DE2143834C3 - Method for adjusting the dopant concentration of semiconductors during zone cutting - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Dotiersioffkonzentration von Halbleitern der im Oberbegriff des im Patentanspruch angegebenen Gattung.The invention relates to a method for adjusting the dopant concentration of semiconductors of the im Generic term of the genus specified in the claim.

Es ist bekannt, einem Dotierungssystem mit Hilfe von Magnetventilen genau definierte Mengen eines Dotierstoffes zuzuführen (Solid State Technology, Oktober 1966, S. 54), wodurch sich durch Steuerung der Gasströme und Verunreinigungen während der Ablagerung und Diffusion gleichmäßige Diffusionsparameter bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten erreichen lassen.It is known to use a doping system Supplying precisely defined amounts of a dopant to solenoid valves (Solid State Technology, October 1966, p. 54), thereby controlling the gas flows and impurities during the deposition and diffusion achieve uniform diffusion parameters at high production speeds permit.

Ein Verfahren zur Einstellung der Dotierstoffkonzentration von Halbleitern der angegebenen Gattung ist aus der US-PS 31 08 073 bekannt; bei diesem Verfahren wird ein definiertes Gemisch aus Inertgas und gasförmigem Dotierstoff der Zonenschmelzkammer während eines Schmelzzonendurchganges bei konstantem Druck zugeführt. Dabei wird vor dem Dotiervorgang der Partialdruck des Dotierstoffes stufenweise auf den gewünschten Wert gebracht, während die Dotierung selbst unter konstantem Druck erfolgt.A method for adjusting the dopant concentration of semiconductors of the specified type is known from US-PS 31 08 073; In this process, a defined mixture of inert gas and gaseous dopant of the zone melting chamber during a melting zone passage at constant Pressure supplied. The partial pressure of the dopant increases in stages before the doping process brought the desired value, while the doping takes place even under constant pressure.

In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, daß es bei diesem Verfahren insbesondere bei einer Änderung der eingestellten Dotierstoffkonzentration zu starken Schwankungen der erreichten Konzentration kommen kann.In practice, however, it has been found that it is in this method, especially when changing the Set dopant concentration lead to strong fluctuations in the concentration achieved can.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung der Dotierstoffkonzentration der angegebenen Gattung zu schaffen, das auch bei einer Änderung der gewünschten Dotierstoffkonzentration sofort Halbleiter mit der richtigen Konzentration liefert.The invention is therefore based on the object of a method for setting the dopant concentration to create the specified genus, even with a change in the desired dopant concentration immediately delivers semiconductors with the right concentration.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is given by what is stated in the characterizing part of the patent claim Features solved.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgenden Überlegungen: Bei dem bekannten Verfahren zur Einstellung der Dotierstoffkonzentration von Halbleitern wird der Druck des zugeführten Gemisches aus Intergas und gasförmigen Dotierstoff stufenweise geändert, wenn Halbleiter mit anderer Dotierstoffkonzentration hergestellt werden sollen. Dabei macht sich jedoch ein sogenannter »Speichereffekt« bemerkbar; denn es läßt sich nicht vermeiden, daß sich ein Teil des Inertgases, aber auch des Dotierstoffes, durch Adsorption an den Wänden des Gaszuführsystems bzw. der Zonenschmelzkammer ablagert, wobei die adsorbierte Menge vom Gasdruck des Systems abhängt. Wird nun der Gasdruck gesenkt, wie es bei dem bekannten Verfahren beispielsweise bei einer Verringerung der Dotierstoffkonzentration erforderlich ist, so kommt es zu einer Desorption des abgelagerten Gases, die sich wiederum in einer Änderung des der Zonenschmelzkammer zugeführten Gasgemisches und damit der erreichten Dotierstoffkonzentraiion bemerkbar macht Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt jedoch nun die Änderung der Dotierstoffkonzentration nicht mehr wie bei dem bekannten Verfahren durch eine Änderung des Druckes, sondern durch eine entsprechende Einstellung der Zeitspanne, in der der Zonenschrnelzkammer das Gemisch aus Inertgas und gasförmigen Dotierstoff zugeführt wird, während der Druck in der Zonenschmelzkammer unverändert bleibt Auf diese Weise läßt sich der erwähnte, auf die Adsorption des Gases in dem Gaszuführsystem bzw. der Zonenschmelzkammer zurückzuführende Speichereffekt vermeiden, da bei konstant gehaltenem Druck immer ein Gleichgewichtszustand zwischen der Gasatmosphäre und den an den Wänden adsorbierten Substanzen herrscht. Dieser Gleichgewichtszustand bleibt auch bei einer Änderung der Dotierstoffkonzentration erhalten, da hierbei, wie erwähnt, nicht der Druck in dem Gaszuführsystem bzw. in der Zonenschmelzkammer, sondern nur die Zeitspanne geändert wird, in der dieses Gemisch zugeführt wird. Wollte man bei dem bekannten Verfahren den erwähnten »Speichereffekt« ausschalten, so mußte die sogenannte »Einschwingzeit« berücksichtigt werden, d. h., bei einer Erhöhung oder Err.'edrigung der Dotierstoffkonzentration mußte eine gewisse Zeitspanne gewartet werden, bis sich wieder ein stabiler Gleichgewichtszustand eingestellt hatte. Da jedoch keine exakten Werte für diesen neuen Gleichgewichtszustand bekannt waren, war dieses Verfahren immer mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet; außerdem dauerte die Einschwingzeit, insbesondere bei starken Konzentrationsänderungen, immer relativ lange, so daß das bekannte Verfahren einen schlechten Wirkungsgrad hatte. Durch die hier beanspruchten Maßnahmen kann jedoch praktisch schlagartig die eingestellte Dotierstoffkonzentration in relativ weiten Grenzen geändertThe advantages achieved with the invention are based on the following considerations: In the known method the pressure of the mixture supplied is used to adjust the dopant concentration of semiconductors from inert gas and gaseous dopant changed gradually when semiconductors with different dopant concentration should be produced. In doing so, however, a so-called »memory effect« becomes noticeable; because it cannot be avoided that part of the inert gas, but also of the dopant, is absorbed by adsorption deposited on the walls of the gas supply system or the zone melting chamber, the adsorbed Amount depends on the gas pressure of the system. The gas pressure is now lowered, as is the case with the known Method is required, for example, when reducing the dopant concentration, so it comes to a desorption of the deposited gas, which in turn results in a change in the zone melting chamber supplied gas mixture and thus the achieved dopant concentration makes noticeable In the method according to the invention, however, the dopant concentration is now changed no longer by changing the pressure, as in the known process, but by a corresponding one Setting of the time span in which the zone melting chamber the mixture of inert gas and gaseous Dopant is supplied while the pressure in the zone melting chamber remains unchanged on this This can be applied to the adsorption of the gas in the gas supply system or the zone melting chamber Avoid the accumulation effect to be returned, as there is always a state of equilibrium when the pressure is kept constant between the gas atmosphere and the substances adsorbed on the walls. This The state of equilibrium is maintained even if the dopant concentration changes, because here, how mentioned, not the pressure in the gas supply system or in the zone melting chamber, but only the time span is changed in which this mixture is fed. If you wanted to use the known method turn off the mentioned "memory effect", the so-called "settling time" had to be taken into account, d. This means that when the dopant concentration was increased or decreased, a certain period of time had to be passed wait until a stable state of equilibrium has been established again. However, since no exact values were known for this new state of equilibrium, this procedure was always using afflicted with a certain inaccuracy; In addition, the settling time took longer, especially with strong ones Changes in concentration, always relatively long, so that the known method has poor efficiency would have. Due to the measures claimed here, however, the set dopant concentration can practically suddenly changed within relatively wide limits

