DE2552621C3

DE2552621C3 - Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstandes

Info

Publication number: DE2552621C3
Application number: DE2552621A
Authority: DE
Inventors: Ernst 8520 Erlangen Haas; Karl Dipl.-Phys. Dr. 8041 Haimhausen Platzoeder; Manfred Dipl.-Chem. Dr. 8041 Haimhausen Schnoeller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-11-24
Filing date: 1975-11-24
Publication date: 1979-09-13
Also published as: DE2552621A1; CA1082574A; SU747403A3; US4119441A; DE2552621B2; BE846378A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 5<> Verfahren zum Herstellen von n-uotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstandes durch Bestrahlen mit thermischen Neutronen.

Im allgemeinen ist es wünschenswert, Siliciumeinkri- ■>'> Stallstäbe für die Fertigung von Halbleiterbauelementen herzustellen, welche in bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf sehr gleichmäßige Werte aufweisen, d. h. die Dotierstoffverteilung soll möglichst homogen über den ganzen Querschnitt des .Siliciumkri- wi Stallstabes erfolgen.

Für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, wie z. B. großflächigen, hochsperrenden Leistungsthyristoren, bei denen angestrebt wird, den Avalanchedurchbruch vom Scheibenrand in die Schci- < < benmitte zu vericgen. werden Siliciumkristalle gewünscht, welche bei einem homogenen o-Verlauf in der Scheibenmitte einen gezielten Randanstieg des spezifisehen 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.

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 ³⁰Si unter 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 Phosphor-Isotop ³¹P übergeht. Bei der sog. radiogenen Dotierung des Siiiciums nach der Reaktion

^3llSi(n,y) ³¹Si j!^ ³¹P

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

C₁- = 2,0 - 10 ⁴ · Φ ■ t.
wobei

C)' = Phosphorkonzentration in Atome/cm',

Φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen/

cm² see und
t = Bestrahlungszeit in Sekunden.

Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstandes dadurch, daß der Siliciumeinkristall während der Bestrahlung gedreht und zu seiner Mitte hin einem intensiveren oder weniger abgeschwächten Strahl aus thermischen Neutronen ausgesetzt wird als an seinem Rand.

Es soll nunmehr auf die F i g. 2 bis 6 Bezug genommen werden, welche anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen das Verhalten eines Siliciumstabes in einem Neutronenfeld darstellen.

Im ersten Fall wird gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre drr Erfindung, wie in F i g. 2 gezeigt, während der Neutronenbestrahlung vor den senkrecht gehalterten Siliciumkristallstab 2 eine schlitzförmige Blende 3 gebracht und der Kristall 2 um seine Längsachse in Umdrehungen versetzt (siehe Pfeil 4). Dabei wird eine in ihrer Schlitzbreite verstellbare Blende 3 aus Cadmiumblech von beispielsweise I mm Stärke oder Borglas verwendet. Beim Drehen des Siliciumstabes 2 liegen die mittleren Teile 5 ständig im Bereich des parallelen oder schwach divergenten Neutronenstrahls (siehe Pfeil 6). Die Randbezirke 7 des Stabes 2 werden weniger bestrahlt, weil sie nur von gestreuten und diffundierenden Neutronen beeinflußt werden. Die Folge davon ist, wie in F i g. 1 gezeigt, ein erhöhter Widerstand des Siiiciums. Dabei ist das o-Profil abhängig von der eingestellten Blcndenbreite. Durch das I mm starke Cadmiumblech werden die aufgestrahlten Neutronen fast vollständig absorbiert.

Im /weiten Fall v/ird, wie in I i g. J dargestellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung die Neutronenbestrahlung 6 des Siliciumkristallcs

2 in einem Reaktor von ζ. Β. Swimming-Pool-Typ (nicht dargestellt) in einem Bereich mit einem Flußgradienten vorgenommen und der Kristallstab 2 um seine Längsachse (siehe Pfeil 4) gedreht. Der Teil des Neutronenstrahls 6, der den längeren Weg im Wasser 8 zurücklegen muß, wird in seiner Intensität geschwächt. Beim Drehen erhält man dann ein rotationssymmetrisches ρ-Profil mit Anstieg in den Außenbezirken (s. Fig. I).

