DE2551281A1 - Verfahren zum herstellen von phosphordotierten siliciumeinkristallen mit in radialer richtung gezielter randlicher anreicherung des dotierstoffes - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen von phosphordotierten Siliciumein-
• kristallen mit in radialer Richtung gezielter randlicher Anreicherung des Dotierstoffes.
• Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von phosphordotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung gezielter randlicher Anreicherung des Dotierstoffes.
• Im allgemeinen ist es wünschenswert, Siliciumeinkristallstäbe für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, deren Dotierstoffverteilung möglichst homogen über den ganzen Querschnitt des Siliciumkristallstabes erfolgt ist.
• Für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, wie z.B. großflächigen Thyristoren mit integrieter Dreischichtdiode, bei denen die Durchbruchspannung der Diode unter der Kippspannung des Thyristors liegt, werden Siliciumkristalle verwendet, welche bei einem homogenen zip g-Verlauf in der Scheibenmitte einen gezielten Randabfall des spezifischen elektrischen Widerstandes ( ) haben (inverses tellerförmiges Q -Profil der Siliciumkristallscheibe). Dies bedeutet, daß die Dotierstoffverteilung in radialer Richtung in den Randbereichen einer Kristallscheibe höher ist als in den mittleren Bereichen.
• Aufgabe der vcrliegenden Erfindung ist es, solche Siliciumkristalle herzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß ein, mit einer nahezu homogenen Dotierstoffverteilung versehener Siliciumeinkristallstab einem Zonenschmelzprozeß in einer dotierenden Gasatmosphäre in der Weise unterworfen wird, daß eine Schmelzzone mit einer Tiefe kleiner als der Stabradius mindestens einmal durch den Stab gezogen wird, wobei die Tiefe der Schmelzzone und die Ziehgeschwindigkeit, sowie die eingebrachte Dotierstoffmenge der gewünschten randlichen Anreicherung des Dotierstoffes angepaßt wird.
• Nun ist aus einem Aufsatz von Tanenbaum und Mills in der Zeitschrift "J. Electrochem. Soc." 108, (1961) Seiten 171 bis 176 zu entnehmen, daß Siliciumkristalle mit homogener n-Leitfähigkeit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen hergestellt werden können. Dabei wird das im Silicium vorhandene natürliche Isotop 30Si unter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von γ-Strahlung in das instabile Isotop ³¹Si übergeführt, welches unter Aussendung von ß--Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile 31P-Isotop übergeht. Bei der sog. radiogenen Dotierung des Siliciums nach der Reaktion gilt unter der Voraussetzung, daß das 31Si vollstandlg abgeklungen und der Abbrand des 30Si vernachlässigbar klein ist, folgender einfacher Zusammenhang: 0P - 2.0.10 wobei Cp = Phosphorkonzentration in Atome/cm 3, # = thermischer Neutronenfluß in Neutronen [cm-2#sec-1], und t = Bestrahlungszeit in sec.
• Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und sieht in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vor, daß die homogene Phosphordotierung des Ausgangsmaterials durch Bestrahlung des Siliciumeinkristallstabes mit Neutronen nach der bekannten Reaktion hergestellt wird. Durch diese Art der sog. radiogenen Dotierung wird nämlich erreicht, daß ein über den Stabquerschnitt und die Stablänge sehr homogene, striation-freie Dotierung im Siliciumkristall unabhängig vom Stabdurchmesser entsteht. Insbesondere n-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von größer 10 Ohm.cm kann auf diese Weise mit exakter homogener Dotierstoffverteilung hergestellt werden.
• Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß die homogene Phosphordotierung mittels leicht verdampfbarer Phosphorverbindungen durch Aufblasen einer definierten Menge eines, mit dem Dotierstoff beladenen Trägergasstromes auf die Schmelze beim Zonenschmelzprozeß hergestellt wird, oder bereits bei der Herstellung des polykristallinen Siliciumstabea durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Siliciumverbindung und einer gasförmigen Phosphorverbindung und Niederschlagen des anfallenden Materials auf einen, aus Silicium bestehenden Trägerkörper erzeugt. wird. Dabei wird als silicium-enthaltende gasförmige Verbindung Silikochloroform oder Siliciumtetrachlorid und als Phosphorverbindung der leicht verdampfbare Phosphorwasserstoff oder Phosphornitrilochlorid verwendet. Der Ausgangsstab kann auch durch Abscheiden von Silicium aus der Gasphase auf einer dotierenden Seele und anschließendes Zonenschmelzen zur Vergleichmäßigung des Dotierstoffes über den gesamten Stabquerschnitt erfolgen.
• Es ist jedoch zu bemerken, daß die radiogene Dotierung den zuletzt genannten klassischen Dotierverfahren in Bezug auf die homogene Verteilung des Dotierstoffes im Kristall unbedingt überlegen ist.
• Zur Erzeugung der oberflächlichen Schmelzzone wird gemäß einem Ausfffhrungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung eine einwindige Spule verwendet, deren Innendurchmesser max. 10 mm größer als der Stabdurchmesser ist. Die Spule wird vom Hochfrequenzgenerator mit Energie beaufschlagt und im Stab eine Schmelzzone mit einer Tiefe von 1/10 bis 1/3 des Stabradius erzeugt Weitere Einzelheiten und Vorteile sollen im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Fig. 1 bis 3 näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 das Widerstandsprofil des durch Neutronendotierung hergestellten Ausgangsmaterials, Fig. 2 das gewünschte Widerstandsprofil nach dem Zonenschmelzdurchgang und Fig. 3 in schematischer Darstellung den Randzonenschmelzdurchgang zur Herstellung des Widerstandsprofils nach Fig. 2.
• In Fig. 1 und 2 ist als Ordinate der im Kristall radial gemessene g-wert aufgetragen, während als Abszisse der Abstand Scheibenrand zu Scheibenrand eingezeichnet ist. Die gestrichelte Mittellinie zeigt die Scheibenmitte an.
• Der als Ausgangsmaterial verwendet Siliciumeinkristallstab, der das in der Figur eingezeichnete Widerstandsprofil aufweist, wird auf folgende Weise hergestellt: Ein polykristalliner Siliciumstab wird im Vakuum zonengeschmolzen und anschließend oder gleichzeitig wird ein Keimkristall mit einer (111)-Orientierung angeschmolzen. Der zonengeschmolzene Siliciumeinkristall weist dann einen spezifischen Widerstand von 1230 Ohm.cm n-Typ auf. Nach weiteren zwei Zonenschmelzdurchgängen im Vakuum ergibt sich ein spezifischer Widerstand von 2300 Ohm.cm p-Typ. Aufgrund der Widerstandsanalyse ist die bestimmende p-Verunreinigung im Kristall das Element Bor. Diese Borkonzentration entspricht einer Menge von 5,6.1012 Atome Bor/-cm³ Silicium.
• Das Ziel der n-Dotierung im Siliciumkristallstab nach Fig. 1 ist 130 Ohm.cm, das sind 4.1013 Atome Phosphor/cm3 Silicium. Der Neutronenfluß im Reaktor, in den der Siliciumeinkristallstab eingebracht wird, wird während einer Bestrahlungszeit von ca.
• 1 Stunde auf 8zog13 Neutronen Lcm 2s 12 eingestellt. Man erhält dann das in Fig. 1 eingezeichnete Widerstandsprofil, welches einer über den Stabquerschnitt homogenen Phosphordotierung, die frei von Widerstandsstriations ist, entspricht.
• Zur Einstellung eines Widerstandsprofils entsprechend Fig. 2 wird dann der neutronenbestrahlte Siliciumkristallstab einem Zonenschmelzprozeß in Argonatmosphäre mit leichtem Überdruck (0,15 atü) in der Weise unterworfen, daß, wie aus Fig. 3 ersichtlich, eine Schmelzzone 4 (gestrichelt angedeutet) mit einer Tiefe T kleiner als der Radius des Siliciumstabes 5 mindestens einmal mit Hilfe einer Induktionsheizspule 6 durch den Stab 5 gezogen wird. Die Heizspule 6 wird über eine Spannungsquelle 8 mit Hochfrequenz gespeist, wobei die Tiefe T der Randschmelzzone 4 über die Leistung der Induktionsheizspule 6 einstellbar ist. Die Induktionsheizspule 6 enthält zur Zuführung des Dotierstoffes, wie in der DT-PS 20 20 182 beschrieben, einen Dotierkanal 9, so daß ein Dotiergasstrom, z.B. bestehend aus gasförmigem Phosphornitrilochlorid und Argon als Trägergas in Pfeilrichtung 10 direkt auf die Schmelzzone 4 geblasen werden kann. Die Dotierstoffkonzentration in der Randzone des Siliciumstabes 5 wird also eingestellt 1. Über die bereits durch die Neutronendotierung erzeugten Phosphoratome, 2. über die Strömungsgeschwindigkeit des mit Phosphornitrilochlorid beladenen Trägergasstromes, 3. über die Konzentration des Phosphornitrilochlorids im Trägergas (bestimmt durch den Dampfdruck des Dotierstoffes), 4, über die.-Einstellung der HF-Energie der Spule, 5. über den-Abstand Spuleninnendurchmesser vom Stabrand und der Form der.Heizspule, 6. über die Zahl der Schmelzzonendurchgänge, und 7. über die Ziehgeschwindigkeit beim Zonenschmelzprozeß.
• Dabei ist, wie durch den Doppelpfeil 7 angedeutet, die Ziehgeschwindigkeit, ob aufwärts oder abwärts, nicht von Bedeutung.
• Der Siliciumstab 5 wird während des Randzonenschmelzens um seine Längsachse in Rotation versetzt(siehe Pfeil 11). Die Drehrichtung ist unwesentlich.
• Zur Erzeugung eines Widerstandsprofils entsprechend Fig. 2 würden beispielsweise folgende Werte eingestellt: Stabdurchmesser: 53 mm Spulendurchmesser,innen: 60 mm Höhe der Schmelzzone: 7 mm Tiefe der Schmelzzone: 5 mm Ziehgeschwindigkeit: 2 mm/min.
• Zonenzahl: 1 Rotation des Stabes: 2 bis 10 U/min.
• Strömungsgeschwindigkeit des Dotiergasstromes: 5 1/Std.
• Temperatur des Vorratsgefäßes 0 mit Phosphornitrilochlorid: 0°C Dampfdruck des Phosphornitrilo- 3 chlcrids bei 200C 5.10 Torr Anstelle der mit der Induktionsheizspule kombinierten Dotiergaszuleitung kann auch gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung - wie in der DT-OS 23 27 085 beschrieben - eine im Bereich der Induktionsheizspule angeordnete Dotierdüse verwendet werden, welche bezüglich des Abstandes ihrer Austrittsöffnung zur Randzone des Stabes verstellbar ausgebildet ist.
• Eine weitere Möglichkeit bietet sich dadurch an, daß die gewünschte Dotierung der Randzone beim Zonenschmelzprozeß aus einer Gasatmosphäre mit definierter Dotierstoffkonzentration bei leichtem Überdruck im Rezipienten vorgenommen wird.
• Durch das Randzonenschmelzen gemaß der Lehre der Erfindung werden im Kristall Versetzungen in annähernd gleichmäßiger Verteilung erzeugt. Ein Ausheilen dieser Versetzungen ist nicht erforderlich, weil das Silicium für spezielle Halbleiterbauelemente (Thyristoren) weiterverarbeitet wird, bei denen Versetzungen in möglichst homogener Verteilung sogar erwünscht sind.
• 14 Patentansprüche 3 Figuren

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von phosphordotierten Siliciuiticinkristallen mit in radialer Richtung gezielter handlicher Anreicherung des Dotierstoffes, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß ein, mit einer nahezu homogenen Phosphordotierung versehener Siliiueinkristallstab einem Zonenschmelzprozeß in einer dotierenden Gasat:nosphäre in der Weise unterworfen wird, daß eine Schmelzzone mit einer Tiefe kleiner als der Stabradius mindestens einmal durch den Stab gezogen wird, wobei die Tiefe der Schnelzzone und die Ziehgeschwindigkeit, sowie die eingebrachte Dotierstoffinenge der gewünschten randlichen Anreicherung des Dotierstoffes angepaßt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n ii -z e i c h n e t , daß die homogene J'hosphordotierung des Ausgangsmaterials durch Bestrahlung eines Siliciumkristallstabes mit Neutronen nach der bekannten Reaktion hergestellt wird.
3. 3. 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 die homogene Phosphordotierung mittels leicht verdampfbarer Phosphorverbindungen durch Aufblasen einer definierten Menge eines, mit dem Dotierstoff beladenen Trägergasstromes auf die Schmelzzone beim Zonenschmelzprozeß hergestellt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Dotierstoff Phosphornitrilochlorid verwendet wird.
5. 5. 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 die Dotierung bereits bei der Herstellung des polykristallinen Biliolumstabes durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Siliciumverbindung und einer gasförmigen Phosphorverbindung und Niederschlagen des anfallenden Materials auf einen, aus Silicium bestehenden Trägerkörper durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als silicium-enthaltende gasförmige Verbindung Silikochloroforìn oder Siliciurtetrachlorid und als Phosphorverbindung Phosphorwasserstoff oder Phosphornitrilochlorid verwendet wird.
7. 7. 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 die Dotierung bereits bei der Herstellung des polykristallinen Siliciumstabes durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Siliciumverbindung und Niederschlagen des anfallenden Materials auf einen1 aus Silicium bestehenden dotierten Trägerkörper und ans.chlirF-sendes Zonenschmelzen durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine einwindige Induktionsheizspule verwendet wird, welche mit einer Dotierdüse fest verbunden ist, durch welche die Dotierstoffverbindung mittels eines Trägergasstromes auf die Randschmelzzone geblasen wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Dotierstoff der Randschmelzzone über eine im Bereich der Induktionsheizspule angeordnete Dotierdüse zugeführt wird, welche bezüglich des Abstandes ihrer hustrittsöffnung zur 4?andschmelzzone verstellbar ausgebildet ist.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Vorratsstabteil in Umdrehungen um seine Langsachse versetzt wird.
11. ii. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dotierung der Randschmeizzone beim Zonenschmelzprozeß aus einer Gasatmosphäre mit definierter Dotierstoffkonzentration bei leichtem Überdruck in: Rezipienten vorgenommen wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Tiefe der Schmelzzone auf i/10 bis 1/3 des Stabradlus eingestellt wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n c t F daß eine einwindige Spule verwendet wird, deren Innendurchmesser marx, 10 mm größer ist als der Stabdurchmesser.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Ziehgeschwindigkeit eingestellt wird, welche im Bereich von 0,5 bis 8 mm, vorzugsweise bei 2 mm, liegt.