumrohres von 5 mm Wandstärke sind im Reaktor folgende Parameter einzustellen: Phosphorkonzentration: 0,2 Ohm.cm, entsprechend 3,6 1016 Atome/cm³ Therm. Neutronenfluß: 5 .1014 Neutronen cm-2s-1 Vorschub der Stabhalterung: 0,1 cm/h Rotationsgeschwindigkeit der Stabhalterung: 10 Umdrehungen pro Stunde Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials: 200 - 300 Ohm.cm n-Typ Bestrahlungszeit der jeweils bestrahlten Zone: 100 Stunden Zur Erzielung einer p-Leitfähigkeit im Siliciumrohr durch Kernumwandlung kann die gleiche Anordnung wie in der Figur dargestellt verwendet werden. Anstelle der Neutronenquelle ist eine Protonenquelle an den Rezipienten angekoppelt. Exemplary embodiment: To achieve a specific resistance of 0.2 Ohm.cm n-conductivity along a silicon tube with a wall thickness of 5 mm set the following parameters in the reactor: Phosphorus concentration: 0.2 Ohm.cm, accordingly 3.6 1016 atoms / cm³ Therm. Neutron flux: 5,1014 neutrons cm-2s-1 advance of the Rod holder: 0.1 cm / h Rod holder rotation speed: 10 revolutions per hour Conductivity of the starting material: 200 - 300 Ohm.cm n-type irradiation time of each irradiated zone: 100 hours To achieve a p-type conductivity in the silicon tube by nuclear transformation can have the same arrangement can be used as shown in the figure. Instead of the neutron source is a proton source coupled to the recipient.

Soll nur ein streifenförmiger Bereich von dem Siliciumrohr dotiert werden, so wird das Rohr im Rezipienten nicht gedreht und die restliche Mantelfläche mit einem Kadmiumblech (bei Bestrahlung mit thermischen Neutronen) abgedeckt.Should only a strip-shaped area be doped by the silicon tube the tube is not rotated in the recipient and the rest of the surface area covered with a cadmium sheet (when irradiated with thermal neutrons).

1 Figur 8 Patentansprüche1 Figure 8 claims

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Process for the production of directly heatable Silicon tubes, which are used for high-temperature processes in semiconductor technology and by depositing silicon from the gas phase onto the surface of a heated carrier body and subsequent removal of the carrier body produced and in which the silicon tube is provided with a doping, d a d u r it is noted that doping occurs through nuclear reactions in silicon is formed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the doping by converting silicon atoms into phosphorus atoms by irradiating the silicon tube with thermal neutrons via radioactive intermediate stages according to the equations is formed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the doping by converting silicon atoms into aluminum atoms by irradiating the silicon tube with protons without radioactive intermediates according to the equation is formed.

4. The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the doping is only in the near-surface layer of the outer circumferential surface of the silicon tube is generated.

5. The method according to claim 1 to 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the silicon tube is only in one over its outer jacket surface extending strip-shaped region is doped.

6. The method according to claim 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that, following the irradiation, the silicon tube is allowed to heal the lattice damage caused by the irradiation an annealing process at temperatures is subjected to greater than 1000 ° C.

7. The method according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the tempering process is carried out by the direct passage of current through the silicon tube will.

8. Directly heatable silicon tube for the diffusion of dopants in silicon crystal wafers, produced by a method according to claims 1 to 7th