-
Verfahren zum Dotieren eines stabförmigen Halbleiterkörpers Es ist
bekannt, einen vorgereinigten Halbleiterstab zum gezielten Dotieren auf seiner Länge
in gewissem Abstand mit Bohrungen zu versehen, in welche das als Störstellensubstanz
wirkende Material eingebracht wird, und dann über die Länge des Stabes einen diesen
umgebenden Heizring langsam zu verschieben, der in dem Halbleiterstab die Schmelzzone
von einer bestimmten axialen Länge erzeugt, so daß, sobald die erzeugte Schmelzzone
die Bohrungen überstreicht, welche das eingebrachte Störstellenmaterial enthalten,
diese eingebrachten Substanzen sich innerhalb gewisser Zonen des Halbleiterstabes
verteilen sollen.
-
Es war auch für ein Zonenschmelzen in einem Tiegel bekannt, einen
Einkristall des Materials an einem Ende der Tiegelfüllung anzuordnen, eine den Tiegel
umschließende Heizspule von einer anteiligen axialen Länge, bezogen auf die gesamte
Länge des Tiegels, zur Erzeugung der Schmelzzone in dem an den einkristallinen Teil
anschließenden Teil der Tiegelfüllung vorzusehen, die in der Längsrichtung über
den Tiegel und den Halbleiterkörper hinweggeführt werden soll und auf der Oberfläche
des Tiegelinhaltes eine bestimmte Menge oder mehrere anteilige Mengen von Störstellenmaterial
zu lagern, über welche die Schmelzzone hinweggeführt werden soll, so daß die Störstellensubstanz
dann von dem Bad der schmelzflüssigen Zone absorbiert wird, sobald die Schmelzzone
diese Störstellenmaterialmengen erreicht.
-
Ziel der Erfindung ist, bei einer Dotierung des stabförmigen Halbleiterkörpers
eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Dotierungsmaterials in dem Volumen des
Halbleiterkörpers durch einen Zonenschmelzvorgang zu erreichen, auch sehr kleine
Mengen an Störstellenmaterial, wenn sie nicht mehr ohne weiteres durch Wägen zu
erfassen sein würden, für eine solche Dotierung des Halbleiterkörpers benutzen zu
können und ferner zu erreichen, daß die beabsichtigte einzubringende Störstellenmaterialmenge
auch tatsächlich praktisch vollständig in den Halbleiterkörper hineingelangt und
nicht, wie es bei den angeführten bekannten Verfahren gegeben ist, bereits zufolge
der sich dem Störstellenmaterial annähernden Schmelzzone durch deren Einflüsse und
diejenigen der ihr voreilenden Erwärmung des zu dotierenden Halbleiterstabes in
ihrer absoluten Menge durch Abdampfen bzw. Sublimieren beeinträchtigt werden kann.
-
Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, daß, wenn ein solches
Störstellenmaterial unmittelbar auf den Halbleiterkörper aufgelegt wird und mit
diesem zusammen dann erhitzt würde, um dieses Störstellenmaterial in den Halbleiterkörper
hineinzuführen, die Schmelztemperaturen beider Körper gegebenenfalls derart voneinander
abweichend sein können, daß von dem Störstellenmaterial bereits eine gewisse Menge
abdampft, bevor überhaupt der Einführungsprozeß stattfindet, der durch den thermischen
Behandlungsvorgang beabsichtigt ist. Es ist daher notwendig, dieses einzuführende
Störstellenmaterial vorher gewissermaßen an der Stelle festzuhalten, von welcher
aus es in den Halbleiterkörper hineingeführt werden soll.
-
Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Dotieren eines
stabförmigen Halbleiterkörpers, indem an dem Stab ein Störstellenmaterial eingebracht
und dann mittels einer über dessen Länge nach dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren
hinweggeführten schmelzflüssigen Zone in dem Halbleiterstab verteilt wird, erreicht,
wenn erfindungsgemäß das Störstellenmaterial vor seinem Aufbringen auf den stabförmigen
Halbleiterkörper an einen Träger aus dem gleichartigen Halbleitermaterial in homogener
Verteilung oder als eine Legierung gebunden wird.
-
Für die Herstellung von pn-Schichthalbleitern aus Germanium oder Silizium
durch Einlegieren und Eindiffundieren war es bekannt, als Ausgangsmaterial für den
Legierungsprozeß zunächst eine Ausgangslegierung der Verunreinigung und der Verunreinigungssubstanz
bzw. Störstellensubstanz mit Germanium oder Silicium herzustellen und diese Ausgangslegierung
dann mit dem Halbleiterkörper in dem entsprechenden erwünschten Zonenbereich zur
Legierung
und Eindiffusion zu bringen. Diese Benutzung von Legierungen der Verunreinigungssubstanz
und des Halbleitermaterials bzw. des Germaniums hatte aber zum Ziel, nur zu einer
geringeren Eindringtiefe der Verunreinigungssubstanz in den Halbleiterkörper innerhalb
einer vorgegebenen Zeit und bei einer gegebenen Temperatur zu führen, also insbesondere
unter Beachtung der physikalischen Bedingungen, die jeweils das für die betreffende
Legierung zweier Stoffe bzw. dreier Stoffe maßgebliche Zustandsdiagramm ergibt.
