DE2538812A1

DE2538812A1 - Verfahren zum dotieren von halbleiterstaeben

Info

Publication number: DE2538812A1
Application number: DE19752538812
Authority: DE
Inventors: Walter Hoch; Franz Dipl Phys Koehl
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1975-09-01
Filing date: 1975-09-01
Publication date: 1977-03-03
Also published as: FR2321938A1; US4110586A; IT1066219B; BE845696A; DK366276A; FR2321938B1; NL7608326A; JPS5230158A

Description

Verfahren zum Dotieren von Halbleiterstäben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren von Halbleiterstäben, insbesondere aus Silicium.

Aus der DT-PS 1 056 840 ist ein Verfahren bekannt, in Stäben aus Halbleitermaterial Bohrungen, iräsungen oder andere geeignete Öffnungen zu erzeugen, in welche ein geeigneter Fremdstoff, beispielsweise ein Donator oder Akzeptor, eingeführt und in einem nachfolgenden Zonenschmelsprozeß über den gesamten Halbleiterstab verteilt wird. Hach diesem Verfahren lassen sich aber keine dotierten Halbleiterstäbe mit gleichmäßigem den derzeitigen Ansprüchen entsprechendem Widerstandsverlauf über die gesamte Stablänge herstellen; außerdem kommt es an den Bohrstellen häufig zur Ausbildung von Auswachsungen, die mit dem Induktionsfeld der Spule nicht mehr ankoppeln und infolgedessen nicht mehr aufschmelzen.

Ebenfalls bekannt ist es, während des tiegellosen Zonenschmelzens im Schutzgas einen mit Dotierstoffen beladenen Gasstrom bei Normaldruck oder leichtem Überdruck strömend an der Schmelzzone vorbeizuführen. Dabei durchstreicht das Gasgemisch verschiedene heiße Zonen, in denen bereits Dotierstoffe abgegeben werden. Die Folge ist, daß auch bei diesem Verfahren die Konzentration der Dotierstoffe längs der Stabachse starken Schwankungen unterliegt, außerdem muß beispielsweise bei der Bor- oder Phosphordotierung mit so gefährlichen Substanzen, wie Diboran bzw. Phosphin gearbeitet werden.

Nach einem weiteren Verfahren gemäß der DT-PS 1 128 048 wird

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auf die Oberfläche eines Siliciumstabes ein den Dotierstoff enthaltendes Glas aufgeschmolzen und der SiIiciumstab nachfolgend einem Zonenschmelzprozeß unterzogen, bei welchem das Dotierungsmaterial aus dem Glas in den Siliciumstab eindiffundiert und die Bestandteile des Glases reduziert werden und verdampfen. Dieses Verfahren führt jedoch zu starken Verunreinigungen des Stabes mit Sauerstoff und nicht völlig abgedampften Siliciumdioxidpartikeln, die zu hohen Versetzungsraten führen.

Aus der DT-PS 1 153 540 schließlich ist ein Verfahren bekannt, bei welchem auf einen dünnen Halbl eiterst ab mit gegebener erhöhter DotierStoffkonzentration weiteres, reineres Halbleitermaterial der selben Art in solcher Menge, wie sie für eine gewünschte verminderte Dotierstoffkonzentration des fertigen Stabes erforderlich ist, abgeschieden wird. In einem nachfolgenden Zonenschmelzprozeß wird die Dotierstoffkonzentration des so verdickten Stabes über den ganzen Stabquerschnitt, vergleichmäßigt. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt für den Halbleitergrundmaterial-Hersteller in der notgedrungen großen Lagerhaltung, da die Herstellung solcher gezielt dotierter Stäbe nicht erst beim Zonenschmelzen, sondern schon bei der Herstellung der Polystäbe berücksichtigt werden muß und demgemäß nicht kurzfristig erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dotierverfahren für Halbleiterstäbe zu entwickeln, welches die skizzierten Nachteile bekannter Verfahren nicht aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Dotieren von Halblexterstaben, insbesondere aus Silicium, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß auf den Halbleiterstab ein die gewünschte Dotierstoffmenge enthaltender Dünnstab des gleichen Halbleitermaterials am äußeren Durchmesser aufgeschmolzen wird und der Halbleiterstab nachfolgend zur gleichmäßigen Verteilung des Dotierstoffs über den Stabquerschnitt in an sich bekannter Weise einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen wird.

