DE2553362C2

DE2553362C2 - Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstands

Info

Publication number: DE2553362C2
Application number: DE19752553362
Authority: DE
Inventors: Hans Erich Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Reinfelder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-11-27
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1984-08-09
Also published as: DE2553362A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Hauptpatent bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung in bezug auf den spezifischen elektrischen Widerstand (p) tellerförmigem Profil, bei dem die Siliciumeii iristalle einer Bestrahlung mit Neutronen nach der bekannten Reaktion

³⁰Si(I^y)³¹Si ■£=> ³¹P

in dem Maße ausgesetzt werden, daß in ihrem Randbereich durch die geringer erzeugten Phosphoratome eine weniger starke Dotierstoffkonzentration vorhanden ist als in ihrer Mitte.

Im Hauptpatent wird unter anderem zur Erzeugung des gewünschten Dotiemngsprofils ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem vor den rotierenden Siliciumeinkristallstab während der Neutronenbestrahlung eine Spaltblende mit einer Blendenöffnung 2b gebracht wird und die Bestrahlung mit einem parallelen Neutronenstrahl vorgenommen wird. Da die mittlere freie Weglänge von Neutronen im Silicium ungefähr 12 cm beträgt, darf die Berechnung des Dotierungsprofils für Materialstärken kleiner 12 cm in der geometrisch-optischen Näherung erfolgen. In diesem Fall ergibt sich ein Profil in radialer Richtung von

C — durch Strahlstärke bestimmter Faktor und
r = Stabradius.

Das eben beschriebene Verfahren hat jedoch zwei Nachteile:

a) Das Dotierungsprofil ist vollständig durch die Absorption des Blendenmaterials und die Blendenöffnung 2b bestimmt.

b) Da das Verfahren einen parallelen Neutronenstrahl voraussetzt, kann die Bestrahlung nicht ohne weiteres im thermischen Neutronenfeld eines Reaktors erfolgen. Da jede Richtungsführung den Neutronenstrahl stark herabsetzt, sind bei dieser Methode sehr lange Bestrahlungszeiten erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das im Hauptpatent angegebene Verfahren so zu verbessern, daß die Abhängigkeit des Dotierungsprofils von der Absorption des Blendenmaterials und der Blendenöffnung verringert und eine Bestrahlung mit thermischen Neutronen ohne lange Bestrahlungszeiten möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Durch die Lehre der Erfindung ist auch die Möglichkeit gegeben, in dem Blendensystem in bezug auf die Blendenöffnung und/oder den Blendenabstand unterschiedliche Blenden zu verwenden, die gegeneinander verschoben und/oder gekippt werden können.

Des weiteren können auch die Blenden aus verschiedenem Absorbermaterial und/oder aus verschiedenen Materialstärken bestehen. Dadurch läßt sich die Vielfalt der möglichen Dotierungsprofile noch weiter steigern.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1 bis 3 und eines Ausführungsbeispiels die Lehre der Erfindung noch weiter erläutert. Dabei zeigt

F i g. t den angestrebten Verlauf des spezifischen elektrischen Widerstandes (/j-Pröfil) in radialer Stäbfichtung.

Fig.2 zeigt gemäß eines Ausführungsbeispiels nach der Lehre der Erfindung schematisch die Anordnung eines, aus zwei Blenden bestehenden Systems vor einem Siliciumstab und

F i g. 3 zeigt schematisch die Anordnung mehrerer Blendensysteme (1,2) auf dem Umfang eines zu bestrahlen-

den Stabes 4.

Ausführungsbeispie!
Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß sich drei Bereiche im bestrahlten Siliciumstab 4 unterscheiden lassen: 5

Bereich I:

Die Begrenzung des »Sichtwinkels« ist ausschließlich gegeben durch die Blende 1.
Bereich II:

Der Winke! wird beschrankt durch jeweils eine Kante von Blende 1 und Blende 2. io

Bereich III:

Für die Beschränkung ist allein Blende 2 verantwortlich.

