CS256526B1 - Method of siliceous crystals doping method during high-frequency overhung zone melt - Google Patents

Abstract

Řeěení se týká způsobu dotováni krystalů křemíku při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě reakční plynné dotující látky s roztaveným křemíkem. Podstata spočívá v tom, že plynná dotujíoi látka se dávkuje do proudu argonu a s ním přivádí k povrohu roztaveného pásma ve formě diskrétních, periodicky se oppkujíoíoh dávek v podobě pulsů o výěoe pulsu odpovídající okamžité konoentraoi plynné dotující látky v proudu argonu a o době pulsu 0,1 s až 100 s, po níž následuje prodleva o nulové koncentraci plynné dotujíoi látky. Při frekvenci pulsů 0,005 Hz až 5 Hz je poměr doby pulsu k opakovači době pulsu v rozsahu 1 : 2 až 1 t 1 000The present invention relates to a method for doping crystals of silicon at high frequency flush band melt reaction reaction gas dopant with molten silicon. The essence lies in that the gaseous dopant is dosed into the stream of argon and with it leads to the screed molten zone in the form of discrete, periodically oppkujíoíoh doses in the form pulses to produce a pulse corresponding to instantaneous conoentraoi of the gaseous dopant in the stream argon and a pulse time of 0.1 s to 100 s, po followed by a zero concentration delay gaseous dopants. At frequency pulses of 0.005 Hz to 5 Hz is the pulse time ratio to a pulse repetition time of 1: 2 up to 1 t 1,000

Description

Vynález se týká způsobu dotování krystalů křemíku při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě reakcí plynné dotující látky s roztaveným křemíkem v ochranném průtočném argonu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a process for doping silicon crystals in high-frequency flying band melting by reacting a gaseous dopant with molten silicon in a protective flow argon.

Pro výfobu polovodičových součástek je zapotřebí polovodičového křemíku ve formé krystalů a definovaným obsahem električky aktivní příměsi. Zmíněné polovodičové součástky většinou obsahují jako základní součást tenkou křemíkovou destičku vyrobenou rozřezáním válcového krystalu křemíku kolmo k jeho ose, přičemž průměr destičky je shodný s průměrem krystalu. Obsah elektricky aktivní příměsi v krystalu křemíku je definován jeho rezistivitou, takže potřeba definovaného obsahu elektricky aktivní příměsi je totožná s požadavkem minimální odchylky od nominální rezi3tivity. Pro výrobu polovodičových krystalů křemíku metodou vysokofrekvenční letmé páanoré tavby v ochranném průtočném prostředí argonu ee používá vstupního polykrystalického materiálu, který má úejčastěji koncentraci příměsi definovánu hormí přípustnou mezí koncentrace nebo výjimečně povolenou odchylkou od koncentrace nominální. V obou případech dochází k disproporcím mezi obsahem příměsi v surovině a potřebnou kohcentrací příměsi ve finálním krystalu křemíku. Obsah žádané příměsi je třeba upravovat některým ze známých způsobů obohacování polovodičového křemíku žádanou příměsí, obecně známých pod. pojmem dotování.In order to produce semiconductor devices, semiconductor silicon in the form of crystals and a defined content of the active ingredient tube is required. Said semiconductor components generally comprise as a base component a thin silicon wafer produced by cutting a cylindrical crystal of silicon perpendicular to its axis, the diameter of the wafer being equal to the crystal diameter. The electrically active dopant content of the silicon crystal is defined by its resistivity, so that the need for a defined electrically active dopant content is identical to the requirement of a minimum deviation from the nominal resistivity. For the production of semiconductor silicon crystals by the high-frequency fly-through melting method in argon ee protective flow media, it uses a polycrystalline feedstock, which most commonly has an admixture concentration defined by a hormone permissible concentration limit or an exceptionally permissible deviation from the nominal concentration. In both cases, there is a disproportion between the admixture content in the feedstock and the necessary co-concentration of the admixture in the final silicon crystal. The desired impurity content must be adjusted by any of the known methods of semiconductor silicon enrichment of the desired impurity, generally known in the art. the term subsidies.

• 256526• 256526

- 2 Je známa řada způsobů dotování krystalů křemíku aplikovaných při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě v ochranném průtočném prostředí argonu využívajících k dotaci různých chemických látek, které obsahují atomy žádané příměsi. Tyto látky jsou v různé ' formě, plynné, kapalné nebo pevné přiváděny do blízkosti roztaveného pásma, kde při vysokých teplotách reagují s taveným křemíkem a volné atomy příměsi difundují do roztaveného pásma. Stupeň dotování je ovládán řízením množství přiváděné dotující látky, ředěním ochraným nereagujícím mediem, změnou tense par v závislosti na teplotě a pod.A number of methods of doping silicon crystals applied in high-speed flying band melting in a protective flow-through environment of argon using a variety of chemical substances that contain atoms of the desired dopant are known. These substances are supplied in various forms, gaseous, liquid or solid, in the vicinity of the molten zone, where they react at high temperatures with fused silicon and the free admixture atoms diffuse into the molten zone. The degree of doping is controlled by controlling the amount of dopant supplied, diluting with a protective non-reactive medium, changing the vapor pressure as a function of temperature, and the like.

