DE1153540B

DE1153540B - Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1153540B
Application number: DES59920A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Konrad Reuschel; Dr-Ing Habil Theodor Rummel; Dr-Ing Arnulf Hoffmann; Dr Rer Nat Wolfgang Keller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-09-20
Filing date: 1958-09-20
Publication date: 1963-08-29
Also published as: DE1719024A1; DE1719024B2; NL126632C; NL255390A; US2970111A; CH406157A; BE582787A; DE1719025A1; CH434213A; GB919837A; BE595351A; SE307992B; NL242264A; FR1234485A; GB925106A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 4Od t/30

* INTERNAT. KL. C 22 f

S59920VIa/40d

ANMELDETAG: 20. SEPTEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHSIFT: 29. AUGUST 1963

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Zwecke, bei dem das Halbleitermaterial durch mindestens teilweise Reduktion und thermische Zersetzung aus einer gasförmigen Verbindung auf der Oberfläche eines festen, über seine ganze Länge gleichmäßig erhitzten Trägerstabes aus dem gleichen Halbleitermaterial abgeschieden und der Stab einem Zonenschmelzprozeß unterworfen wird. Ein Verfahren zur Abscheidung ίο von Halbleitermaterial auf einem erhitzten Stab aus dem gleichen Material ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 061 593 bekannt. Nach einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterstabes durch Abscheidung aus einer gasförmigen Verbindung werden verschiedene Lagen von Halbleitermaterial mit gleicher Struktur und abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeit auf einem einkristallinen Wolfram- oder Germaniumfaden abgeschieden. Der fertige Stab kann in eine Anzahl von Scheiben zerteilt werden, die dann mindestens einen ringförmigen pn-übergang enthalten.

Demgegenüber wird mit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gelöst, aus einem beliebig dotierten Stab, nachdem seine Verunreinigungskonzentration beispielsweise durch Widerstandsmessung festgestellt ist, mit vorhandenen Einrichtungen für die Gewinnung von Halbleitermaterial durch Abscheidung aus einer gasförmigen Verbindung und mit bekannten Einrichtungen zum Zonenschmelzen einen gegebenenfalls einkristallinen Stab mit einer über den ganzen Stabquerschnitt gleichmäßig verteilten Verunreinigungskonzentration und mit einer vorbestimmten Leitfähigkeit herzustellen. Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß auf einem Halbleiterstab mit gegebener erhöhter Verunreinigungskonzentration weiteres, reineres Halbleitermaterial derselben Art in solcher Menge, wie sie für eine gewünschte verminderte Dotierungskonzentration des fertigen Stabes erforderlich ist, abgeschieden wird und daß die Verunreinigungskonzentration des so verdickten Stabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen über den ganzen Stabquerschnitt gleichmäßig verteilt wird.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es die Herstellung von dotierten Halbleiterstäben mit einer gewünschten, um mehrere Zehnerpotenzen niedrigeren Verunreinigungskonzentration aus Ursprungsstäben mit höherer Konzentration unabhängig von der Genauigkeit der Herstellung dieser dotierten Ursprungstäbe ermöglicht.

Die Dotierung des Ursprungsstabes kann vorteilhaft nach dem früher vorgeschlagenen Verfahren gemäß Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus Halbleitermaterial

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Arnulf Hoffmann,

Dr. rer. nat. Wolf gang Keller,

Dr. phil. nat. Konrad Reuschel, Pretzfeld (ObFr.), und Dr.-Ing. habil. Theodor Rummel, München,

sind als Erfinder genannt worden

deutschem Patent 1128 048 ausgeführt werden, indem Dotierungsmaterial, insbesondere Bor, enthaltendes Glas durch einen Erwärmungsvorgang auf die Oberfläche eines Siliciumstabes aufgeschmolzen und anschließend im Zonenschmelzverfahren über den Stabquerschnitt gleichmäßig verteilt wird. Nach diesem Verfahren läßt sich durch Auswahl des Gehaltes an Dotierungsstoff im Glas und der Stärke des verwendeten Glasfadens eine ausreichende Menge Verunreinigungsstoff in den Halbleiterstab übertragen. Nach einem anderen früher vorgeschlagenen Verfahren gemäß deutschem Patent 1110 491 wird ein Verunreinigungsstoff elektrolytisch in gleichmäßiger Schichtdicke auf die Oberfläche eines Halbleiterstabes aufgebracht und danach im Zonenschmelzverfahren über den Stabquerschnitt gleichmäßig verteilt. Dadurch kann man einen extrem niederohmigen Stab mit sehr gleichmäßiger Dotierung seines gesamten Volumens erhalten.

