JP2013537511A - 半導体材料にドープするための方法 - Google Patents

Abstract

半導体材料から成る原料（４）がるつぼ（１）内に配置される。ドーパント材料（６）を収容する閉じられた犠牲受容体（５）がるつぼ（１）内に配置される。るつぼ（１）の内容物が溶融され、それにより、溶融材料浴液中にドーパントが取り込まれる。減圧下で温度が高められる。

Description

本発明は、半導体材料にドープするための方法に関する。

エレクトロニクスおよび光起電力技術の分野では、半導体材料の結晶マトリックス中に存在するドーピング不純物の量を制御することが重要である。

所要の濃度の電気的に活性な不純物を備える半導体材料を製造することの困難性に直面して、業界は、非常に弱くドープされる材料を得るために不純物を排除することを選択してきた。材料からこれらの不純物が取り除かれると、材料は、成形された後に、ドーパントレベルのより良い制御を確保する他の技術を用いて再びドープされる。

この製造方法は、その後に所要の濃度で再導入されるようになるドーパント不純物の排除を必要とするため、時間がかかり、高価である。

ドーパントが半導体材料中に取り込まれるようになっている場合には、これらのドーパントは、結晶化の前に、溶融された原料中にあるいは溶融ステップ前の原料中に取り込まれる。しかしながら、いずれの場合においても、結晶半導体材料中のドーパントの最終的な量は、るつぼ内に堆積された量に必ずしも対応するとは限らない。ドーパントを取り込むための様々な方法が一般に使用されるが、これらの方法の全ては、汚染の危険を伴い、および／または、取り込まれたドーパントの正確な量を制御するという課題を伴う。同様に、るつぼ内のドーパントの分布が均一ではなく、そのため、半導体材料の電気的特性が関与する限りにおいて不均衡が生じる。

実施が容易で、経済的であるとともに、取り込まれるドーパントの量をうまく統制できる、半導体材料にドープするための方法を提供する要求が存在することが確認される。

本発明に係る方法は、それが、
前記半導体材料から成る原料を収容するるつぼを用意するステップと、
閉じられた犠牲受容体内にドーパント材料を配置するステップであって、犠牲受容体が前記半導体材料により形成されるステップと、
るつぼの内容物を溶融するステップと、
を備えるという事実によって特徴付けられる。

他の利点および特徴は、非限定的な例示目的で与えられて添付図面に表わされる本発明の特定の実施形態の以下の説明から更に明確に分かる

犠牲受容体を備える半導体材料から成る原料を収容するるつぼの概略断面図。

図１に示されるように、るつぼ１は、底部２と側壁３とを備える。るつぼ１は、半導体材料から成る原料４により満たされる。半導体材料は、例えば、シリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、ＳｉＣ、ＧａＡｓまたはＣｄＴｅなどのIII−Ｖ族またはII−ＶＩの二元化合物、あるいは、ＡｌＧａＡｓまたはＨｇＣｄＴｅなどのIII−Ｖ族またはII−ＶＩ族の三元化合物である。

対象の技術分野に応じて、半導体材料から成る原料４は、明確な電気的に活性の不純物準位を備える。これらの不純物準位は、選択された用途に適合する固体半導体材料をもたらすように規定される。マイクロエレクトロニクスタイプの用途においては、半導体材料から成る原料４が非常に弱くドープされる。光起電力タイプの用途においては、半導体材料から成る原料４がより多くのドーパント不純物を含み得る。原料４中における不純物の分布は、溶融前においては自由である。原料４は、より強くドープされた半導体材料のブロックに隣接して、非常に弱くドープされた半導体材料を含み得る。また、原料４は、るつぼ１の内側のドーパント材料の１つ以上のブロックを含み得る。

結果的に、結晶材料中に所要のドーパント濃度を得るため、原料４は、存在する半導体材料の量、存在するドーパントの量、および、取り込まれるべき不純物の量を測定するために分析される。このステップは、充填物の溶融前にいつでも行なうことができる。