Uvedené známé způsoby dotování mají některé nevýhody, které souvisejí s extremními podmínkami při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě, kde často dochází k fluktuacím teplotních podmínek, k tepelnému rozkladu a snížení účinnosti dotující látky a k ukládání dotující látky a zplodin rozkladu na stěny zařízení a na vlastní tavený ingot křemíku, což všechno vede ke snížení přesnosti a reprodukovatelnosti procesu dotování.These known doping methods have some disadvantages associated with the extreme conditions of high-frequency flying band melting, where temperature fluctuations often occur, thermal decomposition and degradation of the dopant, and deposition of dopant and decomposition products on the walls of the apparatus and on the fused ingot itself. of silicon, all of which leads to a decrease in the accuracy and reproducibility of the doping process.

Další známý.způsob dotování krystalů křemíku fosforem z tepelného rozkladu fosfinu odstraňuje z části nevýhody výše uvedených způsobů dotování tak, že bezprostředně k povrchu roztaveného pásma křemíku se v průběhu tavby přivádí úzký proud argonu s definovaným obsahem fosfinu jako dotující látky.Another known method of doping silicon crystals with phosphorus from thermal decomposition of phosphine removes, in part, the disadvantages of the aforementioned doping processes such that a narrow stream of argon with a defined phosphine content as dopant is fed directly to the surface of the molten silicon zone.

Tím je dosaženo reprodukovatelného přestupu fosforu do roztaveného· pásma a je značně zvýšena účinnost dotování a využití dotovací látky.This achieves a reproducible transfer of phosphorus to the molten zone and greatly increases the efficiency of doping and the utilization of the dopant.

Nevýhodou této metody je snižování přesnosti a reprodukovatelnosti dotování při požadavku nízké hladiny příměsí v křemíku vlivem nedostupné citlivosti a přesnosti zařízení pro měření a stabilizaci malých průtoků plynů a vlivem samovolného rozkladu silně zředěných dotujících látek v zásobníku.The disadvantage of this method is the reduction of the accuracy and reproducibility of doping when low levels of silicon impurities are required due to the unavailable sensitivity and accuracy of the low gas flow measurement and stabilization equipment and the spontaneous decomposition of heavily diluted dopants in the reservoir.

Uvedené nedostatky dosud známých způsobů odstraňuje způsob dotování krystalů křemíku při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě reakcí plynné dotující látky s roztaveným křemíkem v ochranném průtočném prostředí argonu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že plynná dotující látka se dávkuje do proudu argonu a s ním přivádí k povrchu roztaveného pásma ve formě diskrétních periodicky se opakujících dávek v podobě pulsů o výšce pulsu odpovídající okamžité koncentraci plynnéThe above mentioned drawbacks of the hitherto known methods are eliminated by the method of doping silicon crystals in high-frequency flying band melting by reacting a gaseous dopant with molten silicon in a protective flow medium of the present invention, which consists in feeding the gaseous dopant into the argon stream and bringing it to the surface molten zone in the form of discrete periodically repeated doses in the form of pulses with a pulse height corresponding to the instantaneous concentration of gaseous

dotující látky v proudu argonu a o době pulsu 0,1 s až 100 s, po níž následuje prodleva o nulové koncentraci plynné dotující látky, přičemž při frekvenci pulsů 0,005 Hz až 5 Hz je poměr doby pulsu k opakovači době pulsu v rozsahu 1 : 2 až 1 s 1000·dopant in an argon stream and a pulse time of 0.1 s to 100 s, followed by a zero-concentration gaseous dopant, with a pulse frequency to pulse repetition ratio ranging from 1: 2 to 5 Hz at a pulse frequency of 0.005 Hz to 5 Hz 1 s 1000 ·

