DE2939541A1

DE2939541A1 - Verfahren zum herstellen von halbleitereigenschaften aufweisendem, mit antimon hochdotiertem silicium

Info

Publication number: DE2939541A1
Application number: DE19792939541
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Norbert 8000 München Schink
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1979-09-28
Publication date: 1981-04-16

Description

Verfahren zum Herstellen von Halbleitereigenschaften
aufweisendem. mit Antimon hochdotiertem Silicium Bei der Herstellung von optoelektronischen Bauelementen aus Silicium, insbesondere bei Infrarotsensoren, wird als Ausgangsmaterial Silicium benötigt, das eine sehr hohe Dotierungskonzentration von Indium aufweist. Der Wirkungsgrad von Infrarotsensoren hängt u.a. sehr stark von dieser Indiumkonzentration ab. In der Praxis werden Konzentrationen von 1019, sogar von 1020 Indiumatome pro cm3 gefordert. Letzteres liegt bereits an der Löslichkeitagrenze des Indiums in Silicium.
Da bei der Fertigung von Infrarotsensoren diese mehrmals eine thermische Behandlung erfahren, ist Dotiermaterial mit niedrigerem Diffusionskoeffizient sehr oft von Vorteil. Als geeignetes Material wurde Antimon gefunden.
Aber auch bei Antimon ist der Einbau in stärkerer Konzentration notwendig, um den Wirkungsgrad entsprechend groß zu machen. Gleich der Indiumkonzentration sollte auch die Antimonkonzentration in der Größenordnung von 1019, eventuell sogar bei 102° Antimonatome pro cm3 liegen.
Eine befriedigende Lösung, Antimon in solch hoher Konzentration in Silicium einzubauen, gibt es bisher nicht.
Antimon hat einen für diese Fälle zu hohen Dampfdruck; es verdampft schnell und kann daher nicht in befriedigender Weise in das Silicium eingebaut werden.
Diese Schwierigkeiten werden bei dem Verfahren zur Herstellung von Halbleitereigenschaften aufweisendem, mit Antimon hochdotiertem Silicium gemäß vorliegender Erfindung dadurch vermieden, daß stangen- oder barrenförmiges Silicium durch eine Antimon enthaltende metallische Legierung dotiert wird. Die Dotierung des Siliciums wird am einfachsten durch tiegelfreies Zonenschmelzen vorgenommen. Vorzugsweise besteht diese metallische Legierung aus Antimon und Gold, Antimon und Silber, Antimon und Zinn oder Antimon und Silicium. Legierungen aus 4 Gewichtsteilen Gold und einem Gewichtsteil Antimon, aus 4 Gewichtsteilen Silber und einem Gewichtsteil Antimon, aus 3 Gewichtsteilen Zinn und einem Gewichtsteil Antimon oder 5 Gewichtsteilen Silicium und einem Gewichtsteil Antimon haben sich besonders bewährt.
Zweckmäßigerweise wird die das Antimon enthaltende Legierung in zum Dotieren geeignete Formkörper wie Scheiben, Zylinder oder dergl. zerteilt. Gemäß vorliegender Erfindung kann damit in einfacher Weise die Dotierung des Siliciums mit der den Dotierstoff enthaltenden Legierung auch beim tiegelfreien Zonenschmelzen vorgenommen werden, was bisher wegen des hohen Dampfdruckes von Antimon nicht möglich war. Es besteht die Möglichkeit, entweder die den Dotierstoff enthaltende Legierung als Scheibe in den Anfang des zonenzuschmelzenden Stabes einzubringen oder das Legierungsmaterial längs des Stabes kontinuierlich, z.B. in einer Nut, oder an diskreten Stellen aufzubringen, um das Antimon während des Zonenschmelzens gleichmäßig über die gesamte Stablänge zu verteilen.
Dadurch, daß eine Vorlegierung aus Antimon und einem weiteren Element wie Gold, Silber, Zinn oder Silicium hergestellt wird und diese Legierung als Dotiermaterial Verwendung findet, gelingt es, den Dampfdruck des Antimons stark herabzusetzen und das Antimon in erheblich stärkerer Konzentration in das Silicium einzubauen.
Es liegt im Rahmen der Kenntnisse eines Fachmannes, die benötigte Antimonmenge und die Konzentration der Legierung auszurechnen. Bei vorgegebener Stablänge und Stabdurchmesser, d.h. bei vorgegebenem Stabvolumen und der benötigten Antimonmenge - unter Berücksichtigung der ntimonabdampfrate - kann bei gewählter Form des Legierungsformkörpers das benötigte Legierungsverhältnis ermittelt werden. Bekanntlich sind die zur Legierung verwendeten Stoffe wie beispielsweise Silber und Antimon lückenlos mischbar.
Zur Erläuterung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung kann als Beispiel ein 3-Zoll-Stab verwendet werden.
Mit einer Stablänge von 1 m und einem Durchmesser von 70 mm hat dieser Stab - spezifisches Gewicht beträgt 2,4 - ein Gewicht von 9,24 kg.
Beim Einbau von 10 3 Antimonatomanteilen im Silicium erfordert dies 9,24 Gramm x 4,36 = 40,26 Gramm Antimon; dabei ist 4,36 das Verhältnis der Atomgewichte von Antimon (122) zu Silicium (28). Soll als Dotierungsmaterial eine Legierung von 5 Teilen Silicium zu einem Teil Antimon verwendet werden, so werden 242 Gramm der Silicium-Antimon-Legierung benötigt. Erfahrungsgemäß verdampft etwa 50 ,, so daß etwa 500 Gramm einer 5:1 Silicium-Antimon-Legierung für einen 3-Zoll-Stab gebraucht werden.
Wird bei dem zur Dotierung vorgesehenen Silicium-Antimon-Formkörper eine Stabform mit dem gleichen Durchmesser wie ihn der Siliciumstab besitzt (70 mm), gewählt, dann folgt eine Länge von 5,4 cm.
Um also einen Siliciumstab von 1 m Länge und 70 mm Durchmesser mit 2 bis 5 x 1019 Atomen Antimon pro cm3 Silicium zu dotieren, wird ein Silicium-Antimon-Legierungskörper von 5,4 cm Länge und 70 mm Durchmesser benötigt, wenn der Legierungskörper aus 5 Teilen Silicium und einem Teil Antimon besteht.
Wie anhand des folgenden Beispiels erkennbar, läßt sich eine gleich hohe Dotierungskonzentration auch mit einer Silber-Antimon-Legierung erreichen. Als Beispiel wird wieder ein 3-Zoll-Stab mit einer Stablänge von 1 m, einem Durchmesser von 70 mm und einem Gewicht von 9,24 kg verwendet.
Beim Einbau von 10 3 Antimonatomanteilen im Silicium erfordert dies wieder 9,24 Gramm x 4,36 = 40,26 Gramm Antimon.
Soll als Dotierungsmaterial eine Legierung von 4 Teilen Silber zu einem Teil Antimon verwendet werden, so werden 201 Gramm der Silber-Antimon-Legierung benötigt.
Erfahrungsgemäß verdampft etwa 50 ,, so daß etwa 400 Gramm einer 4:1 Silber-Antimon-Legierung für einen 3-Zoll-Stab gebraucht werden.
Wird bei dem zur Dotierung vorgesehenen Silber-Antimon-Formkörper eine Stabform mit dem gleichen Durchmesser wie ihn der Siliciumstab besitzt (70 mm), gewählt, dann folgt eine Länge von 1 cm.
Um also einen Siliciumstab von im Länge und 70 mm Durchmesser mit 2 bis 5 x 1019 Atomen Antimon pro cm3 Silicium zu dotieren, wird eine Silber-Antimon-Scheibe von 1 cm Dicke und 70 mm Durchmesser benötigt, wenn der Legierungskörper aus 4 Teilen Silber und einem Teil Antimon besteht.
18 Patentansprüche

Claims

Patentansoniche 1. Verfahren zum Herstellen von Halbleitereigenschaften aufweisendem, mit Antimon hochdotiertem Silicium, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß stangen-oder barrenförmiges Silicium durch eine Antimon enthaltende metallische Legierung dotiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung des Siliciums mit Antimon durch tiegelfreies Zonenschmelzen vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Gold besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon undSilber besteht.
5. Verfahren nach Anspruch , und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Zinn besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Silicium besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 4 Gewichtsteilen Gold und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 4 Gewichtsteilen Silber und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 3 Gewichtsteilen Zinn und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 5 Gewichtsteilen Silicium und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
11. Verfahren nach wenigstens einem der AnsprUche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Antimon mit einer Konzentration von etwa 1019 Antimonatomen pro cm3 in das Siliciummaterial eingebaut wird.
12. Verfahren nach wenigstens einem der AnsprUche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Antimon mit einer Konzentration von etwa 102° Antimonatomen pro cm3 in das Siliciummaterial eingebaut wird.
13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antimon enthaltende Legierung in zum Dotieren geeignete Formkörper wie Scheiben und dergl. zerteilt wird.
14. Verfahren nach wenigstens einem der Anspruche 1 bis 13, dadurch gekennzeichhet, daß die Dotierung des Siliciums mit der Antimon enthaltenden Legierung durch einen Zonenzug während des tiegelfreien Zonenschmelzens vorgenommen wird.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die den Dotierstoff enthaltende Legierung als Scheibe oder Zylinder in den Anfang des zonenzuschmelzenden Stabes eingebracht und das Antimon gleichmäßig über die gesamte Stablänge verteilt wird.
16. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmaterial längs des Stabes kontinuierlich oder an diskreten Stellen aufgebracht und mittels tiegelfreien Zonenschmelzens gleichmäßig über die gesamte Stablänge verteilt wird.
17. Verwendung des mit Antimon hochdotierten Siliciums, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 16, zur Herstellung von optoelektronischen Bauelementen.
18. Verwendung des mit Antimon hochdotierten Siliciums, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 16, zur Herstellung von Infrarotsensoren.