DE1190918B - Verfahren zur gezielten Dotierung von stabfoermigen Koerpern waehrend des Zonenschmelzens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOIj

Deutsche Kl.: 12c-2

Nummer: 1190 918

Aktenzeichen: W 28070IV c/12 c

Anmeldetag: 24. Juni 1960

Auslegetag: 15. April 1965

Bei der Herstellung von hochreinen Stoffen ist es schwierig, gezielt zu dotieren und z. B. monokristalline Siliciumstäbe mit einem reproduzierbaren Widerstandsverlauf herzustellen.

Es ist bekannt, kristalline Stoffe dadurch zu dotieren, daß während des tiegellosen Zonenschmelzens im Schutzgas ein mit Dotierstoffen beladener Gasstrom bei Normaldruck oder leichtem Überdruck strömend an der Schmelzzone vorbeigeleitet wird. Dabei durchstreicht das Gasgemisch verschiedene heiße Zonen, in denen bereits Dotierstoffe abgegeben werden. Das bewirkt aber, daß die Konzentration der Dotierstoffe längs der Stabachse verschieden ist.

Weiterhin ist bekannt, beim Dotieren von Halbleiterkristallen mehrere Teile gleicher oder verschiedener Substanzen lose aneinanderzureihen bzw. aufeinanderzustülpen und beim Durchwandern der flüssigen Zone zusammenzuschmelzen. Es kann aber auch eine entsprechende Menge eines Donatorenbzw. Akzeptorenmaterials auf den Halbleiter aufgeschmolzen oder der Stab an der gewünschten Stelle angebohrt oder angefräst und dort eine Dosis der Dotiersubstanz, z. B. in Pillenform, angebracht werden. Damit wird aber kein gezieltes Dotieren bewirkt.

Stabförmige Körper aus Elementen, Verbindungen, Legierungen fester Lösungen können aber während des Zonenschmelzens unter Schutzgas oder Vakuum bei Verwendung fester Dotierstoffe gezielt dotiert werden, wenn erfindungsgemäß stabförmige Dotierstoffe von der Seite her der Schmelzzone zugeführt werden.

Unter Dotierung ist bei dem vorliegenden VerfarT-ren nicht nur das Dotieren, wie es die Halbleitertechnik kennt, zu verstehen. Auch das Zusetzen von Stoffen, die optisch, mechanisch, magnetisch oder thermisch wirksam sind, ist damit gemeint.

Die zugeführten Dotierstoffe verteilen sich in der Schmelzzone bzw. in den Schmelzzonen gleichmäßig und werden entsprechend dem Verteilungskoeffizient fest/flüssig in der festen Pase eingebaut und verleihen den Körpern bestimmte Eigenschaften, z. B. elektrische, magnetische, optische, mechanische oder thermische, entsprechend der Art und Konzentration der Dotierstoffe.

Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Der zu dotierende Körper (F i g. 1), beispielsweise ein Siliciumstab 1, wird in seinem Querschnitt aufgeschmolzen und eine Schmelzzone 2 der Länge nach durch den Stab wandern gelassen, wobei es möglich ist, die Zone von oben nach unten oder umgekehrt Verfahren zur gezielten Dotierung von
stabförmigen Körpern während des
Zonenschmelzens

Anmelder:

Wacker-Chemie G. m. b. H.,
München 22, Prinzregentenstr. 22

Als Erfinder benannt:
Dr. Eduard Enk, Dr. Julius Nicki,
Dipl.-Ing. Dr. Heinz Silbernagel,
Burghausen (Obb.)

durch den Stab zu führen. Zwischen den Heizkörpern 4 wird der Schmelzzone ein dotierter, dünner

a» Siliciumstab 5 mit einem Durchmesser von etwa 3 mm langsam zugeführt. F i g. 2 zeigt die Zuführung des Dotierstabes 5 von oben her. Eine beispielsweise Anordnung zeigt die F i g. 3, bei der von links her der Dotierstab 5 zugeführt wird. Er ruht in der Fassung 6, die an der Welle oder Stange 7 befestigt ist und von dem Antrieb 8 von außen nach innen getrieben wird.

Der Fortschritt des Verfahrens liegt darin, daß die gezielte Dotierung, d. h. die Einstellung eines bestimmten spezifischen elektrischen Widerstandes des zu dotierenden Körpers, durch Längenverstellung mit Hilfe der Zuführungsvorrichtung des Dotierstabes erreicht wird. Längenverstellungen lassen sich bis zu größten Genauigkeiten ausführen. Mit dem Verfahren wird es möglich, von einem ungleichmäßig oder gleichmäßig dotierten Körper auszugehen, da es einfach ist, diesen vorher zu vermessen und entsprechend dem Dotiergehalt des Dotierstabes den Vorschub zu programmieren. Auch der Dotierstab kann gleichmäßig oder ungleichmäßig dotiert sein. Nimmt beispielsweise der Gehalt eines bestimmten Dotierstoffes im Dotierstab von dem Ende, das in der Fassung 7 liegt, zu dem Ende hin, das aufgeschmolzen wird, ab, so ist es ohne weiteres möglieh, den Antrieb 8 so einzustellen, daß entsprechend dem Dotiergehalt des Stabes 5 die Zufuhrgeschwindigkeit linear abnimmt. Somit ist es möglich, einen gleichmäßigen Widerstandsverlauf in Richtung Stabachse in Stab 1 (Fig. 3) zu erreichen.