■to werden, ohne daß es zu der oben erwähnten Ungenauigkeit kommt.■ to be without it being mentioned above Inaccuracy comes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfühlungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on exemplary embodiments with reference to the schematic drawings explained in more detail. It shows

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Gasmischkammern, undF i g. 1 is a schematic view of an embodiment of a device for carrying out the invention Process with two gas mixing chambers, and

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Gasmischkammer. Fig. 2 is a schematic representation of a further Embodiment of a device for carrying out the method according to the invention with a gas mixing chamber.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Mischen von Gasen, mit der die Dotierstoffkonzentration von Halbleitern in einer Zonenschmelzkammer 12 eingestellt werden kann. Durch ein Fenster 14 in der Zonenschmelzkammer 12 ist ein länglicher Halbleiterstab 16 zu erkennen, der durch ein übliches Zonenschmelzverfahren gereinigt worden ist, bei dem der Halbleiterstab 16 relativ zu einer Hochfrequenz-Heizspule 18 bewegt wird. Die Zonenschmelzkammer 12 wird kontinuierlich mit einem Schutzgas, einem Edelgas, über eine Zuleitung 67 und zusätzlich mit einem Gasgemisch aus Edelgas und einem gasförmigen Dotierstoff beschickt, und zwar über eine Rohrleitung 20, die in der Nähe der Schmelzzone 17 des Halbleiterstabes 16 in die Zonenschmelzkammer 12 ragt. Die Schutzgase und ihre Steuerung sollen imFig. 1 shows a device 10 for mixing gases, with which the dopant concentration of Semiconductors in a zone melting chamber 12 can be set. Through a window 14 in the Zone melting chamber 12, an elongated semiconductor rod 16 can be seen, which is produced by a conventional zone melting process has been cleaned, in which the semiconductor rod 16 relative to a high frequency heating coil 18 is moved. The zone melting chamber 12 is continuously supplied with a protective gas, a noble gas, Via a feed line 67 and additionally with a gas mixture of noble gas and a gaseous one Dopant charged, via a pipe 20, which is in the vicinity of the melting zone 17 of the Semiconductor rod 16 protrudes into zone melting chamber 12. The protective gases and their control should be in

folgenden noch im einzelnen erläutert werden. Die Schutzgase verdrängen vor jeder Zonenreinigung, bei der die Heizspule 18 über die Länge des Halbleiterstabes 16 geführt wird, die Luft und andere Gase aus der Zonenschmelzkammer IZwill be explained in detail below. The protective gases displace before each zone cleaning which the heating coil 18 is guided over the length of the semiconductor rod 16, the air and other gases from the Zone melting chamber IZ

Die Vorrichtung zur Zuführung des Schutzgases und des gasförmigen Dotierstoffes weist einen druckgeregelten Vorratsbehälter 22 für ein Edelgas sowie einen druckgeregelten Vorratsbehälter 24 für einen gasförmigen Dotierstoff auf. Der Behälter 22 kann beispielsv. eise ι ο Argon, der Behälter 24 beispielsweise reines Phosphingas (zur η-Dotierung) PH3 oder ein Gasgemisch aus Phosphingas und einem bestimmten Edelgas, beispielsweise Argon, enthalten. Mit dem Begriff »gasförmige Dotierstoffe«, wie er hier verwendet wird, um das Gas im Behälter 24 zu beschreiben, ist also entweder ein reiner, gasförmiger Dotierstoff oder ein gasförmiger Dotierstoff gemeint, der durch ein bestimmtes Edelgas verdünnt ist.The device for supplying the protective gas and the gaseous dopant has a pressure-regulated one Storage container 22 for a noble gas and a pressure-regulated storage container 24 for a gaseous one Dopant on. The container 22 can, for example. ice ι ο Argon, the container 24, for example, pure phosphine gas (for η-doping) PH3 or a gas mixture of phosphine gas and a certain noble gas, for example Argon. With the term "gaseous dopants" as it is used here to refer to the gas To describe in the container 24 is either a pure, gaseous dopant or a gaseous one This means dopant that is diluted by a certain noble gas.