Der Endwiderstand des Zonenstabes wird durch die Dotierung des Dünnstabes und den Durchmesser des Polystabes festgelegt. Üblicher-

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weise wird man "bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von hochohiaigen Polystäben, die auf undotierten Trägerkörpern abgeschieden wurden, ausgehen. Wurde der Polystab jedoch auf einem dotierten Trägerkörper, beispielsweise Dünnstab, abgeschieden, so kann durch Aufschmelzen eines dotierten Dünnstabes auf den Polystab ein anderer gewünschter Endwiderstand des Zonenstabes eingestellt werden, der bei Verwendung eines Dünnstabes mit Gehalt an Dotierstoff des gleichen Typs entsprechend niedriger liegt. Mit entsprechend dotierten Dünnstäben ist es aber auch möglich, dotierte Polystäbe umzudotieren, indem beispielsweise auf einen Polystab mit Dotierstoffgehalt, der zu η-Leitung führt, ein mit Bor dotierter Dünnstab aufgeschmolzen und der Halbleiterstab nachfolgend zonengeschmolzen wird. Auf diese Weise kann der Widerstand des Polystabes durch teilweise Kompensation wieder erhöht werden bzw. <je nach Dotierstoffgehalt des aufgeschmolzenen Dünnstabes auch überkompensiert werden, so daß letztlich beispielsweise aus einem Polystab mit Dotierstoffgehalt, der zu η-Leitung führt, ein p-leitender Zonenstab resultiert. Das Verfahren ist aus diesem G-rund hervorragend geeignet zur Herstellung von Stäben mit gewünschter Kompensation.

Vor dem Anschmelzen wird der Dünnstab auf dem Polystab in geeigneter Weise befestigt, beispielsweise in eine an der Stablängsseite eingefräste Hut eingepaßt. Besonders bewährt hat es sieht, den Polystab längsseitig an seinem äußerden Durchmesser an einer schmalen Stelle flach anzuschleifen und den dotierten · Dünnstab auf diesen Anschliff mit einem wärmefesten Draht aus einem den Halbleiterstab nicht dotierenden Material oder bevorzugt mit Kohleschnur anzubinden, wobei es in der Regel ausreichend ist, wenn der Dünnstab lediglich an einem Ende des Halbleiterstabes, und zwar wenn Anschmelzen und- Zonenschmelzen in einem Arbeitsgang durchgeführt wird, an dem Ende des Polystabes, an welchem der Impfkristall nicht angesetzt wird, befestigt wird.

Als dotierte Dünnstäbe kommen Stäbe mit beispielsweise quadratischem oder rechteckigem Querschnitt in Frage, wie sie aus Polystaben ausgesägt werden können, oder üblicherweise Dünnstäbe mit kreisförmigem Querschnitt mit meist 3 "bis 10 mm Durchmesser, wie

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sie beispielsweise nach der DT-PS 975 158 erhalten werden, wobei aus einem dickeren Halbleiterstab ein dünnerer Stab gezogen wird, \_v indem während des Zonenschmelzprozesses der Abstand der beiden Stabenden fortlaufend vergrößert und dadurch der Querschnitt des fertigen Schmelzlings über die ganze behandelte Länge größenordnungsmäßig kleiner als der Querschnitt des Ausgangskörpers gemacht wird.