In gleicher Weise ermöglicht das Verfahren, geometrische Ungleichmäßigkeiten, z. B. Schwankungen im Durchmesser der Stäbe, allein durch mechanische

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Maßnahmen auzugleichen. Ist z. B. der Dotierstab konisch und z. B. gleichmäßig dotiert, so wird entsprechend seinem Querschnittsverlauf der Vorschub so gesteuert, daß die in der Zeiteinheit zugeführte Dotierstoffmenge konstant bleibt. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn mehrere Stäbe immer wieder mit den gleichen Eigenschaften, wie spezifischem elektrischen Widerstand, hergestellt werden sollen.

Bei Dotierungen mit schnell laufender Schmelzzone ist es vorteilhaft, zwei oder mehrere Dotierstäbe der Schmelzzone zuzuführen. Eine beispielsweise Anordnung zeigt F i g. 4. In diesem Falle werden drei Stäbe 5 gleichmäßig der Schmelzzone 2 zugeführt.

Mit diesem Verfahren gelingt es weiterhin, durch eine verschieden schnelle Zufuhr der Dotierstäbe einen bestimmten Verlauf des spezifischen elektrischen Widerstandes in dem zu dotierenden Körper herzustellen, z. B. einen fallenden Widerstand von einem Stabende zum anderen.

Außerdem können durch Anwendung von Dotierstäben, die entgegengesetzt wirksame Dotierstoffe enthalten, Bereiche mit verschiedenem Leitfähigkeitstyp in ein und demselben Körper erzeugt werden. Dotiert man z. B. zuerst einen Siliciumstab oder ein Siliciumrohr mit einem borhaltigen Dotierstab, so erhält man p-leitendes Silicium. Anschließend wird dieser borhaltige Dotierstob gegen einen Dotierstab ausgewechselt, der Phosphor enthält, wodurch eine Zone mit η-Leitung im Stab oder Rohr erzeugt wird. Es können also Körper mit vielen Zonen entgegengesetzter Leitungsart hergestellt werden. Durch eine gleichzeitige Zufuhr von entgegengesetzt wirksamen Dotierstoffen gelingt es, eine vollständige oder teilweise Kompensation z. B. des Leitfähigkeitstyps zu erzeugen. Man erhält auf diese Weise ein absichtlich kompensiertes Material.

Als Dotierstäbe eignen sich runde oder eckige Stangen aus dem gleichen Material wie der zu dotierende Körper. Aber auch andere Stoffe, die beim Aufschmelzen verdampfen und die dominierenden Eigenschaften des herzustellenden Körpers nicht stören, eignen sich. Siliciumstäbe dotiert man z. B. vorteilhafterweise mit etwa 3 mm starken Siliciumstäben, die Bor, Aluminium, Indium, Gallium oder Phosphor, Arsen, Antimon enthalten. Bei der Dotierung von Germanium- und Borkörpern arbeitet man vorteilhafterweise sinngemäß mit Germanium bzw. Borstäben.

Der Dotierstab kann aber auch gleichzeitig aus einem Stoff bestehen, der am Aufbau des herzustellenden Körpers teilnimmt und darin verbleibt, so kann er z. B. eine Legierungskomponente oder ein Element sein, das mit dem zu reinigenden Stab eine Verbindung bildet. In diesem Fall kann z. B. bei Silicium der dotierende Stab Bor sein, der Phosphor enthält, wodurch es gelingt, phosphorhaltige Borsilicide herzustellen. Sinngemäß ist das Verfahren auch bei der Herstellung von intermetallischen Verbindungen anwendbar, z.B. IWV-, WWl-, V/IV-Verbindungen.

Die Dotierstäbe können die wirksamen Stoffe in homogen verteilter Form oder heterogen eingelagert enthalten, z. B. als Einschlüsse oder als feste Lösung oder als gelöste Elemente oder Verbindungen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß es nicht an die Erhitzungsart, mit der die wandernde Schmelzzone erzeugt wird, gebunden ist. Es eignet sich sowohl bei Erhitzung mit elektrischer Hochfrequenz, Elektronen- oder Ionenbombarde-

ao ment, Plasmabrenner, Elektronenfackel oder Wärmestrahlung.

Das Verfahren ist ferner unabhängig von dem Druckbereich, bei dem zonengeschmolzen wird. Es wird anwendbar bei Unter-, Normal- oder Überdruck.

Dotierstäbe können auch in eine Schmelzzone geführt werden, die der eigentlichen Schmelzzone voraus- oder nacheilt und die nicht den gesamten Querschnitt des Stabes erfaßt, wodurch eine gleichmäßige

Verteilung der Dotierstoffe erreicht wird. _

Mit den Verfahren gelingen Dotierungen in einem weiten Widerstandsbereich z. B. bei Silicium von etwa 10⁴ bis 10 ⁴ Ohm/cm, bei n- und p-leitendem Material und Trägerlebensdauern von 10⁴ bis zu einigen Mikrosekunden zu erzielen.

Dieses Verfahren läßt sich sinngemäß übertragen auf das Zonenschmelzen im Tiegel.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur gezielten Dotierung von stabförmigen Körpern aus Elementen, Verbindungen, Legierungen fester Lösungen während des Zonenschmelzens unter Schutzgas oder Vakuum bei Verwendung fester Dotierstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß stabförmige Dotierstoffe von der Seite her der Schmelzzone zugeführt werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 017 795;
   österreichische Patentschrift Nr. 194 444.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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