Eine Gasleitung 26 vom Vorratsbehälter 22 dient zur Leitung eines bestimmten Edelgases, z. B. Argon. Es strömt durch die Gaszuleitung 28, über ein Steuerventil 30 und eine Bodeneinrichtung 34 in eine erste Kammer 32 zum Mischen von Gasen. Eine weitere Gasleitung 36 verbindet den Vorratsbehälter 24 mit der ersten Mischkammer 32 über die Zuleitungen 41 bzw. 42. Die Gasleitung 41 ist für geringe Durchsatzmengen ausgelegt und ragt über ein Steuerventil 38 und eine Blendeneinrichtung 40 in eine öffnung der Kammer 32. Die Gasleitung 42 ist für große Durchsatzmengen ausgelegt und über ein Steuerventil 44 und eine Blendeneinrichtung 46 mit einer Öffnung in der Mischkammer 32 verbunden.A gas line 26 from the reservoir 22 is used to conduct a certain noble gas, for. B. argon. It flows through the gas supply line 28, via a control valve 30 and a base device 34 into a first Chamber 32 for mixing gases. Another gas line 36 connects the reservoir 24 with the first mixing chamber 32 via the supply lines 41 and 42, respectively. The gas line 41 is for low throughput quantities designed and protrudes via a control valve 38 and a diaphragm device 40 into an opening of the chamber 32. The gas line 42 is designed for large throughputs and a control valve 44 and a Orifice device 46 is connected to an opening in the mixing chamber 32.

Das Gemisch aus Dotierungsgas und Edelgas strömt aus der ersten Mischkammer 32 unter einem im wesentlichen konstanten Druck über die verbindende Gasleitung 48 zu einem steuerbaren Solenoid-Dreiwege-Ventil 50. Das Solenoid-Ventil 50 wird mittels einer Induktionsspule 52, die periodisch von einer geeigneten elektronischen Steuereinrichtung 53 gesteuert wird, geschaltet, wie noch zu zeigen ist. Die Steuereinrichtung 53 kann in einer üblichen Art so eingestellt sein, daß das Dotierungsgemisch aus der Zuleitung 48 und über das Ventil 50 in die Gasleitung 54 bei einer bestimmten Konzentration während einer vorgegebenen Zeitspanne eines Durchlaufs oder Arbeitszyklus strömt. Die Zeitspanne wird gemäß der gewünschten Konzentration von Fremdatomen und damit dem spezifischen Widerstand de- dotierten Halbleiterstabes 16 gewählt. Während dieser vorgegebenen Zeitspanne des Arbeitszyklus wird das Gemisch aus Edelgas und Dotierungsgas von der ersten Mischkammer 32 in eine zweite Mischkammer 58 geleitet, wo es noch stärker mit Edelgas, z. B. Argon, das über das Steuerventil 60 und die Blendeneinrichtung 64 zuströmt, verdünnt. Das Gasgemisch in der zweiten Mischkammer 58 wird über eine Gasleitung 68 und über das damit verbundene Dotierungsrohr 20 in die Nähe der Schmelzzone 17 geleitet (siehe F i g. 1). Die Menge an Dotif>rungsgas, die durch das Dotierungsrohr 20 strömt, wird im Verhältnis zum Gasdruck in deti Gasleitungen 26 und 36 eingestellt. Die Zeitspanne, in der p-oder n-Dotierungsatome durch das Dotierungsrohr 20' tatsächlich in die Kammer 12 zum Zonenreinige'i geleitet werden, wird von der Steuereinheit 53 eingestellt. Die Steuerung der Dotierung des HalbleiWrstrtbes 16 wird unten in seinen Einzelheiten erläutert.The mixture of doping gas and noble gas flows out of the first mixing chamber 32 under an im substantially constant pressure across connecting gas line 48 to a controllable three-way solenoid valve 50. The solenoid valve 50 is activated by means of an induction coil 52 which is periodically activated by a suitable electronic control device 53 is controlled, switched, as will be shown. The control device 53 can be set in a conventional manner so that the doping mixture from the supply line 48 and via the Valve 50 in gas line 54 at a certain concentration for a predetermined period of time of a pass or duty cycle. The length of time will be according to the desired concentration of foreign atoms and thus the specific resistance of the doped semiconductor rod 16 is selected. During this predetermined period of time of the operating cycle, the mixture of noble gas and doping gas is from the first mixing chamber 32 into a second Mixing chamber 58 passed, where it is even stronger with noble gas, for. B. argon, via the control valve 60 and the diaphragm device 64 flows in, thinned. The gas mixture in the second mixing chamber 58 is over a gas line 68 and via the doping tube 20 connected to it in the vicinity of the melting zone 17 directed (see Fig. 1). The amount of doping gas that flowing through the doping tube 20 is set in relation to the gas pressure in deti gas lines 26 and 36. The time span in which the p- or n-doping atoms actually enter the chamber 12 through the doping tube 20 ′ are directed to the zone cleaning system, is controlled by the Control unit 53 set. The control of the doping of the semiconductor device 16 is described below in his Details explained.

