DE2751388A1

DE2751388A1 - Verfahren zum gezielten einbringen von dotierungsstoffen mit einem verteilungskoeffizienten k klein gegen 1 beim tiegelfreien zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2751388A1
Application number: DE19772751388
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1977-11-17
Publication date: 1979-05-23

Description

Verfahren zum gezielten Einbringen von Dotierungsstoffen mit
einem Verteilungskoeffizienten k « 1 beim tiegel freien Zonenschmelzen.
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum gezielten Einbringen von Dotierungsstoffen mit einem Verteilungskoeffizienten k « 1 in Halbleitermaterial, insbesondere in Silicium, beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines, in einem Rezipienten befindlichen, senkrecht an seinen beiden Enden gehalterten Halbleiterkristallstabes.
Die Dotierung von Haibleitermaterial erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Halbleitermaterials aus der Gasphase mittels thermischer und/oder pyrolytischer Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials am erhitzten stabförmigen Trägerkörper des gleichen Materials. Dabei werden Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Halbleitermaterials beigemischt und am Trägerkörper zersetzt. Die su hergestellten Halbleiterkristallstäbe sind polykristallin und zusseI in einem anschliesenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand überführt werden. Dabei ändert sich die Dotierstoffkonzentration oft in unkontrollierbarer Weise und es müssen sehr viel höhere Dotierstoffkonzentrationen eingestellt werden, damit die gewünschte Dotierstoffkonzentration im Endprodukt, evtl. nach mehreren Zonenschmelzdurchgängen, noch enthalten ist.
Diese Verfahren sind zeitraubend und ungenau. Die dazu verwendeten Vorrichtungen arbeiten bei nur einigermaßen befriedigenden Ergebnissen mit großem Aufwand.
Aus der deutschen Patentschrift 2 020 182 (=VPA 70/1082) ist eine Vorrichtung zum Dotieren von Halbleitermaterial beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit einer ringförmig, den Halbleiterstab umgebenden Induktionsheizspule zu entnehmen, bei der die Induktionsheizspule mit einer Dotierdüse kombiniert ist, durch welche die Dotierstoffverbindung mittels eines Trägergasstroms direkt auf die Schmelzzone geblasen wird. Durch diese Vorrichtung gelingt es, angenähert schon bei einem einmaligen Zonenschmelzdurchgang Halbleitermaterial mit konstanter und einstellbarer Dotierstoffkonzentration herzustellen. Die Dotierung des Halbleiterstabes ist abhängig vom Trägergasstrom. Die Vorrichtung läßt sich gut verwenden, wenn mit den in leicht verdampfbaren Verbindungen vorliegenden Bor- und Phosphorverbindungen gearbeitet wird.
Ein weiteres Dotierverfahren, bei dem Jedoch mit einem festen Dotierstoff gearbeitet wird, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 38 338 (,VIA 73/1145) zu entnehmen. Hier wird der Dotierstoff als dotierter Minnstab aus Halbleitermaterial beim tiegelfreien Zonenschmelzen der Schmelze direkt zugeführt, wobei die Dotierung des fertigen Halbleiterkristallstabes von der Dotierung des Dtiimstabes, von der Dicke bzw. dem Querschnitt des DUnnstabes und von der Vorschubgeschwindigkeit des dotierten DUnnstabes abhängig ist. Dieses Verfahren ist Jedoch nicht anwendbar, wenn Dotierstoffe zur Anwendung gelangen, deren Verteilungskoeffizienten im Halbleitermaterial sehr viel kleiner als 1 sind.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht deshalb darin, ein Dotierverfahren anzugeben, mit welchem es möglich ist, auch mit Dotierstoffen mit einem k « 1 wie z. B. mit Antimon, Indium oder Gallium, eine homogene axiale Dotierung eines Siliciumkristallstabes mit einem einmaligen Zonenschmelzdurchgang zu erreichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Dotierstoff in fester Form in eine Austiefung des Keim- kristalls an dem dem Vorratsstabteil zugewandten Ende einzubringen, beim Verschmelzen des Vorratsstabteils mit dem Keimkristall in die Schmelze einzuschmelzen und durch anschließendes Zonenschmelzen in axialer Richtung des Stabes zu vergleichmäßigen.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Austiefung muldenförmig, z. B. mittels eines Diamantfräsers, einzubringen.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist gewährleistet, daß geringe Abdampfverluste auftreten, weil der Dotierstoff wegen der kleinen Wärmekapazität des dünnen Keimkristalles sofort beim Aufsetzen der Schmelze eingeschmolzen wird.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist auch vorgesehen, zur Erzielung von versetzungsfreiem Kristallmaterial nach dem Aufschmelzen an der Verbindungsstelle eine flaschenhalsförmige Verengung zu erzeugen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels und der in der Zeichnung abgebildeten Fig.
noch näher erläutert.
In der Fig. ist ein noch undotierter Siliciumstab (100 Ohm.cm) mit 1 bezeichnet, dessen oberes Ende in einer, in der Figur nicht dargestellten Halterung befestigt ist und dessen unteres Ende eine konusförmige VerJüngung 2 aufweist, an deren unterstem Ende 3, mittels einer als einwindige Flachspule ausgebildeten Induktionsheizspule 5 vor dem Anschmelzen an den Keimkristall 4 ein Schmelztropfen erzeugt wird. Der Durchmesser des als Vorratsstabteil bezeichneten Siliciumstabes 1 beträgt 35 mm, der Durchmesser des anzuschmelzenden Keimkristalles 4, 5 mm.
Am freien Ende des in die Halterung 6 eingespannten Keimkristalles 4 wird mittels eines Diamantfräsers eine muldenförmige Austiefung 7 eingebracht, in welche die zur Dotierung vorgesehene Substanz, beispielsweise kleine metallische Galliumpillen 8 im Gewicht von 5 mg eingefüllt werden. Beim Anschmelzen des einkristallinen Keimkristalles 4 an den Vorratsstabteil 1 mittels der Induktionsheizspule 5 wird die aus den Pillen 8 bestehende Dotiersubstanz sofort beim Aufsetzen des Schmelztropfens 3 eingeschmolzen, wodurch die Abdampfverluste sehr gering gehalten werden können. Im Anschluß daran erfolgt der Zonenschmelzprozeß in bekannter Weise, wobei beispielsweise zur Vergleichmäßigung des Dotierstoffes die Schmelzzone mittels einer Geschwindigkeit von 4 mm/min durch den Stab 1 bewegt wird und die Keimkristallhalterung 6 mit einer Rotationsgeschwindigkeit von ca. 10 UpM beaufschlagt wird. Nach einem einzigen Zonendurchgang konnte im Siliciumstab ein gleichmäßiger spezifischer Widerstand von 0,5 Ohm.cm + 10X in axialer Richtung gemessen werden.
1 Figur 7 Patentanßprüche Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum gezielten Einbringen von Dotierungsstoffen mit einem Verteilungskoeffizienten k « 1 im Halbleitermaterial, insbesondere im Silicium beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines in einem Rezipienten befindlichen, senkrecht an seinen beiden Enden gehalterten Halbleiterstabes, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Dotierstoff in fester Form in eine Austiefung des Keimkristalls an dem dem Vorratsstabteil zugewandten Ende eingebracht, beim Verschmelzen des Vorratsstabteils mit dem Keimkristall in die Schmelze eingeschmolzen und durch anschließendes Zonenschmelzen in axiale Richtung des Stabes vergleichmäßigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austiefung muldenförmig eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austiefung mittels eines Diamantfräsers eingebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschmelzen und/oder das Zonenschmelzen mittels einer als einwindige Flachspule ausgebildeten Induktionsheizspule durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenschmelzen mit einer Ziehgeschwindigkeit von 3 bis 5 mm/min durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keimkristallhalterung in Umdrehungen um ihre Längsachse mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 7 bis 15 UpM versetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung von versetzungsfreiem Kristallmaterial nach dem Aufschmelzen an der Verbindungsstelle eine flaschenhalsförmige Verengung erzeugt wird.