Hierbei handelt es sich also nicht um die gleichmäßige gezielte Dotierung eines
Halbleiterstabes in seinem gesamten Volumen im Sinne der Zielsetzung der vorliegenden
Erfindung.
-
Es war ferner für die Herstellung von Halbleiterkörpern mit einem
oder mehreren pn-Übergängen für die Zielsetzung, die Lage des pn-Überganges und
den Verunreinigungsgradienten, also das Verhältnis der Zahl der Störstellen je Kubikzentimeter
zur Wegeinheit der Eindringtiefe leicht und genau kontrollieren zu können, ein Verfahren
bekannt, ohne den Halbleiterkörper irgendeiner vorher bestimmten Wärmebehandlung
zu unterwerfen, eine kleine Menge einer geschmolzenen Legierung, bestehend aus einem
Halbleiter und einer Donatoren- oder einer Akzeptorenverunreinigung und gegebenenfalls
eines neutralen Verunreinigungselementes, vorzugsweise als Tropfen durch eine Öffnung
im Boden des Schmelzenbehälters auf die darunter angeordnete Halbleiteroberfläche
durch freien Fall aufzubringen und unter Ausnutzung des Wärmeinhaltes des Tropfens
die zur Dotierung benutzte Schmelze mit dem Halbleiterkörper zur Legierung zu bringen,
so daß jene eine bestimmte Tiefe erreichen sollte.
-
Hierbei wurde eine genaue Kontrolle der Wärmebehandlung vorgeschlagen,
da ein zu langes oder zu hohes Erhitzen eine Verunreinigungsdurchsetzung des ganzen
Halbleiterkörpers verursachen würde, so daß also kein pn-Übergang erzeugt werden
würde.
-
Es handelte sich also nicht um die gleichmäßige Dotierung eines Halbleiterstabes,
aus welchem dann Halbleiterkörper geschnitten werden können, die als Ausgangshalbleiterkörper
bestimmter Grunddotierung in ihrem gesamten Volumen gleichmäßig p- oder n-leitend
dotiert sind.
-
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann für die Bildung des Störstellenmaterialträgers
ein Hilfsstab an seiner Oberfläche mit einer entsprechenden Menge an Störstellenmaterial
versehen werden, dann über dieses Material eine entsprechende Schmelzzone hinweggeführt
werden, so daß in dem Volumen des Hilfsstabes das Störstellenmaterial verteilt wird.
Alsdann werden aus diesem Hilfsstab entsprechende Teilkörper geschnitten und diese
Teilkörper dann an dem endgültigen Stab gelagert, der in seinem Volumen derart dotiert
werden soll, daß aus diesem geschnittene Körper als Ausgangshalbleiterkörper für
die Herstellung von Halbleiteranordnungen gebildet werden können.
-
Es kann auch ein Hilfskörper benutzt werden, der aus dem gleichen
Material besteht wie der Halbleiterstab, der dotiert werden soll. An diesem Halbleiterkörper
wird nach Art des üblichen Legierungsverfahrens das Störstellenmaterial aufgebracht
und anschließend ein Einlegierungsprozeß bis zu einer bestimmten Tiefe durchgeführt.
An diesem Hilfskörper wird dann ein selektiverÄtzprozeß durchgeführt, durch den
das oberhalb des eigentlichen Halbleiterkörpers vorhandene Einlegierungsmaterial
wieder entfernt wird, so daß dann nur ein Restkörper vorliegt aus dem ursprünglichen
Halbleitermaterial mit einer einlegierten dotierten Zone. Aus diesem Hilfskörper
werden jetzt Teilkörper abgetrennt, die eine Menge an Störstellenmaterial entsprechend
der an dem zu dotierenden Stab zu erzeugenden Störstellenkonzentration enthalten,
und ein solcher Körper dann an demjenigen Stab gelagert, welcher zu dotieren ist,
wonach dann über die Lagerungsstelle dieses Hilfskörpers die flüssige Schmelzzone
hinweggeführt wird, um die Dotierung des Halbleiterstabes durchzuführen, aus dem
dann Halbleiterkörper für Halbleiteranordnungen geschnitten werden sollen.