Wünscht man, daß keinerlei Dotierungsstoffe über die Gasleitung 54 in die zweite Mischkammer 58 gelangen, wird das Solenoid-Ventil 50 durch induktive Ansteuerung so eingestellt, daß seine T-förmige Öffnung um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird. Nun wird das Dotierungsgas in der Leitung 48 in die Gasauslaßleitung 56 geleitet und gelangt auf diese Weise nicht in die Kammer 12 zum Zonenschmelzen.If one wishes that no dopants on the Gas line 54 enter the second mixing chamber 58, the solenoid valve 50 is activated by inductive control adjusted so that its T-shaped opening is rotated 90 ° counterclockwise. Now that will Doping gas in the line 48 is passed into the gas outlet line 56 and does not get in this way into the Chamber 12 for zone melting.

Vor einem Schmelzzonendurchlauf wird das Edelgas in der Leitung 26 über das Steuerventil 65 und die Blendeneinrichtung 66 in eine Schutzgasleitung 67, die in die Kammer 12 mündet, geleitet. Das Edelgas, z. B. Argon, wird als Schutzgas benützt, bzw. um im wesentlichen die gesamte Luft und andere Gase aus der Kammer 12 zu verdrängen, um damit den Sauerstoffgehalt in der Kammer 12 beim Zonenschmelzen auf einen Mindestwert zu bringen. Die typische Durchsatzmenge für Schutzgas bewegt sich zwischen 0,3 und 0,45 m³ pro Minute, wobei das Edelgas kontinuierlich durch die Kammer 12 zum Zonenschmelzen strömt und sie über die Auslaßleitung 69 und das Auslaßsteuerventil 70 verläßt. Der typische Wert des Druckes während des Zonenreinigens in der Kammer 12 liegt in der Größenordnung von 0,072 kg/cm² Überdruck und kann vom Gasdruck der Vorratsbehälter 22 und 24 und den verschiedenen Ventileinrichtungen wie üblich gesteuert werden.Before it passes through the melting zone, the inert gas in line 26 is conducted via control valve 65 and the orifice device 66 into a protective gas line 67 which opens into chamber 12. The noble gas, e.g. B. argon, is used as a protective gas, or to displace substantially all of the air and other gases from the chamber 12 in order to bring the oxygen content in the chamber 12 to a minimum during zone melting. The typical throughput for protective gas is between 0.3 and 0.45 m ³ per minute, the noble gas flowing continuously through the chamber 12 for zone melting and exiting it via the outlet line 69 and the outlet control valve 70. The typical value of the pressure during the zone cleaning in the chamber 12 is of the order of magnitude of 0.072 kg / cm ² overpressure and can be controlled as usual by the gas pressure of the reservoirs 22 and 24 and the various valve devices.

Im Folgenden wird die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß F i g. 1 beispielsweise näher erläutert.The following is the operation of the embodiment according to FIG. 1 explained in more detail, for example.

Der typische Gasdruck in den Leitungen 26 und 36 liegt bei 6,3 atü (732 ata) und das Dotierungsgas in der Leitung 36 enthält von 5 bis 500 Teilchen pro Million (ppm) des Dotierungselements, z. B. Phosphor, bei einem Gasgemisch aus Phosphin und Argon. Die Steuerventile 38 and 44 (ebenso wie die anderen Steuerventile) arbeiten in der Art von Sperrventilen, und befinden sich entweder im geöffneten oder im geschlossenen Zustand. Die niedrige Durchsatzmenge in der Leitung 43 ergibt sich aus der kleinen Öffnung der Blendeneinrichtung 40, durch die ungefähr 1 Milliliter pro Minute (rnl/min) unter einem Druck von 6,3 atü zur ersten Mischkammer 32 strömt. Durch die größere öffnung der Blendeneinrichtung 46 in der Leitung 45 mit größerer Durchsatzmenge strömen ungefähr 10 ml/min in die erste Mischkammer 32. Auf diese Weise entstehen höhere und niedrigere Geschwindigkeiten in den beiden Leitungen 43, 45, so daß die Steuereinrichtung 53 eine hohe oder eine niedrige Geschwindigkeit zum Steuern des durch das Solenoidventil 50 während eines Arbeitszyklus strömenden Dotierungsgases als Meßgröße verwenden kann. Der Druck in den Gasleitungen 35, 43 und 45 beträgt ungefähr 0,07 atü ebenso wie der Druck in der ersten und zweiten Gasmischkammer 32 und 58, wie in der Kammer 12 zum Zonenschmelzen.The typical gas pressure in lines 26 and 36 is 6.3 atmospheres (732 atmospheres) and the doping gas in the Line 36 contains from 5 to 500 parts per million (ppm) dopant, e.g. B. phosphorus a gas mixture of phosphine and argon. The control valves 38 and 44 (as well as the others Control valves) work in the manner of shut-off valves, and are located either in the open or in the closed state. The low flow rate in the line 43 results from the small opening of the Aperture device 40, through which approximately 1 milliliter per minute (rnl / min) under a pressure of 6.3 atmospheres first mixing chamber 32 flows. Through the larger opening of the diaphragm device 46 in the line 45 with a larger flow rate, approximately 10 ml / min flow into the first mixing chamber 32. In this way arise higher and lower speeds in the two lines 43, 45, so that the control device 53 a high or low speed for controlling the flow rate by the solenoid valve 50 during of a working cycle can use doping gas flowing as a measured variable. The pressure in the Gas lines 35, 43 and 45 are approximately 0.07 atmospheres as well as the pressure in the first and second Gas mixing chambers 32 and 58, as in chamber 12 for zone melting.