Výhody navrženého způsobu dotování krystalů křemíku spočívají v tom, že během pásmové tavby je povrch roztaveného pásma ve etyku s plynným prostředím, jež obsahuje definovanou, periodicky se měnící koncentraci dotující látky, jejíž průměrná hodnota odpovídající stupni dotování se v průběhu tavby reguluje v závislosti na vstupní koncentraci (dotujícího prvku a s ohledem na finální koncentraci dotujícího prvku v krystalu křemíku. Pokud opa-kovací doba pulsních dávek je dostatečně krátká vzhledem k odezvě dotujícího systému, nemá periodicita dodávání dotující látky podstatný vliv na axiální homogenitu dotování. Plynná dotující látka se přivádí k povrchu roztaveného pásma křemíku ve formě dávek v podobě pulsů o okamžité koncentraci podstatně větší, než je průměrná hodnota koncentrace, což umožňuje používat dotujících látek ve větších koncentracích, kde ještě nedochází k patrnému samovolnému rozkladu v zásobníku, případně větších prxitoků plynné dotující látky, zajistitelných běžně dostupnými zařízeními.Advantages of the proposed silicon crystal doping method are that during band-melting, the surface of the molten zone is in ethylene with a gaseous medium containing a defined, periodically varying concentration of dopant whose average value corresponding to the degree of doping is controlled during the melting process If the repetition time of the pulsed doses is sufficiently short relative to the response of the doping system, the periodicity of the dopant supply does not significantly affect the axial homogeneity of the doping. the molten silicon band in the form of doses in the form of pulses of instantaneous concentration substantially greater than the average concentration, thus allowing the use of dopants at higher concentrations where no apparent concentration is yet evident spontaneous decomposition in the reservoir, or larger prxitoks of gaseous dopant, secured by commercially available devices.

Další výhoda navrženého způsobu dotování krystalů křemíku oproti dosud známým způsobům spočívá v tom, že převádí měření a regulaoi průtoku dotující látky na měření a regulaci času, konkre'tně regulaci poměru doby pulsu k opakovači době pulsu, což je operativnější, přesnější a vhodnější pro zařazení do automatizovaných systémů řízených mikroprocesory.Another advantage of the proposed method of doping silicon crystals over the prior art methods is that it converts the measurement and control of the dopant flow to the measurement and control of time, specifically the control of the ratio of pulse time to pulse repeater, which is more operational, accurate and into automated systems controlled by microprocessors.

Příklad provedení.Exemplary embodiment.

Dotování krystalu křemíku průměru 41 až 43 mm při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě v ochranném prostředí argonu o průtoku 1 1/min rychlostí posuvu 3,5 mm/min na požadovanou .koncentraci fosforu odpovídající rezistivitě 60 ohmem se provádí přiváděním dávek fosfinu v podobě pravoúhlých pulsů o koncentraci 0,5 ppm k povrchu roztaveného pásma, přičemž při frekvenci pulsů 0,01 Hz je poměr doby pulsu k opakovači době pulsu 1 : 10.The doping of the 41 to 43 mm diameter silicon crystal at high-speed flying band melting in an argon shielding medium at a flow rate of 1 / min at a feed rate of 3.5 mm / min to the desired phosphorus concentration corresponding to 60 ohms resistivity is carried out by feeding phosphine doses in rectangular pulses. a concentration of 0.5 ppm to the surface of the molten zone, wherein at a pulse frequency of 0.01 Hz, the ratio of pulse time to pulse repetition time is 1: 10.

Využití vynálezu umožňuje přesné a reprodukovatelné dotování krystalů křemíku v širokém rozsahu koncentrací dotujícího prvku v křemíku s možností napojení na automatizované systémy řízené mikroprocesory. V případě dotování křemíku fosforem z tepelného rozkladu fosfinu se zvyšuje hranice reprodukovatelností metody na spodní mez koncentrace fosforu v křemíku odpovídající rezistivitě 300 úhrnem.The application of the invention allows for accurate and reproducible doping of silicon crystals over a wide range of dopant element concentrations in silicon with the possibility of connection to automated microprocessor-controlled systems. In the case of doping silicon with phosphorus from the thermal decomposition of phosphine, the limit of the reproducibility of the method increases to a lower limit of the phosphorus concentration in silicon corresponding to a total resistance of 300.

Claims (1)

Způsob dotování krystalů křemíku při vysokofrekvenční letmé pásmové tavbě reakcí plynné dotující látky a roztaveným křemíkem v ochranném průtočném prostředí argonu, vyznačený tím, že plynná dotující látka se dávkuje do proudu argonu a s ním přivádí k povrchu roztaveného pásma ve formě diskrétních periodicky se opakujících dávek v podobě pulsů o výšce pulsu odpovídající okamžité koncentraci plynné dotující látky v proudu a^rgonu a o době pulsu 0,1 s až 100 s, po níž následuje prodleva o nulové koncentraci plynné dotující látky, přičemž při frekvenci pulsů 0,005 Hz až 5 Hz je poměr doby pulsu k opakovači době pulsu v rozsahu 1 :2 až 1 : 1000.A method of doping silicon crystals in high-frequency flying band melting by reacting a gaseous dopant with molten silicon in a protective flow medium of argon, characterized in that the gaseous dopant is metered into the argon stream and fed to the surface of the molten zone in the form of discrete periodic doses pulses with a pulse height corresponding to the instantaneous concentration of the gaseous dopant in the stream α and a pulse time of 0.1 s to 100 s followed by a zero concentration of the gaseous dopant, with a pulse rate ratio of 0.005 Hz to 5 Hz to a pulse repetition time ranging from 1: 2 to 1: 1000.