DE1040799B - Anordnung zum Hochreinigen und/oder Dopen eines Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Hochreinigen und/oder Dopen eines Halbleiterkörpers. Sie besteht aus einem Vakuumbehälter, in dem der Halbleiterkörper nach Art des Zonenschmelzverfahrens abschnittweise geschmolzen wird,

Stand der Technik sind das Zonenschmelzen, insbesondere das tiegelfreie Zonenschmelzen, das Schmelzen bzw. Zonenschmelzen von Halbleiterkörpern im Vakuum und Anordnungen zur Durchführung dieser Verfahren. Diese Merkmale werden in bestimmter, erfindungsgemäßer Weise miteinander und mit neuen Merkmalen kombiniert, wodurch gemäß der mit der Anordnung zu lösenden Aufgabe der unten bezeichnete besondere Reinigungseffekt zu erzielen ist.

Nach dem Stand der Technik erweist es sich als äußerst schwierig, Silizium mit einem Reinheitsgrad herzustellen, wie ihn die Halbleitertechnik erfordert, und für viele Zwecke scheidet Silizium noch als Halbleitermaterial aus, weil es sich nicht hinreichend reinigen läßt, oder es läßt sich Rohsilizium mit gewissen Verunreinigungen nicht für die Fertigung von Halbleiteranordnungen verwenden.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß der Vakuumbehälter, in dem der Halbleiterkörper nach Art des Zonenschmelzen abschnittweise geschmolzen wird, aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Räumen besteht, die auf voneinander verschiedene Temperaturen einregelbar sind und in dessen ersterem der Halbleiterkörper untergebracht, insbesondere eingespannt ist.

Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, je nach dem angebrachten Auf.wand die Reinigung von beispielsweise Silizium bei völlig gradientenfreiem Dopen praktisch beliebig weit zu treiben. · Das ist insbesondere für Silizium mit den heute bekannten Verfahren nicht zu erreichen.

Wegen der bekannten physikalischen Eigenschaften von Quarz ist es zweckmäßig, den Vakuumbehälter aus diesem Material zu machen. Grundsätzlich eignet sich natürlich jedes Material für die Herstellung des Behälters, das den anzuwendenden Temperaturen standhält und sich dabei passiv verhält.

Bevorzugt wird die flache Heiz- oder Induktionsspule, die zur Erzeugung einer schmalen Schmelzzone dient, so angebracht, daß sie den Vakuumbehälter von außen umgibt, weil für sie Mittel zur Bewegung und Führung vorgesehen sein müssen, die, im Innern des Behälters angebracht, die Anordnung komplizieren und die Qualität des Vakuums gefährden würden. Damit bei dieser Anordnung die Schmelzzone schmal bleibt, muß der Vakuumbehälter, der selbst von der Spule in geringem Abstand umgeben wird, einen solchen Querschnitt haben, daß er den Halbleiterkörper in geringem Abstand um-Anordnung zum Hochreinigen
und/oder Dopen eines Halbleiterkörpers

Anmelder:

Telefunken G. m. b. H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Friedrich Wilhelm Dehmelt, Neu-Ulm/Donau,
ist als Erfinder genannt worden

schließt. Hierbei werden die beiden Behälterräume am zweckmäßigsten koaxial zueinander angeordnet; sie können dabei entweder nur Bereiche unterschiedlicher Temperatur in einem einheitlichen Behälter mit durchgehend glatten Wänden, beispielsweise einem glatten Quarzrohr, sein, oder der zweite Raum des Behälters ist gegenüber dem ersten verjüngt, damit die gewünschten Temperaturverhältnisse sich auf engerem Raum noch leicht einstellen lassen.

Der erste Raum des Vakuumbehälters, in dem sich der Halbleiterkörper befindet, wird bevorzugt in einem Ofen derart angeordnet, daß dieser Ofen den Behälter mit geringem Abstand umschließt, während der zweite Raum des Behälters in einem Temperaturbad angeordnet ist, das vorzugsweise durch einen Thermostaten in seiner Temperatur konstant gehalten wird.