Das Edelgas wird in die Mischkammer 32 über die Leitung 35 mit einem typischen Wert von 30 ml/min geleitet. Die in die zweite Mischkammer 58 über Steuerventil 60 und Blendeneinrichtung 64 gelangende Menge liegt in der Größenordnung von 250 ml/min. Das Edelgas reißt beim Eintreten in die Kammer 32 das über die Leitungen 43 oder 45 in die Kammer gelangte Dotierungsgas mit. Bei Eintritt in die Kammer 58 über die Meßblende 64 erzeugt das Edelgas die notwendige Geschwindigkeit, um das Gasgemisch in der Kammer 58 durch die Leitung 68 und das Dotierungsrohr 20 der Schmelzzone 17 zuzuführen. Das in der Mischkammer 32 vorgegebene Gasvolumen verhindert, daß, infolge des geringen Druckunterschieds zwischen der KammerThe noble gas is fed into the mixing chamber 32 via the line 35 at a typical value of 30 ml / min directed. The one that reaches the second mixing chamber 58 via the control valve 60 and diaphragm device 64 The amount is in the order of 250 ml / min. The noble gas tears over it when it enters the chamber 32 the lines 43 or 45 entered the chamber with doping gas. When entering the chamber 58 over the measuring orifice 64 generates the noble gas at the necessary speed to circulate the gas mixture in the chamber 58 through line 68 and doping tube 20 to melt zone 17. That in the mixing chamber 32 predetermined gas volume prevents that, due to the small pressure difference between the chamber

32 und den Gasauslaßleitungen 56 und 72 eine Verzögerung der Strömung von Dotierungsgas über die Blenden 40 und 46 in die Kammer 32 stattfindet.32 and the gas outlet lines 56 and 72 delay the flow of doping gas over the Apertures 40 and 46 in the chamber 32 takes place.

Das Verhältnis zwischen dem Prozentsatz, Teil einer bestimmten Zeitspanne, in der das Dotierungsgas durch die Leitung 48, das Solenoid-Ventil 50 und die Gasleitung 54 in die zweite Gasmischkammer 58 strömt, und dem gewünschten spezifischen Widerstand des Halbleiterstabes 16, wird wie folgt eingestellt. Die Steuereinrichtung 53 ist anfangs so eingestellt, daß das Dotieruhgsgas eine festgelegte Zeitdauer, die der Einfachheit halber gleich der Zeit eines Durchlaufs der Schmelzzone sein kann, durch das Solenoid-Ventil 50 in die Mischkammer 58 eingeleitet wird. Ist die Steuereinrichtung 53 z. B. so eingestellt, daß sie während einer ausgewählten Zeitspanne, die gleich ist der für einen Reinigungsdurchlauf benötigten Zeit, zu 100 Prozent eingeschaltet ist, kann das Dotierungsgas durch das sich in der in F i g. 1 gezeigten Stellung befindliche Solenoid-Ventil 50 während eines vollständigen Durchlaufs der Schmelzzone in die Zonenschmelzkammer 12 gelangen. Ist die Steuereinrichtung 53 auf eine 50prozentige »Ein«-Zeit eingestellt, wird das Solenoid-Ventil periodisch von der Steuereinrichtung 53 auf einen 50prozentigen Arbeitszyklus gesteuert und leitet das Dotierungsgas während eines Reinigungsdurchlaufs periodisch in die Kammer 12. Die gesamte »Ein«-Zeit der Steuereinrichtung 53, oder die Zeit, in der Dotierungsatome in die Kammer 12 über das Dotierungsrohr 20 gelangen, wird dann 50 Prozent der gesamten Zeit für einen Reinigungsdurchlauf betragen.The ratio between the percentage, part of a certain period of time, in which the doping gas passes through line 48, solenoid valve 50 and gas line 54 flow into second gas mixing chamber 58, and the desired specific resistance of the semiconductor rod 16 is set as follows. the Control device 53 is initially set so that the doping gas for a fixed period of time that the For convenience, it may be equal to the time of passage of the melt zone through the solenoid valve 50 in FIG the mixing chamber 58 is initiated. Is the control device 53 z. B. set so that they during a selected period of time, which is the same as the time required for a cleaning cycle, to 100 percent is switched on, the doping gas can through the in F i g. 1 position shown Solenoid valve 50 during a complete passage of the melt zone into the zone melt chamber 12 reach. If the controller 53 is set for a 50 percent "on" time, the solenoid valve will open periodically controlled by the control device 53 to a 50 percent duty cycle and directs that Doping gas into chamber 12 periodically during a cleaning cycle. The entire "on" time of the controller 53, or the time in which doping atoms enter the chamber 12 via the doping tube 20 will then take 50 percent of the total time for a cleaning cycle.