Das Anschmelzen des dotierten Dünnstabes auf den Polystab erfolgt in einer üblichen Zonenziehanlage, indem eine den Halbleiterstab umgebende Induktionsheizspule, die bevorzugt so ausgebildet ist, daß etwa 15 "bis 25 % ihrer den Halbleiterstab koaxial, umgebenden Windung bevorzugt gegenüber dem Übergang in die beiden Stromzuführen gerade ausgebildet sind, wie dies beispielsweise bei weitgehend rechteckigen oder quadratischen Spulen der Fall ist, tangential an die Stelle des stationär gehaltenen Halbleiterstabes herangeführt wird, an welcher der Dünnstab aufliegt. Aufgrund seines geringen Widerstandes koppelt der Dünnstab an und schmilzt auf den Polystab auf, der an dieser Stelle allein schon durch den Wärmeüber-. gang vom Dünnstab entsprechend aufgeheizt ist. Dadurch, daß die Spule den Polystab asymmetrisch umgibt, d.h. an der Anschmelz- . stelle näher an den Stab herangeführt wird, wird dieser lediglich in der Nähe des Dünnstabes auf Weißglut erhitzt, wodurch ein leichtes Anschmelzen des Dünnstabes gewährleistet wird. Im Falle des bevorzugten flachen Anschliffes gelingt es auf diese Weise auch Dünnstäbe mit kreisrundem Querschnitt so anzuschmelzen, daß der Polystab nahezu seine ursprünglich kreisrunde Form vor dem Anschliff wieder erhält und sich keine hervorstehenden Kanten oder Freiräume bilden. Dadurch kann der Stab ohne Schwierigkeiten versetzungsfrei gezogen werden. Das Anschmelzen des Dünnstabes kann dabei mit sehr viel größeren 'Vorschubgeschwindigkeiten, beispielsweise 10 mm/Min, und darüber, erfolgen.

Die Verwendung einer Kreisspule als Induktionsheizspule ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erforderlich, bei der das Anschmelzen des die gewünschte Dotierstoffmenge enthaltenden Dünnstabes auf den Halbleiterstab und das

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tiegelfreie Zonenschmelzen des Halbleiterstabes durch Vorschalten einer für das Aufschmelzen des Dünnstabes geeigneten Ringspule der eigentlichen Ziehspule gleichzeitig erfolgen. Bei dieser Aus-. führungsform muß der Polystab gedreht werden. Das Dotierungsverfahren kann grundsätzlich mit sämtlichen bekannten Dotierstoffen durchgeführt werden. Für die p-Dotierung eignen sich beispielsweise Elemente der III. Gruppe des Periodensystems, wie Aluminium, Gallium, Indium oder insbesondere Bor, für. die η-Dotierung beispielsweise Elemente der V. Gruppe des Periodensystems, wie Arsen, Antimon oder insbesondere Phosphor.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor allem darin, daß hochohmige Polystäbe auf Lager gelegt und kurzfristig Zonenstäbe mit jedem gewünschten Widerstand gezogen werden können, da die dazu erforderlichen entsprechend dotierten Dünnstäbe im Vergleich zu aus der Gasphase abzuscheidenden Polystäben sehr schnell herzustellen sind. Die Lagerhaltung der Polystäbe wird dadurch drastisch vereinfacht.

In den Figuren 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer zum Anschmelzen eines Dünnstabes an den Polystab geeigneten Induktionsheizspule.

Die quadratisch ausgebildete, aus Kupfer, gefertigte Induktionsheizspule mit kreisrundem und von einer Kühlflüssigkeit durchströmt em Hohlquerschnitt wird mit der den beiden Stromzuführungen 1 gegenüberliegenden Seite 2 tangential bis etwa 3 bis 5 β an den auf die flach angeschliffene Stelle 3 des Polystabes 4· aufgelegten Dünnstab 5 herangeführt, wobei der nicht gedrehte Stab unter Aufschmelzung des Dünnstabes mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/min oder mehr durch die Spule gezogen, respektive die Spule mit dieser Geschwindigkeit über den Stab geführt wird.

Figur 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Anschmelzen des Dünnstabes und das Zonenschmelzen gleichzeitig erfolgt.