Wegen seiner bekannten Vorteile, nämlich der Vermeidung von Verunreinigung und Störung des Kristallwachstums durch eine Tiegelwand, und wegen der günstiger gelegenen Flüssigkeitsoberfläche, die die Sehmelzzone allseitig umgibt, ist es besonders vorteilhaft, mit der Erfindung das tiegelfreie Zonenschmelzen anzuwenden. Weil beim tiegelfreien Zonenschmelzen ein stabförmiger Halbleiterkörper in senkrechter Lage angebracht werden muß, sind bei den vorbesprochenen bevorzugten Ausführungsformen die beiden Behälterräume dann senkrecht übereinander anzuordnen. Außerdem läßt sich beim tiegelfreien Zonenschmelzen noch ein weiterer Vorteil erzielen, indem während des Zieh Vorganges ein Stabende gedreht wird. Dadurch wird die Schmelze durchmischt, und der Materialaustausch durch die Flüssigkeitsaberfläche durch Verdampfen und Kondensieren wird beschleunigt. Es müssen dann in dem Behälter Mittel zur drehbaren Lagerung des Halbleiterkörpers vorgesehen sein; die Drehachse dieser Mittel wird zweck-

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mäßig durch einen Simmerring aus dem Vakuum- führungsbeispiel erläutert, wie es in der Zeichnung

behälter herausgeführt. gezeigt ist. In einem Ofen 1 in den die Heizwick-

Um das Einsetzen und Entfernen des Halbleiter- lungen 2 eingelegt sind, befindet sich ein evakuiertes körpers oder eines Dopmittelvorrats oder das Ent- Quarzgefäß 3 bei einer vorgegebenen Temperatur. In fernen niedergeschlagener Verunreinigungen zu er- 5 Längsrichtung über das Gefäß 3 verschiebbar ist die leichtern, wird gemäß einer bevorzugten Ausfüh- Heizspule 4 angeordnet. Das Gefäß 3 taucht mit rungsform zum Zwecke der Halterung des Halbleiter- seinem unteren, etwas verjüngten Ende in einen Bekörpers an einem oder an beiden Enden des ersten halter 5 mit einem Flüssigkeitsbad 6, das durch Vakuumbehälterraumes eilt Einsatzkörper vorgesehen, einen Thermostaten auf einer konstanten Temperatur der seinerseits in die Form des Vakuumbehälters, in io von rund 100° C gehalten wird. Unten im Gefäß 3 bedem gegebenenfalls dazu geeignete Profile vorhanden findet sidh ein Stück Phosphor 7, das die Temperatur sind, eingepaßt ist. Befindet sich ein solcher Einsatz- des Bades 6 hat. Im Gefäß 3 befindet sich eine Haltekorper an der Verbindungsstelle zwischen den beiden vorrichtung 8 mit Durchbohrungen 9, in die ein Impf-Behälterräumen, so muß er hinreichend weite OfE- kristall 10 aus Silizium eingesetzt worden ist. Innernungen für den Durchtritt der Dämpfe von dem 15 halb der Heizspule 4 ist eine schmale Zone 11 geeinen Raum in den anderen l>esitzen. schmolzenen Siliziums. Die Schmelzzone 11 ist mit