1st ein Durchlauf der Zonenreinigung beendet, wird der spezifische Widerstand des Halbleiterstabes 16 gernessen. Aus dem Widerstandswert ist die Zahl der Dotierungsatome pro Gramm des Halbleiterstabes 16 zu berechnen. Der spezifische Widerstand des Halbleiterstabes 16 ist gleich einer bekannten Proportionalitätskonstanten mal dem Kehrwert der Zahl der Dotierungsatome pro Gramm Halbleitermaterial in Stab 16. Die Proportionalitätskonstante ist für die verschiedenen benützten Dotierungsstoffe und für die Art des zu reinigenden Haibleiterstabes, z. B. Silizium oder Germanium, unterschiedlich.When one pass of the zone cleaning is finished, the specific resistance of the semiconductor rod 16 becomes like to eat. The number of doping atoms per gram of the semiconductor rod 16 is derived from the resistance value to calculate. The specific resistance of the semiconductor rod 16 is equal to a known constant of proportionality times the reciprocal of the number of doping atoms per gram of semiconductor material in Rod 16. The constant of proportionality is for the various dopants used and for the Type of semiconductor rod to be cleaned, e.g. B. silicon or germanium, different.

Multipliziert man den Wert Dotierungsatome pro Gramm Halbleitermaterial im Stab 16 mit der Zuggeschwindigkeit der Zone 17 in Gramm pro Minute (die ebenfalls bekannt ist) kann der Wert der Dotierungsatome pro Minute, die in den Halbleiterstab 16 eindringen, berechnet werden. Da in der Schmelzzone 17 nur ungefähr 70% der in die Kammer 12 über Rohr 20 gelangten Dotierungsatome absorbiert werden, mn R der ohigp Wert. Dotierungsatome pro Minute, die in den Halbleiterstab 16 eindringen, durch 0.7 geteilt werden, um die Zahl der in die Kammer 12 gelangten Dotierungsatome pro Minute zu erhalten. Dieser Wert entspricht dem zuerst gemessenen spezifischen Widerstand gemäß der 100% »Ein«-Zeit der Steuereinrichtung 53. Da der spezifische Widerstand (und damit die Konzentration an Verunreinigungen) proportional ist sowohl der Zeitdauer der »Ein«-Stellung der Steuereinrichtung 53, wie auch der Zahl der Dotierungsatome, die in die Kammer 12 gelangen, kann der Widerstand des Stabes 16 mittels einer Veränderung des Prozentsatzes der »Ein«-Zeit der Steuereinrichtung 53 verändert werden. Ist die Steuereinrichtung 53 in ihrer »Ein«-Stellung. nimmt das Solenoid-Ventil 50 die Stellung nach F i g. 1 ein, bei der das Dotierungsgas durch das Ventil 50 in die Kammer 12 zum Zonenschmelzen geleitet werden kann. Beträgt z. B. der gemessene spezifische Widerstand des Halbleiterstabes 16 20 Ohmzentimeter, bei einer »Ein«-Zeit der Steuereinrichtung 53 von 100% braucht man, um einen spezifischen Widerstand des Stabes von 100 Ohmzentimeter zu erzielen, nur noch einen Bruchteil der vorher in die Kammer 12 gelangten Dotierungsatome pro Minute in die Kammer 12 einzuleiten. Für Widerstände über ungefähr 10 Ohmzentimeter ist die Beziehung zwischen der in die KammerIf the value of doping atoms per gram of semiconductor material in the rod 16 is multiplied by the pulling speed of the zone 17 in grams per minute (which is also known), the value of the doping atoms per minute which penetrate into the semiconductor rod 16 can be calculated. Since only approximately 70% of the doping atoms that have entered the chamber 12 via tube 20 are absorbed in the melting zone 17, mn R is the ohigp value. Doping atoms per minute penetrating the semiconductor rod 16 are divided by 0.7 to obtain the number of doping atoms per minute penetrating into the chamber 12. This value corresponds to the first measured specific resistance according to the 100% "on" time of the control device 53 Depending on the number of doping atoms entering the chamber 12, the resistance of the rod 16 can be varied by changing the percentage of the "on" time of the controller 53. The control device 53 is in its "on" position. the solenoid valve 50 takes the position of FIG. 1, in which the doping gas can be passed through the valve 50 into the chamber 12 for zone melting. Is z. B. the measured specific resistance of the semiconductor rod 16 20 ohm centimeters, with an "on" time of the control device 53 of 100% you need to achieve a specific resistance of the rod of 100 ohm centimeters, only a fraction of that previously in the chamber 12 introduced doping atoms per minute into the chamber 12. For resistances above about 10 ohm centimeters the relationship between that in the chamber

ίο 12 geleiteten Gasmenge, der in den Stab eindringenden Atome und dem spezifischen Widerstand des Stabes linear. Im obigen Beispiel ergibt daher eine »Ein«-Zeit von 20% eine Veränderung des spezifischen Widerstandes von 20 Ohmzentimeter auf 100 Ohmzentimeter.ίο 12 amount of conducted gas that penetrates the rod Atoms and the resistivity of the rod linear. In the above example there is therefore an "on" time of 20% a change in the specific resistance from 20 ohm centimeters to 100 ohm centimeters.

Unter einem spezifischen Widerstand von ungefähr 10 Ohmzentirneter ist die Beziehung als Ergebnis der zunehmenden Konzentration von Fremdatomen im Stab 16 jedoch nicht linear. Die nichtlineare Beziehung zwischen den vom Halbleiterstab 16 absorbierten Dotierungsatomen pro Gramm und dem spezifischen Widerstand des Stabes 16 ist für bestimmte Dotierungsstoffe und Halbleitermaterialien auch unter 10 Ohmzentimeter bekannt. Mit dieser Kenntnis kann die »Ein«-Zeit der Steuereinrichtung 53 für einen Widerstandswert unter 10 Ohmzentimeter einfach berechnet werden.Under a resistivity of about 10 ohms, the relationship is as a result of however, the increasing concentration of foreign atoms in the rod 16 is not linear. The nonlinear relationship between the doping atoms absorbed by the semiconductor rod 16 per gram and the specific The resistance of the rod 16 is also less than 10 ohm centimeters for certain dopants and semiconductor materials known. With this knowledge, the “on” time of the control device 53 for a resistance value below 10 ohm centimeters can easily be calculated.

