JPS584812B2 - カクハンノウオリヨウシテ ハンドウタイケツシヨウボウニド−プブツシツオフクマセルソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、核反応を利用して半導体結晶棒特にシリコ
ン単結晶棒中にドープ物質を所定の分布に再現性良く含
ませるための装置を対象とする。

高級な半導体デバイスの製作には特定のドープ物質を含
むシリコン結晶棒が要求される。

この場合ドープ物質は一般に所望の濃度に対応して棒の
半径方向および軸方向においてできるだけ均一に分布し
ていなければならない。

このような要求を少くとも近似的に満たしているいくつ
かの方法がある。

半導体棒のドーピングは一般に半導体材料のガス状化合
物を熱分解して同じ半導体材料から成る基体上に析出さ
せる際に実施される。

その際ドープ物質は半導体材料のガス状化合物に混合し
て半導体材料と同時に基体上に析出させる。

このようにして作られた半導体棒は多結晶であるから続
いて行われる帯域溶融処理によって単結晶にしなければ
ならないが、その工程でドープ物質濃度が変化し、この
変化が制御不可能であることが多い。

従って始め著しく高いドープ物質濃度として、多数回帯
域移動を行った後の最終製品においても所望のドープ物
質濃度が保持されるようにしなければならない。

この場合帯域溶融処理を行なう多結晶棒はその析出過程
中直接ガス相からまだは高濃度にドープされた心棒を通
して充分高い濃度にドープし、溶融帯域の移動と蒸発の
効果を考慮して単結晶棒の全長に亘って所望の比抵抗ま
たは特定の再結合中心密度が得られるようにする。

しかしこの方法によっては製作された単結晶中に高め不
純物濃度を作ることは不可能である。

また溶解限度（１０１９〜１０２０ｃｍ−３）の近い不
純物濃度はドーブ物質を含むガス流を溶融帯域に吹きつ
けて行なうガスドーピングによっても達成されない。

例えば１０１３乃至１０１４ｃｍ−３という低いドープ
物質濃度であっても従来の方法によって再現性良く設定
することは困難である。

上記の方法を実施するだめの装置は排気可能の容器を備
え、その中で半導体棒が容器の蓋と底を通して導入され
た保持部によって垂直に保持される。

ドープ物質はガス状半導体化合物と共に輸送ガスに混合
して電流で加熱された半導体棒に吹きつけてそこで熱分
解させる（Ｃ−過程）か．またはるつぼなしの帯域溶融
中輸送ガス流によって直接溶融帯域に導く。

後者の方法ではドープ材料として取扱い易く蒸発し易い
ホウ素およびリンの化合物を使用する。

この場合ドープ物質供給量はバルプで調整する。

この方法の大きな欠点は供給量を調整するバルブの動作
が不正確なことである。

そのため作られた半導体結晶棒のドーピングの再現性が
悪い。

更にこの方法とそれを実施する装置によっては帯域溶融
後のドープ物質分布が不均一になり易い。

この発明はこれらの欠点を除去して簡単かつ合理的な方
法により結晶棒の長さに沿ってまたその断面において均
一であり所定の大きさであるドープ物質濃度を得ること
を目的とするものである。

この発明の装置は次の特徴を持つ。

ａ）少くとも一つの垂直に立てた半導体結晶棒κ対する
少くとも一つの回転および軸方向移動可能な保持装置が
設けられている照射塗を備える。

ｂ）制御された上下運動を行わせる駆動機構が保持装置
に連結されている。

ｃ）照射室の側壁部分に放射線源に対する接続部が設け
られている。

この発明は雑誌“Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ
．”１０８巻（１９６１年）１７１〜１７６頁に発表さ
れたＴａｎｅｎｂａｕｍおよびＭｉｌｌｓの論文に記載
されているように、シリコン結晶を熱中性子で照射する
とｎ型の電気伝導性が得られるという事実を利用するも
のである。

シリコン中に天然に存在する同位元素３０Ｓｉが熱中性
子を吸収してγ線を放出すると不安定な同位元素３１Ｓ
ｉに変り、この同位元素はβ−線放出（半減期２６２ｎ
）により安定な同位元素３１Ｐとなる。

この反応 利用したシリコンの放射線照射ドーピングでは、３１Ｓ
ｉまで完全に減衰しまた３０Ｓｉの減損が無視できる程
度であるという前提で次の簡単な関係が成立する。

Ｎｐ＝１．７×１０−４∂・ｔ ここで ＮＰ：リンの濃度（ｃｍ−３） ∂：熱中性子束（ｃｍ−２ｓ−１） ｔ ：照射時間（ｓ） この発明の一つの実施例においては放射線源として原子
炉から出て中性子案内体によって集束された中性子線が
使用される。

しかしこの発明は放射線源として中性子線の使用に限定
されることなく、その他の放射線例えば陽子、重陽子、
γ光子、α粒子、３Ｈｅ粒子等で照射し半導体結晶内に
核転換を起させてドープ原子を作ることも可能である。