Beim Gebrauch der erfindungsgemäßen Anordnung der Heizspule 4 verschiebbar. Oberhalb der Schmelzwird stets der erste Behälterraum, in dem sich der zone 11 befindet sich der Stab aus dem Ausgangs-Halbleiterkörper befindet,-wärmer gehalten als der material 12, das beispielsweise polykristallines, vorzweite Behälterraum. Soll die Anordnung zum Hoch- 20 gereinigtes Silizium ist. Dieser Stab 12 ist oben in reinigen eines Halbleiterkörpers verwendet werden, so die auf die aufgeschmolzenen Vorsprünge 13 des Gemüssen die Wandungen de? beiden Räume auf solchen fäßes 3 gelagerte Haltevorrichtung 14 eingespannt,
unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, daß Bei der Durchführung des Verfahrens wird zudas aus der Schmelzzone^herausdiffundierende Ver- nächst der Phosphor 7, der Impfkristall 10 und darauf unreinigungsmaterial sich lediglich an der Innenwand 25 aufliegend das Ausgangsmaterial 12 aus Silizium in des zweiten, den Halbleiterkörper nicht enthaltenden die Apparatur eingebracht, das Gefäß 3 evakuiert und Raumes niederschlägt. Dieses Verfahren gestattet es, verschlossen und die Temperaturen im Ofen 1 und im die Schmelzzone mehrfach durch den Halbleiter- Bad 6 eingeregelt. Da sich der Phosphor 7 an der körper wandern zu lassen, ohne daß beim wieder- kältesten Stelle des Gefäßes 3 befindet, stellt sich im holten Durchlaufen von der Gefäßwand erneut dort 30 ganzen Gefäß 3 der Phosphordampfdruck ein, den niedergeschlagenes Verunreinigungsmaterial ver- Phosphor bei der Temperatur an jener Stelle hat. dampft und dadurch den Dampfdruck einen gewissen Dann wird die Stelle, an der der Impfkristall 10 das Wert nicht unterschreiten läßt, audh daß Verunreini- Ausgangsmaterial 12 berührt, durch Heizung mittels gungsmaterial sich gar auf einer anderen Stelle des der Heizspule 4 über eine schmale Zone 11 zum Halbleiterkörpers wieder niederschlägt. Wenn also bei 35 Schmelzen gebracht, wobei zunächst auch etwas bekannten Verfahren beim Zonenschmelzen im Material vom Impfkristall abschmilzt. Diese Phase Vakuum das Abdampfen von Verunreinigungen als des Verfahrens ist gerade in der Figur gezeigt. Die dort bisher nicht berücksichtigter Nebeneffekt mit auf- Schmelzzone 11 wird jetzt durch entsprechende Begetreten ist, so ist die Wirkung des hier behandelten wegung der Heizspule 4 langsam von unten nach oben Verfahrens doch nicht mit eingetreten. 40 durch den Stab aus Ausgangsmaterial 12 bis dicht an '- Soll die Anordnung zum Dopen eines Halbleiter- die Haltevorrichtung 14 herangeführt. Über der körpers verwendet werden, so wird das Dopmittel in Flüssigkeitsoberfläche der Schmelzzone 11 stellt sich dem zweiten (kälteren) der beiden Räume unter- von allen im Ausgangsmaterial enthaltenen und in der gebracht und die Temperatur dieses Raumes derart Schmelze gelösten Beimengungen der zu Konzengewählt, daß sich in den beiden Räumen der für die 45 tration und Temperatur gehörige Dampfdruck für gewünschte Dotierung -erforderliche Dampfdruck des jede Beimengung unabhängig ein. Da sich die Anord-Dopmittels einstellt. nung im Vakuum befindet, können sich die Partial-. Das Dopen und Reinigen lassen sich schließlich drücke aller vorhandenen Dämpfe, also von Verunauch gleichzeitig ausführen, wenn der kältere Raum reinigungen wie vom Dopmittel, verhältnismäßig so kalt sein kann, daß sich die Verunreinigungen dort 50 schnell über das ganze Gefäß 3 ausbreiten. Dabei beniederschlagen und das Dopmaterial (beispielsweise steht bekanntlich zwischen Dopmitteldampfdruck und Phosphor) bei dieser Temperatur noch einen hin- Verunreinigungsdampfdruck keinerlei Wechselwirreichend großen Dampfdruck hat. kung, d. h. der eine Dampf breitet sich so aus, als ob ' Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß bei der andere überhaupt nicht vorhanden wäre. Am einem durchgeführten Zonenschmelzen neben den hier 55 kalten Ende, an der Stelle, wo sich der Phosphor 7 besprochenen Effekten stets noch der bereits bekannte befindet, tritt Kondensation an der Gefäßwand ein. SeggregationsefFekt zur Reinigung des Halbleiter- Die im Ausgangssilizium vorhandenen Beimengungen körpers mitwirkt. Der hier beschriebene Effekt ist (beispielsweise Zink) haben bei der am kalten Gefäßalso immer mit dem Seggregationseffekt kombiniert. ende vorhandenen Temperatur einen verschwindenden

Ferner ist das Dopen durch den Seggregationseffekt 60 Dampfdruck und scheiden sich dort quantitativ ab. bekannt, wenn die Seggregationskonstante des Dop- Auf diese Weise wird das Silizium von allen Beimittels klein gegen Eins ist; das Dopmittel wird dann mengungen, deren Dampfdruck im geschmolzenen der Anfangsschmelzzone beigegeben und beim Durch- Silizium größer ist als der des geschmolzenen SiIiwandern der Schmelzzone durch den Kristall in ziums_: gereinigt. Zu diesem Reinigungseffekt tritt diesem verteilt. Dieses Dopen durch den Seggre- 65 noch der bekannte Zonenreinigungseffekt hinzu, gationseffekt läßt sich natürlich auch kombinieren mit Gleichzeitig herrscht aber im ganzen Gefäß, insbesondere hier beschriebenen Hochreinigen oder mit dem dere also über der Flüssigkeitsoberfläche an der Dojpen durch Eindampfen, wenn zwei verschiedene Stelle 11, der Phosphor dampf druck, den Phosphor bei Dopmittel gleichzeitig eingebracht werden sollen. der Temperatur an der Stelle 7 hat. Dadurch diffun-

Die Erfindung wird nun an einem bevorzugten Aus- 70 diert etwas Phosphor in die Schmelze ein und der