-
Bei der Anbringung eines solchen Teilkörpers können ebenfalls verschiedene
Maßnahmen benutzt werden. Es kann das Material, welches an dem zu dotierenden Halbleiterstab
als mit Störstellenmaterial angereicherte Substanz angebracht wird, an einer Oberflächenstelle
bereits in der Form gelagert werden, daß es über den gesamten Umfang des Halbleiterstabes
herum verteilt ist, z. B. als Ringkörper. Das wird dann eine gewisse Gleichmäßigkeit
für die Verteilung dieser mit Störstellenmaterial angereicherten Substanz in der
schmelzflüssigen Zone ergeben, wenn diese über diese Körper hinweggeführt wird.
-
Das tiegelfreie Zonenschmelzen kann dabei sowohl in vertikaler als
auch in horizontaler Lage erfolgen. Die Schmelzzone kann dabei in bekannter Weise
durch magnetische Stützfelder gestützt werden.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist 1 ein Halbleiterstab,
der z. B. aus reinem Silicium besteht und der mit einem Zusatzstoff, z. B. Antimon,
dotiert werden soll. Dieser Halbleiterstab ist an der Stelle 2 mit einer eingearbeiteten
Kerbe versehen, die z. B. mittels eines Sägeschnittes hergestellt sein kann. In
dieser Kerbe 2 ist nach einem an ihr vorausgegangenen Ätzprozeß mit einer
Lösung aus Salpetersäure und Flußsäure der Körper 3 eingelagert, der als Träger
des an ihn gebundenen Störstellenmaterials aus einem gleichartigen Halbleiterwerkstoff
besteht, in welchem z. B. Antimon als Störstellenmaterial in einer bestimmten Verteilung
enthalten ist. Für die Dotierung des Halbleiterkörpers 1 mit dem in oder
an dem Körper 3 vorhandenen Zusatzstoff wird nun der Körper 1 zunächst an der Stelle
4, die sich unterhalb der Stelle befindet, an welcher der Körper mit dem Störstellenmaterial
eingelagert ist, durch Hochfrequenzerhitzung mittels der Spule 13 in einer
bestimmten Zonenbreite in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt. Diese schmelzflüssige
Zone wird durch eine Relativbewegung zwischen der Spule 13 und dem Stab 1 in der
Richtung des Pfeiles 5 nach oben geführt. Sobald die schmelzflüssige Zone 4 die
Zone erreicht, wo der Körper 3 gelagert ist, wird das Störstellenmaterial in den
Schmelzfluß aufgenommen und löst sich in diesem. Die schmelzflüssige Zone ist auf
diese Weise nunmehr mit einer eindeutig bestimmten Menge bzw. Konzentration an Störstellenmaterial
angereichert. Bei dem weiteren Aufwärtsführen der schmelzflüssigen Zone 4 wird somit
sinngemäß das Störstellenmaterial entsprechend seinem Verteilungskoeffizienten in
bezug auf den Halbleiterwerkstoff in dem Halbleiterkörper 1 verteilt und damit eine
eindeutige Dotierung dieses Körpers mit dem Störstellenmaterial erreicht. Unter
Verteilungskoeffizient ist hierbei das Verhältnis der Konzentrationen des Körpers
an der Phasengrenze zwischen
festem und flüssigem Zustand zu verstehen.
Der Körper 3 kann beispielsweise eine Konzentration von etwa 101s Antimonatomen
je Kubikzentimeter aufweisen. Die Größe des Körpers 3 ist derart gewählt, daß sich
in der Zone eine ganz bestimmte Konzentration des Zusatzstoffes im Halbleiterkörper
in der schmelzflüssig gemachten Zone einstellt. Der Körper ist in derjenigen Richtung,
in welcher die schmelzflüssige Zone über ihn hinweggeführt wird, kleiner als die
Breite dieser Zone.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 hat der Halbleiterkörper
6, der dotiert werden soll, die Form eines Stabes, der einen Teil geringeren Durchmessers
6a und einen Teil größeren Durchmessers 6b aufweist. An dieser Übergangsstelle zwischen
beiden Teilen verschiedenen Durchmessers ist auf dem gebildeten Absatz 6 c der Körper
7 mit dem Störstellenmaterial, z. B. in Form eines Ringkörpers, gelagert. Hierdurch
ist die Masse dieses Trägerkörpers bereits in der Umfangsrichtung des Stabes gleichmäßig
aufgeteilt vorhanden und wird in solcher Verteilung von der Schmelzzone gelöst und
absorbiert. Es wird nunmehr wieder ein Zonenschmelzverfahren angewandt, in dessen
Verlauf der Körper 6 zunächst an der Stelle 6 d mittels der Hochfrequenzspule 13
in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt wird und diese schmelzflüssige Zone
dann in Richtung des Pfeiles 5 nach oben geführt wird. Es geht dann sinngemäß der
Körper 7 wieder in dem Halbleitermaterial in der Schmelzzone in Lösung, wodurch
dann bei dem Aufwärtsführen der Schmelzzone eine entsprechende Dotierung des Halbleiterkörpers
6 stattfindet.