この発明の一つの実施例においては、照射室がアルミニ
ウム、合金鋼、錫および鉄を含むジルコニウム合金、石
英または炭化水素重合体例えばポリエチレンで作られる
。

照射室内は清潔に保たなければならな一から、保護ガス
例えばヘリウムの導入管と排出管を照射室に設ける。

この発明による装置は、放射線源を管または円筒から成
る中性子案内体を通して照射室に接続することも可能で
ある。

中性子案内体としては反射面を持つガラス伝送路または
グラファイトブロックが考えられる。

この発明の一つの実施例では半導体棒保持装置が中性子
吸収の少ない材料例えばアルミニウムで作られている。

照射室の底部に設けられ半導体棒の自由端を挿入する筒
も同様な材料で作られる。

照射中半導体結晶内に発生する熱を放出するため結晶棒
保持装置、自由端挿入筒および照射室の側壁を冷却剤流
通路に接続することができる。

保護ガスも冷却剤で冷却することが可能である。

更にこの発明によれば、中性子束通路κ半導体棒または
中性子源またはその双方に相対的に軸方向の移動が可能
な中性子吸収シャツタが設けられる。

この場合核転換、従ってドープ元素の生成は主としてこ
のシャツタによって遮蔽されていない領域に限定される
。

このシャツタは中性子束の不均一性を除去し、棒の長さ
の方向においての所望のドーピングプログラムの設定を
可能にすると同時に、シャツタ壁の厚さの変化を異った
ドープ物質濃度の設定に利用することができる。

中性子吸収物質としてはカドミウム、カドリニウムまた
はホウ素が使用される。

吸収シャツタは成型体、箔または蒸着層等の単純の形態
のままでよい。

蒸着層は、不活性材料例えば石英から成る支持体上に設
けてもまたは直接半導体結晶棒表面に設けてもよい。

従って蒸着層は純金属を石英板に蒸着するか、直接Ｓｉ
Ｏ２層で保護された半導体表面に蒸着して作る。

これにより熱放出が効果的となり、照射位置の利用度が
高まる。

不可避的に存在する表面不純物は照射後エッチングによ
って除去することができる。

この発明の別の実施例によれば、吸収シャツタが吸収物
質の化合物例えば酸化物の成型体で作られるか、吸収の
大きい同位元素１１３Ｃｄ，１５７Ｇａ，１０Ｂを濃縮
した吸収物質の溶液を石英管に入れたものが使用される
。

照射中性子の利用率を高めるため一本の半導体棒の代り
に半導体等の束を照射するようにする。

棒の束は回転パレットに並べて配置し、その総ての容積
素が平均して同じ時間だけ最大中性子束部分内にあるか
または意識的に最大中性子束部分内にある時間が異なる
ようにする。

このことは、シリコンが弱い中性子吸収体であって中性
子分布がシリコンの存在によって余り変化しないことに
よって可能となるものである。

点状の中性子発生源からの指向性の高速中性子による核
反応の場合、標的に入射する一次イオン流を適当に偏向
することにより場所に関係して中性子照射強度を変化さ
せることができる。

照射の実施には放射線源として原子炉、粒子加速機また
は放射性核種源を使用することができる。

この発明による装置の重要な特徴は、半導体結晶棒が放
射線源に対して棒軸方向および水平方向に回転して移動
し、その結果静止中性子源を使用する場合中性子流が棒
表面で螺旋を画くことである。

従ってドーピング濃度は中性子流密度∂の外、棒の回転
数と上下動速度、即ち中性子流の照射時間によって決定
される。

棒の長さに沿っての所望のドープ物質濃度分布は、吸収
シャツタを使用しない場合駆動機構によって棒保持装置
に伝えられる上下運動を通して設定される。

この上下運動を制御するため棒保持装置に強磁性心を結
合し、これを照射室外に設けた連行電磁石と連動させる
。

プロセス計算機を使用しドーピングプログラムに従って
棒の上下運動を制御することも可能である。

以下に図面に示した実施例によってこの発明を更に詳細
に説明する。

第１図に結晶棒保持部２を備え中性子源４に接続された
アルミニウム製の照射室３を示す。

中性子案内体を含む接続部５は室３の側壁に設けられて
いる。

中性子案内体は反射面を持つガラス伝送路６から成る。

室３の側壁の残りの部分はグラファイトの内張り１で覆
われている。

アルミニウムで作られて腟る棒保持部２は室３の蓋を通
して導入され、直径３０ｍｍの未ドープシリコン棒７を
垂直に保持する。

棒７の自由端（下端）は室３の底にとりつけてあるアル
ミニウム製の挿入筒８にさしこまれている。

保持部２は室３の外部にある駆動機構（これは図に示さ
れていない）に連結され、それにより保持部２、従って
棒７が矢印９で示されているように上下に運動する。

更に棒はドーピングを均一にするため駆動装置によって
矢印１０で示されているようにその垂直軸の回りに回転
させられる。

１３と１４で示した導入管と排出管により室３に保護ガ
スを満たすことができる。

静止した中性子源４から中性子流１１（これは点で表わ
されている）が回転しながら所望のドーピングに対応し
て調整された上下運動を行っているシリコン結晶棒７に
向けられ、結晶棒７の一部１２が照射されてドープされ
る。