Die Schwierigkeit, einen vorher festgelegten Leitfähigkeitswert durch die Dotierung zu erreichen, besteht bei diesen genannten Verfahren darin, daß die erforderliche Menge an zuzufügendem Dotierungsstoff nur unter schwierigen Bedingungen genau eingehalten werden kann und daß die möglichen Abweichungen von einer errechneten Dotierung erheb-

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liehe Abweichungen von der gewünschten Leitfähigkeit zur Folge haben können. Solche Abweichungen können mit Hilfe des neuen Verfahrens beseitigt werden, da es eine Herabsetzung der Verunreinigungskonzentration in einem vorher festgelegten Verhältnis ermöglicht. Dabei kann die Verunreinigungskonzentration in einer Stufe, z.B. im Verhältnis bis zu 1:50, herabgesetzt werden. Dies entspricht beispielsweise einem Durchmesser von 3 mm des Ursprungsstabes und einer Verdickung auf einen Durchmesser von xo 21 mm.

Zur Herstellung eines so dünnen Ursprungsstabes von beispielsweise 3 mm Durchmesser besteht die Möglichkeit, aus einem dickeren Halbleiterstab mit bereits festgestellter Verunreinigungskonzentration, z. B. nach der deutschen Patentschrift 975 158, einen dünnen Stab zu ziehen, indem beim Zonenschmelzen die Stabenden stetig auseinanderbewegt werden. Auf diese Weise kann man einen solchen Querschnitt des Ursprungsstabes erhalten, daß sich durch das Auf- ao wachsen bis zu einem bestimmten vorgegebenen Querschnitt des fertigen Stabes eine Verminderung der Verunreinigungskonzentration auf einen vorgeschriebenen Wert ergibt.

Die erwähnten Möglichkeiten lassen einen besonders einfachen Weg zur Herstellung eines Ausgangsstabes mit erhöhter Verunreinigungskonzentration als zulässig erscheinen, bei welchem lediglich eine verhältnismäßig grobe Dosierung erreicht wird. Ein solches Verfahren kann beispielsweise darin bestehen, daß ein Halbleiterstab, insbesondere ein Siliciumstab, vor dem Dünnziehen mit Verunreinigungsstoff in fester Form, z. B. mit einem Stück Bor, abgerieben wird. Der am Stab haftende Abrieb kann dann durch Zonenschmelzen gleichmäßig im Stab verteilt werden.

Im Falle der Dotierung ernes Siliciumstabes, z. B. mit Bor, besteht die Möglichkeit, den Stab durch wiederholtes Zonenschmelzen in gleicher Richtung von unerwünschten anderen Verunreinigungen zu reinigen, ohne daß dadurch die gleichmäßige Verteilung des Bors längs des Stabes wesentlich beeinträchtigt würde, da Bor im Silicium einen Verteilungskoeffizienten von etwa 0,9, also nahezu 1 hat. Außerdem kann allgemein zur Vergleichmäßigung der Verunreinigungskonzentration über die Länge des verdickten Halbleiterstabes beim tiegelfreien Zonenschmelzen die Schmelzzone in einigen abschließenden Durchgängen mit wechselnder Richtung bewegt werden. Das Zonenschmelzen bietet bekanntlich ferner die Möglichkeit, durch Verwendung eines einkristallinen Impflings auch den fertigen Stab in Form eines Einkristalls zu erhalten.

Weicht der Durchmesser des verdickten Stabes von einem vorgeschriebenen Wert ab, so kann er nachträglich beim abschließenden Zonenschmelzen durch Strecken oder Stauchen korrigiert werden.