Die obigen Ausführungen haben gezeigt, wie die Zahl der Dotierungsatome pro Minute, die aus dem Vorratsbehälter 24 über die Blendeneinrichtungen 40 und 46 vor dem Eintreten in die Kammer 32 strömen, bestimmt werden kann. Darüber hinaus ist die gesamte Durchsatzmenge durch die Leitung 48 und das Steuerventil 50 bekannt Mit diesen beiden Mengenangaben und mit der Materialflußrate (d. h. dem Maß der Ziehgeschwindigkeit) des Siliziums durch die Arbeitsspule 18 kann die Steuereinrichtung 53 auf die Zugabe des gewünschten Prozentsatzes an Dotierungsatomen zur Schmelzzone 17 eingestellt werden, um die gewünschte Dotierungskonzentration und damit den spezifischen Widerstand des Halbleiterstabes 16 zu erzielen.The above has shown how the number of doping atoms per minute that emerges from the Storage containers 24 flow over the diaphragm devices 40 and 46 before entering the chamber 32, can be determined. In addition, the total flow rate through line 48 and the Control valve 50 known with these two quantities and with the material flow rate (i.e. the amount of Drawing speed) of the silicon through the work coil 18, the control device 53 can respond to the addition of the desired percentage of doping atoms to the melting zone 17 can be adjusted to the desired doping concentration and thus the specific resistance of the semiconductor rod 16 achieve.

Bei einem industriellen Einsatz der Vorrichtung ist es nicht notwendig, den Anteil an Dotierungsstoffen in Teilchen pro Million Phosphingas pro gesamtem Gasvolumen im Behälter 24 des Dotierungsgases zu kennen. Normalerweise sind Behälter wie Behälter 24 im Handel zu kaufen. Auf ihnen sind Angaben über den Gehalt an Dotierungsstoffen in Teilchen pro Million im Verhältnis zum Dotierungsgas- und EdelgasinhaltIn the case of industrial use of the device, it is not necessary, the proportion of dopants in parts per million phosphine gas per total To know gas volume in the container 24 of the doping gas. Typically, containers are like container 24 to buy in stores. On them are information about the content of dopants in particles per million im Relation to the doping gas and noble gas content

so enthalten.so included.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung, bei der anstelle der zwei Gasmischkammern 32 und 58 nach F i g. 1, nur eine Mischkammer 95 verwendet wird. Nach F ι g. 2 werden verschiedene Vorratsbehälter für Edelgas 22 und Dotierungsgas 24 verwendet, um in der Kammer 95 das Gasgemisch für die Dotierung zu erzeugen. Das Edelgas, z. B. Argon, gelangt durch die Gasleitung 74, ein Steuerventil 76 und eine Blendeneinrichtung 78 in die Mischkammer 95. Die Mischkammer S5 wird von den angrenzenden Wänden der drei Gasleitungen 87, 88 und 89 gebildet. Die eigentliche Gestalt oder Form der Kammer 95 ist für das Arbeiten der Vorrichtung nach F i g. 2 nicht wesentlich.F i g. Fig. 2 shows another embodiment of the apparatus for carrying out the invention in which instead of the two gas mixing chambers 32 and 58 according to FIG. 1, only one mixing chamber 95 is used. To Fig. 2, different storage containers for noble gas 22 and doping gas 24 are used in the Chamber 95 to generate the gas mixture for the doping. The noble gas, e.g. B. argon, passes through the Gas line 74, a control valve 76 and a diaphragm device 78 in the mixing chamber 95. The mixing chamber S5 is formed by the adjoining walls of the three gas lines 87, 88 and 89. The real one The shape or form of the chamber 95 is necessary for the operation of the device according to FIG. 2 not essential.

Das Dotierungsgas, das über 82, 84 und 88 in die Kammer 95 strömt, wird von einem Bauteil 92, das in der Art eines Solenoid-Kolbens arbeitet, und zusammen mit einer Blendeneinrichtung 90 wirkt, gesteuert DasThe doping gas that flows into the chamber 95 via 82, 84 and 88 is controlled by a component 92 located in the Kind of a solenoid piston works, and acts together with a diaphragm device 90, controlled Das

kolbenförmige Bauteil 92 ist mit einem flachen Ende oder Kopfstück 94 verbunden, das die Menge des in die Kammer gelangenden Gases steuert. Dieses Solenoid-Ventil mit den Bauteilen 90 und 92 hält immer einen im wesentlichen konstanten Druck in der Kammer 95 aufrecht Dieser Druck beträgt üblicherweise 0,07 atü und entspricht dem Druck in der Kammer 12 zum Zonenziehen. Das Solenoid-Ventil-Bauteil, einschließlich des Kolbens 92 und der Blende 90, sowie die Größe der Kammer 95 sind so ausgelegt, daß der Kolben 92 keinen Raum zwischen den Bauteilen 90 und 92 beim Schließen des Ventils läßt. Jedes Einschließen einer Gasmenge zwischen diesen Bauteilen hätte den nachteiligen Speichereffekt zur Folge, wie er bei der Beschreibung der zur Zeit üblichen Vorrichtungen erwähnt wurde.piston-shaped member 92 is connected to a flat end or head piece 94, which the amount of in the Chamber of incoming gas controls. This solenoid valve with components 90 and 92 always holds one in substantially constant pressure is maintained in the chamber 95. This pressure is usually 0.07 atm and corresponds to the pressure in the chamber 12 for zone drawing. The solenoid valve component, including of the piston 92 and the orifice 90, as well as the size of the chamber 95 are designed so that the piston 92 leaves no space between components 90 and 92 when the valve is closed. Each including one Amount of gas between these components would result in the disadvantageous storage effect, as in the Description of the currently common devices was mentioned.