保持部２を通して結晶棒７が回転すると同時に所望のド
ーピングプログラムに対応して上下運動を行い、照射部
１２が棒を通して移動するから、中性子束が棒の側面に
当る中心点は棒の側面上に螺旋を画き、その間隔従って
中性子流が棒の表面に滞留する時間が棒内に作るドーピ
ング濃度に対応する。

ドーピング濃度はこの外に中性子束密度ａに関係する。

実施例 １ 直径３０ｍｍのシリコン単結晶棒の長さの方向に一様な
２００Ωｃｍのｎ型比抵抗を作るためには次のバラメー
ターを選ぶ。

リン濃度 ：２６×１０１３原子ｃｍ−３熱中性子束：
２×１０１２ 中性子ｃｍ−２ｓ−１棒保持部の移動速
度：０．５ｃｍｈ−１ 棒保持部の回転速度：毎時１０回転 照射後の熱処理＝８００℃以上の温度で最低１０分間 第２図は照射室の別の構造を示すもので、第１図と対応
する部分には同じ符号がつけてある。

点で表わされている中性子束１１中に、中性子吸収材料
例えばカドミウムで作られシリコン単結晶機７を完全に
包囲する二つの部分１５と１６から構成されたスリット
付シャッタ１７が置かれている。

これらの部分はシリコン単結晶棒Ｔと中性子源４に相対
的に矢印１８で示すように棒軸方向の移動が可能であっ
て、部分１５と１６の移動速度を変えることによりスリ
ットの間隔を増減させてシリコン単結晶棒７の照射領域
の拡がシを変化させることができる。

この運動に加えて棒７の上下運動が矢印９で示すように
行われるから、シリコン単結晶棒の全長に亘って一回の
照射帯移動によりドープ度を異にする棒区域を作ること
ができるから、この結晶棒から各種の型式の半導体デバ
イスを再現性良く製作することが可能となる。

これによって使用材料が節約され、消費時間が短縮され
る。

結晶棒のドーピング濃度に影響する別の因子としては照
射線量を選ぶことができる。

実施例 ２ シリコン単結晶棒４００Ω儂の比抵抗を与えるため次の
バラメーターを選ぶ。

リン濃度 ：１．３×１０１３原子ｃｍ−３熱中性子束
：４×１０１２中性子ｃｍ−２ｓ−１棒保持部の移動
速度：毎時２ｃｍ 棒保持部の回転速度：毎時６０回転 カドミウムシャッタの厚さ：２ｍｍ スリットの幅＝１０ｃｍ スリット幅の変化範囲＝２乃至２０ｃｍ この発明による装置は公知のドーピング装置と比べて次
の長所を持つ。

（１）結晶棒の直径が大きい場合にも結晶棒の総ての方
向において所定の一様なドープ物質濃度を再現性良く作
ることができる。

従って歩留りが向上する。

（２）るつぼなしの帯域溶融による均質化と比べて消費
時間が短縮され製作費が低下する。

（３）照射度を変えることによって場所によって異なっ
た所定のドーピングが可能となるから、濃度勾配の調整
がｐ型材料の場合補償により、ｎ型材料の場合放射線ド
ーピングの差によって達成される。

（４）中性子吸収シャツタと中性子案内体を使用するこ
とにより所望の濃度勾配と濃度分布が達成される。

区切られた区域内ではドーピングは著しく均一である。

（５）例えば拡散のような加熱処理を必要としないから
ドープされた材料部分が高い純度に保たれる。

（６）極めて抵抗の高い半導体材料、特に比抵抗が１０
００Ωｃｍ以上であるシリコンを作ることができるから
、これによって逆耐電圧が高く（例えば５０００Ｖ以上
）アバランシュ特性の勝激た大電流整流器およびサイリ
スタの製作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれこの発明の異なる実施例の断
面図であって、３は照射室、１はグラファイトの内張り
、２は結晶棒保持部、７は結晶棒、４は中性子源、５は
中性子源接続部、１１は中性子束である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも一つの垂直に立てた半導体結晶棒に対する
   少くとも一つの回転運動と軸方向移動の可能な保持装置
   が設けられている照射室を備え、半導体結晶棒保持装置
   には上下運動のための駆動機構が連結され、照射室側壁
   部分Ｋ放射線源接続部が設けられ、放射線源として原子
   炉からの集束された中性子束が中性子案内体を通して導
   入されることを特徴とする核反応を利用して半導体結晶
   棒にドープ物質を含ませる装置。 ２ 中性子束通路中に中性子吸収シャツタが半導体結晶
   棒と中性子源の一方または双方に対して可動的に設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。