Dampfdruck bestimmt die Konzentration, mit der der Phosphor in die Schmelze gelangt und in den Kristall mit eingebaut wird. Da der Phosphordampfdruck konstant gehalten wird, baut sich der Phosphor stets mit gleicher Menge, d. h. gradientenfrei ein. Weil beim ersten Durchwandern der Schmelzzone weder alle Fremdstoffe vollkommen aus dem Silizium entfernt noch der Phosphor mit der vorgesehenen Endkonzentration eingebaut wird, durchläuft die Schmelzzone den Stab mehrfach. Bei jedem Durchlaufen wird dabei der Stab von einem Teil seiner Beimengungen befreit; es ist dabei nur eine Frage des Aufwandes, wie oft die Schmelzzone den Stab durchläuft. Dieses Durchlaufen kann praktisch beliebig oft wiederholt werden, wobei das Silizium dann einen beliebigen Reinheitsgrad, bzw. in Gegenwart von Phosphordampf vorgegebenen Druckes eine bestimmte Phosphorkonzentration erreichen wird; in der Praxis wird die Schmelzzone rund 5- bis lOmal durch den Stab ge- · führt. Nach Beendigung dieses Verfahrens kühlt die Apparatur ab, der Stab wird herausgenommen; die nicht behandelten Enden, wo der Stab eingespannt war, werden abgesägt.

Dieses mit der Zeichnung beschriebene Beispiel ist gerade so gewählt, daß das Dopen und Reinigen gleichzeitig erfolgen kann. Das kann mit sonst denselben Verfahrensschritten und derselben Anordnung auch getrennt vor sich gehen.

Claims (15)

PATENTANSPRÜCHE: 3<>

1. Anordnung zum Hochreinigen und/oder Dopen eines Halbleiterkörpers, bestehend aus einem Vakuumbehälter, in dem der Halbleiterkörper nach Art des Zonenschmelzverfahrens abschnittweise geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Räumen besteht, die auf voneinander verschiedene Temperaturen einregelbar sind und in dessen ersterem der Halbleiterkörper untergebracht, insbesondere eingespannt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumbehälter aus Quarz besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumbehälter einen solchen Querschnitt besitzt, daß er den Halbleiterkörper in geringem Abstand umschließt und daß eine flache Heiz- oder Induktionsspule zur Erzeugung der Schmelzzone vorgesehen ist, die den Vakuumbehälter von außen umgibt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke des tiegelfreien Zonenschmelzen in dem Behälter Mittel zur drehbaren Lagerung des Halbleiterkörpers vorgesehen sind und daß die Drehachse dieser Mittel durch einen Simmerring aus dem Vakuumbehälter herausgeführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Raum des Vakuumbehälters, in dem sich der Halbleiterkörper befindet, in einem Ofen derart angeordnet ist, daß dieser Ofen den Behälter mit geringem Abstand umschließt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Raum des Vakuumbehälters in einem Temperaturbad angeordnet ist, das vorzugsweise durch einen Thermostaten in seiner Temperatur konstant gehalten wird.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälterräume senkrecht übereinander angeordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Behälterräume koaxial zueinander angeordnet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Raum des Behälters gegenüber dem ersten Raum verjüngt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Herstellung des Halbleiterkörpers an einem oder an beiden Enden des ersten Vakuumbehälterraumes ein Einsatzkörper vorgesehen ist, der seinerseits in die Form des Vakuumbehälters, in dem gegebenenfalls dazu geeignete Profile vorhanden sind, eingepaßt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Behälterräumen ein Einsatzkörper vorgesehen ist, der hinreichend weite öffnungen für den Durchtritt der Dämpfe von dem einen Raum in den anderen besitzt.

12. Verfahren zum Hochreinigen eines Halbleiterkörpers durch mehrfache Anwendung des Zonenschmelzverfahrens in einer Anordnung nach Anspruch 1 und gegebenenfalls der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der beiden Räume auf solchen unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, daß das aus der Schmelzzone herausdiffundierende Verunreinigungsmaterial sich lediglich an der Innenwand des zweiten, den Halbleiterkörper nicht enthaltenden Raumes niederschlägt.

13. Verfahren zum Dopen eines Halbleiterkörpers unter Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 1 und gegebenenfalls der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Dopmaterial in dem zweiten der beiden Räume untergebracht wird, daß die Temperatur dieses Raumes derart gewählt wird, daß sich in den beiden Räumen der für die gewünschte Dotierung erforderliche Dampfdruck des Dopmittels einstellt und daß der den Halbleiterkörper enthaltende erste Raum auf einer höheren Temperatur als der zweite Raum gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum gleichzeitigen Reinigen und Dotieren des Halbleiterkörpers ein Dopmaterial von hinreichend großem Dampfdruck, z. B. Phosphor, verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigting und/oder das Dopen des Halbleiterkörpers mit einer gleichzeitigen Dopmittel verteilung durch den Seggregationseffekt beim Zonenschmelzen kombiniert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen