DE2551301C3

DE2551301C3 - Verfahren zum Herstellen von phosphordotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung gezielter randlicher Ahreicherung des Dotierstoffes

Info

Publication number: DE2551301C3
Application number: DE19752551301
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Keller; Herbert Kramer; Konrad Dipl.-Chem. Dr. 8011 Vaterstetten Reuschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-11-14
Filing date: 1975-11-14
Publication date: 1979-01-25
Also published as: DE2551301B2; DE2551301A1; AT362552B; ATA835876A

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von phosphordotierten Siüciumeinkristallen mit in radialer Richtung gezielter randlicher Absicherung 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, hochsperrenden Leistungsthyristoren, bei denen angestrebt wird, daß das Blockiervermögen und das Sperrvermögen auf gleicher Höhe liegen, werden Siliciumkristalle verwendet, welche bei einem homogenen ρ-Verlauf in der Scheibenmitte einen gezielten Randanstieg des spezifischen elektrischen Widerstandes (ρ) haben (tellerförmiges ρ-Profil der Siliciumkristallscheibe). Dies bedeutet, daß die Dotierstoffverteilung in radialer Richtung in den Randbereichen einer Kristallscheibe niedriger ist als in den mittleren Bereichen;

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Siliciumkristalle herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß ein, mit einer nahezu homogenen Phosphordoticrung versehener Siliciumeinkristallstab einem Zonenschmelzprozeö im Vakuum 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 der gewünschten randlichen Abireicherurig 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 η-Leitfähigkeit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen hergestellt werden können. Dabei wird das im Silicium vorhandene natürliche Isotop ³⁰St uniter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von y-Strahlung in das instabile Isotop ³¹Si übergeführt, welches unter Aussendung von ^-Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile ^3IP-Isotop übergeht Bei der sog. radiogenen Dotierung des Siliciums nach der Reaktion

³⁰Si (n,y) ³¹Si ^ ³¹P

gilt unter der Voraussetzung, daß das ³¹Si vollständig abgeklungen und der Abbrand des ³⁰Si vernachlässigbar klein ist, folgende einfache Zusammenhang:

Cp=2,0 · I0-« Φ ■ u wobei

Cv = Phosphorksnzentration in Atome/cm³,

Φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen

[cm-² · see-']und / = Bestrahlungszeit in see.

Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und sieht 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 eine über den Stabquerschnitt und die Stablänge sehr homogene, striation-frcie Dotierung im Siliciumkristall unabhängig vom Stabdurchmesser entsteht Insbesondere n-Siliciuim mit einem spezifischen Widerstand von größer 30 Ohm · cm kann auf diese Weise mit exakter homogener Dotierstoffverteilung hergestellt werden.

Es ist aber auch möglich, daß die homogene Phosphordotierung mittels leicht verdampfbarer Phos phorverbindungen durch Aufblasen einer definierten Menge eines, mit dem Dotierstoff beladenen Trägergasstromes auf die Schmelze beim Zonenschmelzprozcß hergestellt wird, oder bereits bei der Herstellung des polykristallinen Siliciumstabes durch thermische Zerset zung einer gasförmigen Siiiciumverbindung und einer gasförmigen Phosphorverbindung und Niederschlagen des anfallenden Materials auf einen, aus Silicium bestehenden Trägerkörper erzeugt wird. Dabei wird als siliciumenthaltende gasförmige Verbindung Silikochlo roform oder Siliciumtetrachlorid und als Phosphorver bindung der leicht verdampfbare Phosphorwasserstoff oder Phosphcrnitrilochlorid verwendet. Der Ausgangisstab kann auch durch Abscheiden von Silicium aus d«r

Gasphase auf einer dotierten Seele und anschließendes Zonenschmelzen zur Vergleichmäßigung des Dotierstoffes ober 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 Erzielung der oberflächigen Schmelzzone wird gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung mit einer einwindigen Spule, deren Innendurchmesser maximal 10 mm größer als der Stabdurchmesser ist, randgeschmolzen. Die Flachspule wird vom Hochfrequenzgenerator mit Energie beaufschlagt und im Stab eine Schmelzzone mit einer Tiefe von '/jo bis '/3 des Stabradius erzeugt

Es ist aber auch möglich, mehrere Spulen gleichzeitig hintereinander zu verwenden und diese zusätzlich noch mit unterschiedlicher Energie zu betreiben. Auf diese Weise ergeben sich für das einzustellende Dotierstoffprofil eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile sollen im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieis und der F i g. 1 bis 3 näher erläutert werden. Dabei zeigt

F i g. 1 das WiderstandsproFil des durch Neutronendotierung hergestellten Ausgangsmaterials,

F i g. 2 das gewünschte Widerstandsprofil nach dem Zonenschmelzdurchgang und

F i g. 3 in schematischer Darstellung den Randzonenschmelzdurchgang zur Herstellung des Widerstandsprofils nach F i g. Z

In F i g. 1 und 2 ist als Ordinate der im Kristall radial gemessene ρ-Wert aufgetragen, während als Abszisse der Abstand Scheibenrand zu Scheibenrand eingezeichnet ist. Die gestrichelte Mittellinie zeigt die Scheibenmitte an.