Unter der Annahme einer isotropen Neutronenverteilung im Raum 5 ist das Verhältnis Neutronenfiußdichte
am Punkt (x, y) (im Siliciumstab 4) zur Neutronenfiußdichte im Raum S gegeben durch: Sichtwinkel αΙ2π. 15 Entsprechend den drei möglichen Fällen muß die Berechnung getrennt durchgeführt werden.

Bereich I

arc tan

d,+y

a-i = arc tan

d_x+y

a = arc tan

+ arc tan

d\+y

= arc tan

arc tan

₁ +yf

ld^y+y² - ft,² + x²

Übergang in Polarkoordinaten

χ — r cos φ

a = arc tan

2ί>, (<ή + r sin φ)

r¹ + ld) τύηφ + d\ - b\

Bereich III

analog I

a = arc tan

+ rsinp)

r² + 2dosing» + ά\ - b₂

Bereich Il

Blend*

= arc tan

arc tan

jr+b,

+x-b₂ y+d,

x+b, -b₇+x

arc tan !- - arc tan —

y+d,

a = arc tan

1 -

arc tan

b₂d_t

= arc tan

r sin φ (6, + ί>₂) + *" cos φ ^d₁ - <

b₂ d_x

r² +

-A₂) + άχάχ- b_xb₂

60 Das gesuchte Dotierungsprofil f(r) ergibt sich daran durch Mittelung über alle Winkel φ (= Drehung des Stabes 4).

2.T

Diese Berechnung wurde für verschiedene Spaitgeometrien und einen Stab mit Radius 25 mm numerisch durchgeführt Dabei wurden zwei gleiche Spaltsysteme angenommen. Zu einer Aussage über die absolute

Dotierungskonzentration gelangt man, indem die Neutronenflußdichte Φ in der gewöhnlichen Aktivierungsgleichung ersetzt wird durch Φ = f(r).

Zu beachten ist außerdem, daß bei der Berechnung eine 100%ige Absorption des Blendenmaterials vorausgesetzt wurde. Ist dies dagegen nicht der Fall, so daß χ % aller Neutronen das Blendenmaterial durchdringen, so bedeutet dies die Addition einer konstanten Funktion zu den errechneten Profilen. In der Aktivierungsgleichung ist in diesem Fall Φ zu ersetzen durch:

Zahlenbeispiel Für die Reaktion

³⁰Si(Ii, y)³¹Si -=£-> ³¹P 15

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

^{J vt} \ loo J ' looj

Cp = Phosphorkonzentration in Atome/cm³

Φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen/cm² · see.

t = Bestrahlungszeit in Sekunden 25

χ = Durchlässigkeit des Blendenmaterials in Prozent

f(r) = Abschirmfaktor (siehe Text)

Nehmen wir zum Beispiel an:

Φ- 5 · 10>2, t = 10³S,* = 0

Dies würde einer Absenkung der Dotierung vom Zentrum zum Rand von 35% entsprechen. Durch Wahl anderer Blendensysteme bzw. eines anderen Blendenmaterials (geringere Absorption) kann dieser Wert jedoch weitgehend frei eingestellt werden.

55

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Halbe Blendenöffnung der Blende 1:	Phosphorkonzentration
bi =■ 10 mm	/Atome\
Halbe Blendenöffnung der Blende 2:	1,3 · 10"
b2 = 5 mm	1,3 · 10"
Abstand Stabmitte zur Blende 1:	9,4 · 10¹⁰
di - 30 mm
Abstand Stabmitte zur Blende 2:
d2 = 25 mm
so erhalten wir für den Absorptionsfaktor:
Radius
(mm)
0
14
25

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit in radialer Richtung tellerförmigem Profil des spezifischen Widerstands durch Bestrahlen mit thermischen Neutronen, wobei 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, nach Patent 25 52 621, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Siliciumeinkristall mindestens ein Blendensystem aus mindestens zwei Blenden gebracht und in einem isotropen Neutronenfeld bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Blendensystem in bezug auf die ίο Blendenöffnung und/oder den Blendenabstand verschiedene Blenden verwendet werden, die gegeneinander verschoben und/oder verkippt werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Blenden aus unterschiedlichem Absorbermaterial und/oder von unterschiedlicher Dicke verwendet werden.