１つ以上のドーパント材料６を収容する閉じられた犠牲受容体５が、るつぼ１の内側の半導体材料から成る原料４中に配置される。特定の実施形態では、複数の閉じられた犠牲受容体５が原料４中に配置される。受容体を任意の態様で分布させることができ、あるいは、溶融の開始時点から非常に良好な均一性を得るように受容体の分布を選択できる。原料中に存在する更なる犠牲受容体は、犠牲受容体と同じドーパントまたはドーパント混合物を収容できる。他の実施形態では、更なる犠牲受容体が、犠牲受容体とは異なるドーパントを収容する。

同じドーパントまたは異なるドーパントを収容する幾つかの受容体５ａ，５ｂの使用は、溶融された充填物の均一性を高める。また、これにより、異なる溶融温度を有する受容体５ａ，５ｂも使用でき、その結果、ドーパントを原料中に徐々に取り込むことができ、あるいは、２つの異なるドーパントの同時取り込みが回避される。このとき、互いに異なる溶融温度を有する犠牲受容体５を使用するのが有益である。

受容体５は、それが結晶半導体材料を与える液体状態で原料４の一部を形成するように溶融されるため、犠牲的である。犠牲受容体５は、原料４の一部を形成する材料によって形成される。閉じられた受容体５を構成する材料は、溶融されるべき半導体材料であることが好ましい。この半導体材料はドープしてもしなくてもよい。しかしながら、閉じられた受容体５を、他の材料によって、例えば、取り込まれるべきドーピング不純物によって形成することもできる。

好ましい実施形態において、犠牲受容体５は、溶融されるべき原料４の主成分の溶融温度に近いあるいは等しい溶融温度を有する材料から形成される。このようにすると、犠牲受容体５は、原料４から生じる十分な量の溶融材料によって取り囲まれるおよび／または覆われる前に劣化されない。

優先的な態様では、十分な量の溶融材料が存在するときにドーパント材料６の解放が行なわれるように犠牲受容体５の寸法を選択することもできる。受容体の寸法はドーパントの粒度分布によって決まる。優先的な態様では、受容体５の体積は数立方ミリメートル〜数立方センチメートルである。しかしながら、幾つかの受容体５と協働することが好ましくなる場合であっても、更に大きな寸法を使用できる。

１つ以上のドーパントを収容する閉じられた受容体５と共に半導体材料から成る原料４がるつぼ１内に配置されたら、原料４が溶融される。犠牲受容体５も溶融され、それにより、受容体５内に配置されるドーパント６を解放する。このようにすると、ドーパント不純物６がるつぼ１内の溶融浴液中に取り込まれる。るつぼ１の内容物全体が溶融されて結晶半導体材料を形成するために使用される。

少なくとも１つのドーパント不純物６を収容する閉じられた犠牲受容体５の使用は特に有益である。ドーパント不純物６は純粋体または合金の状態となることができる。

犠牲受容体５が原料４の残りの部分の溶融温度と同一のあるいは略同一の溶融温度を有する場合には、ドーパント材料６が溶融した原料４中に直接に取り込まれる。これは、るつぼ１の温度勾配が起こるとき、例えば、原料を構成する半導体材料の溶融温度よりも低い溶融温度を有するドーパントが取り込まれるようになっているときのドーパント材料の蒸発の問題を大幅に減らす。この実施形態は、犠牲受容体５を密閉状態にすることによって改善され得る。

耐密性のある受容体の使用は、るつぼ１が減圧および更には真空状態の筐体７内に配置されるときに更に一層有益である。例示目的のため、この実施形態は、作動圧力が大気圧〜１０^−５ｍｂａｒの場合に特に有益である。低圧での作業は、高い飽和蒸気圧を有するドーパント６、例えばガリウムまたはリンを取り込むことが求められるときには困難でありあるいは不可能でさえある。