Die Steuereinrichtung 100 steuert den Kolben 92 induktiv (98), um während eines ausgewählten Prozentsatzes einer vorgegebenen Zeitdauer Dotierungsgas in die Kammer 95 einzuleiten, damit die Konzentration der Verunreinigungen in dem Dotierungsgemisch, das in die Kammer 12 zum Zonenziehen gelangt, unabhängig vom Gasdruck, aber in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert wird. Das an die Gasleitung 68 anschließende Dotierungsrohr 20 ragt in gleicher Weise, wie nach F i g. 1 beschrieben, in die Kammer 12. Während eines Schmelzzonendurchlaufs wird die Kammer 12 kontinuierlich mit Schutzgas beschickt, das über die Leitung 67 eintritt und die Kammer, wie gezeigt, über die Leitung 69 verläßt Es können in der Vorrichtung nach F i g. 1 zusätzliche Gasmischkammern verwendet werden, wenn das Dotierungsgas, das in die Kammer 12 gelangt, mehr verdünnt oder seine Geschwindigkeit gesteigert werden soll. Ferner können zusätzliche Gasleitungen, ähnlich den Leitungen 43 und 45 nach F i g. 1 eingebaut werden, wenn zusätzliche Durchsatzmengen von Dotierungsgas für die Dotierung während eines Zonenreinigungsdurchlaufs erforderlich sind.The controller 100 controls the piston 92 inductively (98) to during a selected percentage a predetermined period of time to introduce doping gas into the chamber 95, so that the concentration of Impurities in the dopant mixture entering the zone pulling chamber 12, regardless of Gas pressure, but controlled as a function of time will. The doping tube 20 connected to the gas line 68 protrudes in the same way as according to FIG. 1 described, into the chamber 12. During a melt zone passage, the chamber 12 becomes continuous charged with protective gas, which enters via line 67 and the chamber, as shown, via line 69 leaves It can in the device according to F i g. 1 additional gas mixing chambers can be used if the Doping gas that enters the chamber 12, more diluted or its speed increased target. Furthermore, additional gas lines, similar to lines 43 and 45 according to FIG. 1 can be installed, when additional throughputs of dopant gas for doping during a zone cleaning run required are.

Die Steuereinrichtung 53 ist vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, eine elektronische Steuerung, die auf jeden gewünschten Arbeitszyklus eingestellt werden kann. Es wurden jedoch auch schon mechanische Steuerungen für die Steuereinrichtung 53 verwendetThe control device 53 is preferably, but not exclusively, an electronic control which is based on any desired duty cycle can be set. But there were also mechanical ones Controls for the controller 53 are used

Man braucht die erste Messung des spezifischen Widerstands des Halbleiterstabes 16 bei einer »Eiin«- Zeit der Steuereinrichtung 53 von 100% vorzunehmen, wobei die Steuereinrichtung das Soienoid-Ventii 50 während der gesamten Zeit (100%) des Schmelzzonendurchlaufs geöffnet hält, und Dotierungsgas in die Kammer 12 zum Zonenschmelzen eingeleitet wird. Diese erste Widerstandsmessung, die als Ausgangswert für die Berechnung der weiteren »Ein«-Zeiten der Steuereinrichtung 53 zum Einstellen des spezifischen Widerstands dient, kann sich auch auf einen ausgewählten Arbeitszyklus, der kürzer als eine lOOprozentige »Ein«-Zeit der Steuereinrichtung ist, beziehen. Dieser ausgewählte Arbeitszyklus kann folglich benutzt werden, um die weiteren Widerstandswerte des Halbleiterstabes 16 und die entsprechenden »Ein«-Zeiten der Steuereinrichtung 53 zu berechnen.You need the first measurement of the resistivity of the semiconductor rod 16 for an "egg" To make time of the control device 53 of 100%, the control device the solenoid valve 50 keeps open during the entire time (100%) of the melt zone passage, and doping gas into the Chamber 12 is initiated for zone melting. This first resistance measurement as a starting value for the calculation of the further "on" times of the control device 53 for setting the specific Resistance can also be used on a selected duty cycle that is shorter than a 100 percent "On" time of the control device is referenced. This selected work cycle can therefore be used the other resistance values of the semiconductor rod 16 and the corresponding "on" times of the To calculate control device 53.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Verfahren zur Einstellung der Dotierstoffkonzenlration von Halbleitern beim Zonenschmelzen durch Zuführen eines definierten Gemisches aus Inertgas und gasförmigem Dotierstoff in die Zonenschmelzkammer bei konstantem Druck während eines Schmelzzonendurchganges, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch periodisch in die Zonenschmelzkammer geleitet wird, wobei die Gesamtzeit der Zuleitung entsprechend der angestrebten Dotierstoffkonzentration festgesetzt wird.Method for adjusting the dopant concentration of semiconductors during zone melting Feeding a defined mixture of inert gas and gaseous dopant into the zone melting chamber at constant pressure during a melt zone passage, characterized in that that the gas mixture is periodically passed into the zone melting chamber, the Total time of the supply line is set according to the desired dopant concentration.