Nach dem Zonenschmelzen erhält man Halbleiterstäbe mit vorgegebener Verunreinigungskonzentration, mit denen das Verfahren wiederholt und dadurch erneut eine gezielte Herabsetzung der Konzentration bewirkt werden kann, Auf diese Weise kann man Stäbe oder Stabgruppen mit in beliebigen Stufen abnehmenden Verunreinigungskonzentrationen erhalten, wobei diejenige der letzten Stufe gegenüber dem Urstab im Verhältnis von mehreren Zehnerpotenzen verringert sein kann. Dies entspricht einer Vergrößerung des spezifischen Widerstandes etwa im umgekehrten Verhältnis, was. beispielsweise durch folgende schematische Zusammenstellung verdeutlicht werden kann:

Urstab mit 0,01 Ohm · cm
daraus in der

1. Stufe etwa zehn Stäbe mit 0,1 Ohm · cm,

2. Stufe etwa zehn Stäbe mit 1 Ohm · cm,

3. Stufe etwa zehn Stäbe mit 10 Ohm ■ cm,

4. Stufe etwa zehn Stäbe mit 100 Ohm · cm.

Erzeugnisse der 3. Stufe (10 Ohm · cm) sind z. B. für spezielle Transistorarten, solche der 4. Stufe (100 Ohm · cm) z. B. für Leistungstransistoren und Fotoelemente verwendbar.

Das beschriebene Dotierungsverfahren kann grundsätzlich mit sämtlichen bekannten Dotierungsstoffen durchgeführt werden. Für die p-Dotierung haben sich außer dem schon erwähnten Bor auch Gallium und Aluminium, für die η-Dotierung Antimon, Arsen und Phosphor als geeignet erwiesen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, für elektronische Zwecke, bei dem das Halbleitermaterial durch mindestens teilweise Reduktion und thermische Zersetzung aus einer gasförmigen Verbindung auf der Oberfläche eines festen, über seine ganze Länge gleichmäßig erhitzten Trägerstabes aus dem gleichen Halbleitermaterial abgeschieden und der Stab einem Zonenschmelzprozeß unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleiterstab mit gegebener erhöhter Verunreinigungskonzentration weiteres, reineres Halbleitermaterial derselben Art in solcher Menge, wie sie für eine gewünschte verminderte Dotierungskonzentration des fertigen Stabes erforderlich ist, abgeschieden wird und daß die Verunreinigungskonzentration des so verdickten Stabes durch tiegelfreies Zonenschmelzen über den ganzen Stabquerschnitt vergleichmäßigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ursprungsstab durch Dünnziehen — Zonenschmelzen mit gleichzeitigem stetigem Auseinanderbewegen der Stabenden — eines dickeren Stabes mit vorher gemessener Verunreinigungskonzentration hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ursprungsstab so dünn gezogen wird, daß durch die nachfolgend abgeschiedene Schicht reinsten Materials, deren Stärke sich nach einer gewünschten Gesamtstärke des verdickten Stabes richtet, eine, vorbestimmte Verunreinigungskonzentration erzielt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration des Ursprungsstabes mit einem lediglich grobe Dosierung ermöglichenden Dotierungsverfahren erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterstab, insbesondere ein Siliciumstab, vor dem Dünnziehen mit Verunreinigungsstoff in fester Form, z. B. mit einem Stück Bor, abgerieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verdickte Stab beim Zonenschmelzen auf eine gewünschte Querschnittsgröße gestaucht oder gestreckt wird.

5

, \Ρ fg^ebenenff s mehrfache Wiederholung _{In Betracht Qe Druckschriften:}

des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 und 1

zwecks Herstellung von Stäben oder Stabgruppen Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 017 795;

mit stufenweise im Verhältnis von mehreren USA.-Patentschrift Nr. 2 763 581;

Zehnerpotenzen verringerten Verunreinigungs- 5 W. G. Pf ann, »Zone Melting«, 1958, Kapitel 15, konzentrationen. S. 5.