この場合、減圧で、一般的には先に規定された圧力範囲内で、原料４の温度を高めて、寄生不純物を排除することができ、また、その後、更に高い圧力で溶融を行なって、原料４中に意図的に取り込まれるドーパント不純物６の蒸発を防止することができる。

ドーパント不純物６が溶融浴液中に直接に配置されるため、半導体材料中へのドーパント不純物の取り込みがより良く制御される。これにより、損失が低減されるため、最終材料中に存在するドーパント量の精度が更に高まるとともに、溶融浴液内のドーパントの均一性、したがって、結晶材料の均一性が更に高まる。また、ドーパント不純物６が溶融ステップの前にるつぼ１内に取り込まれるため、溶融方法の過程でドーパント不純物を取り込む必要がもはやなく、そのため、不純物が例えばスティックによって取り込まれるときの汚染のリスクが排除される。また、これにより、原料４の溶融を行なうために使用できる器具が簡素化される。

ドーパント６を収容する犠牲受容体５は、固体材料をるつぼ内に取り込んで、この固体材料を溶融し、該材料を凝固させる多数の技術で使用することができる。

半導体材料の従来のドーパント、例えば、ホウ素、リン、ガリウム、インジウム、および、ゲルマニウムを犠牲受容体５内に組み込むことができる。有利な態様では、原料の残りの部分と比べて低い溶融温度および／または溶融方法と不適合な平衡蒸気圧を有するドーパントが受容体５内に封入される。

犠牲受容体５は、任意の適した技術によって、例えば、原料４を構成する半導体材料のブロックをタップ加工することによって、あるいは、他の機械加工技術によって製造される。

犠牲受容体５は、純粋な材料、合金、または、ドープされた材料によって形成することができる。犠牲受容体５内に収容されるドーパント６は、受容体の材料とは異なる材料である。優先的な態様では、ドーパント６が純粋な材料あるいはほぼ純粋な材料である。

好ましい実施形態において、犠牲受容体５は、底部２、側壁３、および、充填物の上端と接触されずに原料４の内側に配置される。より優先的な態様において、犠牲受容体５は、溶融されるべき原料４の上端から１／３と底部から１／３との間に配置される。これにより、原料４と比べて遅い犠牲受容体５の溶融を得ることができる。また、受容体があまりにも簡単に浮かないように、受容体を底部から１／３に配置させることもできる。

別の実施形態では、１または複数の犠牲受容体が溶融ステップ後に原料中に配置される。このようにすると、充填物の溶融後にドーパントが取り込まれる。異なる実施形態の場合と同様に、受容体は、寄生反応を防止するために、互いに異なるドーパントまたはドーパント混合物を取り込むことができる。受容体は、溶融状態へと変わる前に原料の中心にドーパントをより良く取り込むことができるようにする。

蒸発によって失われるドーパントの量が減少される限りにおいて、非常に低く且つ非常にうまく統制できる付加的なドーパント濃度を伴う結晶半導体材料を得ることができる。

Claims (6)

1. 半導体材料にドープするための方法であって、
   前記半導体材料から成る原料（４）を収容するるつぼ（１）を用意するステップと、
   前記半導体材料により形成される閉じられた犠牲受容体（５）内に、ドーパント材料（６）を配置するステップと、
   前記るつぼ（１）内に前記受容体（５）を挿入するステップと、
   前記るつぼ（１）の内容物を溶融するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 閉じられた前記犠牲受容体（５）が密閉されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記るつぼ（１）が減圧で動作する筐体（７）内に配置されることを特徴とする請求項１および請求項２のいずれか一項に記載の方法。
4. 閉じられた前記犠牲受容体（５）が半導体材料から成る前記原料（４）の底部から１／３に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 更なる犠牲受容体（５ａ，５ｂ）の使用を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記犠牲受容体（５ａ）と前記更なる犠牲受容体（５ｂ）とが異なる溶融温度を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。

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