Der als Ausgangsmaterial verwendete Siliciumeinkristallstab, der das in der F i g. 1 eingezeichnete Widerstandsprofil aufweist, wird auf folgende Weise hergestellt:

Ein polykristalliner Siliciumslab wird im Vakuum zonengeschmolzen und anschließend oder gleichzeitig wird ein Keimkristall mit einer (lll)-Orientierung angeschmolzen. Der zonengeschmolzene Siliciumeinkristall weist dann einen spezifischen Widerstand von 1230 Ohm - cm η-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 ■ IO^r2 Atome Bor/cm³ Silicium.

Das Ziel der η-Dotierung im Siliciumkristallstab nach Fig. 1 ist 130 Ohm · cm, das sind 4 · 10^IJ Atome Phosphor/cm³ Silicium. Der Neutronenfluß im Reaktor, in den der Siliciumeinkrislallstab eingebracht wird, wird während einer Bestrahlungszeit von ca. 1 Stunde auf 8 . |0'^J Neutronen [cm"² see-'] eingestellt. Man erhält dann das in F i g, I 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 im Vakuum (10-⁵ Torr) in der Weise unterworfen, daß, wie

ίο aus Fig.3 ersichtlich, eine Schmelzzone 4 (gestrichelt angedeutet) mit einer Tiefe Tkleiner 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

gespeist. Dabei ist, wie durch den Doppelpfeil 7 angedeutet, die Ziehrichtung, ob aufwärts oder abwärts, nicht von Bedeutung. Die Anzahl der aus der Oberflächenzone 4 (mit Tiefe T) des Siliciumkristallstabes 5 im Vakuum abdampfenden Phosphoraiome (= Grad und Tiefe der randlichen Abreicherung) richtet sich unter Berücksichtigung des Abdampfkoeffizienten für Phosphor nach folgenden Paramt^rn:

1. Einstellung der HF-Energie der Induktionsheizspule,

2. Abstand und Form der Heizspule (Innendurcnmesser vom Stabrand),

3. Ziehgeschwindigkeit der Schmelzzone,

4. Zahl der Schmelzzonendurchgänge,

Zur Erzeugung eines Widerstandsprofils tntsprechend Fig.2 wurden 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	I
Vakuum	ΙΟ-* To*r
Rotation des Vorratsstabes	2-10 U/min

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, auch andere ρ-ProfiIe als das in F i g. 2 dargestellt, herzustellen. Es können beispielsweise mehrere Spulen hintereinander durch den Stab gleichzeitig bewegt werden oder auch mehrere Spulen verwendet werden, weiche mit unterschiedlicher HF-Energie gespeist sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Kristallorientierung des Ausgangssiliciumstabes. Für nach der [100]-Richtung orientierte Kristalle können die klassischen Dotierverfahren (Dotierung des Ausgangsmaterials mit verdampfbaren Phosphorverbindungen) verwendet werden, weil die Inhomogenitäten in. Ausgangsmaterial kleiner als bei [111]-Orientierungsind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von phosphordotierten Siüciumeinkristallen mit in radialer Richtung gezielter randlicher Absicherung des Dotierstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer nahezu homogenen Phosphordotierung versehener Siliciumeinkristallstab einem Zonenschmelzprozed im Vakuum 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 der gewünschten randlichen Absicherung des Dotierstoffes angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Schmelzzone auf ¹Ao bis !/3 des Stabradius eingestellt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Randzonenschmekens im Rezipienten ein Vakuum von mindestens <0-⁵Torr aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ziehgeschwindigkeit eingestellt wird, welche im Bereich von 0,5 bis 8 mm/min, vorzugsweise bei 2 mm/min, liegt

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer einwindigen Spule, deren Innendurchmesser max. 10 mm größer als der Stabdurchmesser ist, randzonengeschmolzen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dad mehrere Randschmelzzonen hintereinander durch den Stab geführt werden.

7. Verfahren nach den Anstächen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mK mehreren Spulen gleichzeitig randzonengeschmolzen wire

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen mit unterschiedlicher Energie beaufschlagt werden.

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