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Der Dünnstab 51 der mit einer Kohleschnur 6 am oberen Ende des Polystabes 4· angebunden ist, wird von einer kreisrunden Ringspule 7 mit ebenfalls rundem und von einer Kühlflüssigkeit durchströmtem Hohl querschnitt, auf den sich um die Längsachse drehenden Polystab 4· angeschmolzen. Da der Polystab 4 an der Auflagestelle des Dünnstabes 5 flach etwa 1 bis 2 mm tief angeschliffen ist, schmilzt der Dünnstab 5 derart auf, daß der Polystab 4- wieder einen nahezu kreisförmigen Querschnitt erhält. Die Leistung dieser Ringspule 7 wird dabei so bemessen, daß der Dünnstab 5» der aufgrund seines hohen Dotierstoffgehaltes und damit niedrigem Widerstand leicht ankoppelt, gerade auf dem Polystab 4· anschmilzt, ohne daß der Polystab 4 an dieser Stelle 8 ebenfalls über den gesamten Querschnitt aufschmelzen würde. Wenige Zentimeter unte±alb der Ringspule 7 wird der Polystab 4· mit einer beim Zonenschmelzen üblichen Flachspule 9 aufgeschmolzen. Die Spulenkombination wird nach oben über den Stab weggezogen, so daß die Flüssigzone 10 zu einem aufwachsenden, einkristallinen, gewünscht dotierten Halbleiterstab ΛΛ erstarrt.

Wird beispielsweise ein einkristalliner η-leitender Halbleiterstab aus Silicium mit einem Widerstand von 2,0 bis 2,5 Ohm-cm verlangt und liegen beispielsweise Polystäbe von 66 mm Durchmesser und einem Widerstand in der Größenordnung von etwa' 5000 Ohm-cm auf Lager, so muß lediglich ein mit Phosphor dotierter Dünnstab von beispielsweise 5 ™i Durchmesser und einem Widerstand Von 0,038 bis 0,043 Ohm-cm aufgeschmolzen und der Polystab nachfolgend oder gleichzeitig zonengeschmolzen werden, um zu einem einkristallinen Siliciumstab gewünschter Spezifikation zu. gelangen. Auch wenn der erforderliche Dünnstab erst gezogen werden muß, so ist der gewünschte Halbleiter st ab doch in einigen Stunden herstellbar, während ein solcher Stab, der über die Gasabscheidung auf entsprechend dotiertem Trägerkörper hergestellt wird, Je nach Länge erst in ein bis zwei Wochen verfügbar wäre.

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Claims

_ Π —

Pat entansprüche

Ό Verfahren zum Dotieren von Halbleiterstäben, insbesondere aus Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterstab ein die gewünschte Dotierstoffmenge enthaltender Dünnstab des gleichen Halbleitermaterials am äußeren Durchmesser aufgeschmolzen wird und der Halblei— terstab nachfolgend zur gleichmäßigen Verteilung des Dotierstoffs über den Stabquerschnitt in an sich bekannter Weise einem tiegelfreien Zonenschmelzprozeß unterworfen wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterstab längsseitig an seinem äußeren Durchmesser an einer schmalen Stelle flach angeschliffen wird und der die gewünschte Dotierstoffmenge enthaltende Dünnstab an diesem Anschliff angeschmolzen wird.

5) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule beim Anschmelzen des Dünnstabes an den stationär gehaltenen Halbleiterstab tangential an den Dünnstab herangeführt wird.

4) Verfahren nach Anspruch.1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschmelzen des die gewünschte Dotierstoffmenge enthaltenden Dünnstabes an den Halbleiterstab und das tiegelfreie Zonenschmelzen des Halbleiterstabes durch Vorschalten einer für das Anschmelzen des Dünnstabes geeigneten Ringspule vor der eigentlichen Ziehspule gleichzeitig erfolgt.

5) Induktionsheizspule zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß 15 bis 25 % ihrer den Halbleiterstab koaxial umgebenden Windung gerade ausgebildet sind.

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