Die Fig.4 zeigt den Neutronenflußverlauf in einem Siliciumstab 2 in einem Neutronenfeld mit nichtlinearem Flußgradienten. Dabei ist als Abszisse die Entfernung des Siliciumstabes von der Brennstaboberfläche in cm und als Ordinate die relative Konzentration der thermischen Neutronen aufgetragen.

Aus Fig.5 ist dann der dadurch erhaltene relative Phosphorkonzentrationsverlauf im Siliciumstab 2 ersichtlich. Dieser Konzentrationsverlauf stellt sich im Siliciumstab 2 über den Stabquerschnitt ein, wenn der Siliciumstab 2 gleich lange in Position AB und BA (nach der halben Bestrahiungszeit wird der Stab 2 um iSCr gedreht) bestrahlt wird. Als Ordinate wird tue relative Phosphorkonzentration und als Abszisse der Siliciumstabdurchmesser eingezeichnet.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist auch vorgesehen, das tellerförmige o-Profil durch gesteuerte Auslenkung eines aus schnellen Neutronen bestehenden Teilchenstrahles auf ein Sandwich aus Siliciumkristall und Target zu erzeugen. Dabei ist das Target a's Moderator auszubilden. Das ρ-Profil wird dadurch erzeugt, daß über die Geometrie des Targets am Rand eine geringere Moderation erfolgt. Das Target kann z. B. aus Paraffin, Graphit oder auch aus schwerem Wasser bestehen.

In Fig.6 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der der Absorbermantel 20 entlang des Stabes 2 gleichförmig bewegt

ίο werden kann (s. Pfeil 21). Dabei läßt sich über die Länge des Mantels 20 das ρ-Profil verändern. Der Absorbermantel 20, der z. B. aus einem 1 mm starken Cadmiumblech besteht, wird entlang des Kristallstabes 2 während der Bestrahlung so verschoben, daß jeder Bezirk der Manteloberfläche des Stabes 2 gleiche Zeiten von dem Absorbermantel 20 bedeckt bleibt. Dadurch, daß jeder Randbereich des Siliciumkristalls 2 bei gleichförmiger Bewegung des Absorbermantels 20 entlang des Stabes 2 die gleichen Strahiungsbedingungen erhält, ergibt sich das gewünschte »tellerförmigem ο-Γ.όΠΙ (s. Fig. 1). Es ist aber ebenso möglich, ansteüe des /»bsorbermanteis 20 den Siliciumstab 2 während der Neutroneneinstrahlung zu verschieben.

Es ist auch möglich, den zu dotierenden Siliciumkri-

>5 stall zierst homogen mit Neutronen zu bestrahlen und dann erst entsprechend der Lehre der Erfindung nachzubestrahlen. Dies ergibt eine neue Möglichkeil zur Variation.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstandes durch Bestrahlen mit thermischen Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumeinkristall während der Bestrahlung gedreht und zu seiner Mitte hin einem intensiveren oder weniger abgeschwächten Strahl aus thermischen Neutronen ausgesetzt wird als an seinem Rand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein um einen stabförmigen Siliciumeinkristall angeordneter Absorbermantel für thermisehe Neutronen entlang dem Stabe gleichförmig bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl aus schnellen Neutronen auf ein Sandwich aus dem Siliciumkristall und einem Moderator-Target gelenkt und dabei über die Geometrie des Targets am Rande eine geringere Moderation vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Siliciumkristall eine schlitzförmige, in ihrer Schlitzbreite verstellbare Ellende gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende aus Cadmiumblech von 1 mm Stärke oder Borglas verwendet wird.

6. Verfahijn nach Anspruch I, dadurch ge kennzeichnet, daß in einem Reaktr- in einem Bereich mit nichtlinearem Flußgradienten bestrahlt wird.

7. Vorrichtung zur Dur«.hfüh ung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein entlang des Kristallstahes verschiebbarer Mantel aus einem neutronenaosorbierenden Material angeordnet ist, der während der Ncutroncneinstrahlung jeweils nur Teilbereiche der Manteloberfläche bedeckt. *<>

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine von außen bedienbare Verschiibcvorrichtung vorgesehen ist, welche eine gleichförmige Bewegung des Absorbermantels oder des Siliciumstabes erlaubt.