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T e 1 e f u n k e n G. m. b. H.
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Berlin NW 87, Siokingenstrasse 71 Neuerung Die betrifft eine Anordnung
zum Hochreinigen und/oder Dopen eines Halbleiterkörpers. Sie besteht aus einem Vakuumbehalter,
in dem der Halbleiterkörper nach Art des Zonenschmelzverfahrens abschnittweise geschmolzen
wird.
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Stand der Technik sind das Zonenschmelzan, insbesondere das tiegelfreie
Zonenschmelzen, das Schmelzen bzw. Zonenschmelzen von Halbleiterkörpern im Vakuum
und Anordnungen zur Durchführung dieser Verfahren. Diese Merkmale werden in bestimmterp
gemässer Weise miteinander und mit neuen Merkmalen kombinierte 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 Halbleiterteehnik
erforderte 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.
wird vorgeschlagen, dass der Vakuumbehälter, in dem der Halbleiterkörper nach Art
des Zonenschmelzens absohnittweise geschmolzen wird, aus zwei miteinander in Verbindung
stehenden Räumen besteht, die auf voneinander versohiedene Temperaturen einregelbar
sind und in dessen ersterem der Halbleiterkörper untergebrachte insbesondere eingespannt
| neuerungsgemäßen |
| Mittels der Anordnung ist es möglich, je |
nach dem angebrachten Aufwand 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.
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Wegen der bekannten physikalischen Eigensohaften von Quarz ist es
zweokmässig, den Vakuumbehälter aus diesem Material zu
machen. Grundsätzlich
eignet sich natürlich jedes Material für die Herstellung des Behälters, das den
anzuwendenden Tempernturen standhält und sich dabei passiv verhält.
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Bevorzugt wird die flache Heiz-c'der Induktionsspule, die zur Erzeugung
einer schmalen Sohmelzzone dient) so angebracht, dass sie den Vakuumbehäler 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 Vakuum 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
umschließt. Hierbei werden die beiden Behälterteile am zweokmässigsten 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 Teil des Behälters ist gegenüber
dem ersten verjüngte damit die gewünschten Temperaturverhältnisse sich auf engerem
Raum noch leicht einstellen lassen.
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Der erste Teil des Vakuumbehälters, in dem sich der Halbleiterkörper
befindet, wird bevorzugt in einem Ofen derart angeordnet,
dass dieser
Ofen den Behälter mit geringem Abstand umsohliesst, während der zweite Teil des
Behälters in einem Temperaturbad angeordnet ist, das vorzugsweise durch einen Thermostaten
in seiner Temperatur konstant gehalten wird.
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Wegen seiner bekannten Vorteile, nämlich der Vermeidung von Verunreinigung
und Störung des Kristallwaohstums durch eine Tiegelwand, und wegen der günstiger
gelegenen Flüssigkeitoberfläche, die die Schmelzzone allseitig umgibt, ist es be-Neuerung
sonders vorteilhaft, mit der Erlimüumg das tiegelfreie Zonenschmelzen anzuwenden.
Weil beim tiegelfreien Zonenschmelzen ein stabförmiger Halbleiterkörper in senkrechter
Lage angebracht werden muss, sind bei den vorbesproohenen bevorzugten Ausführungsformen
die beiden Behälterteile dann senkrecht übereinander anzuordnen. Ausserdem lässt
sich beim tiegelfreien Zonenschmelzen noch ein weiterer Vorteil erzielen, indem
während des Ziehvorganges ein Stabende gedreht wird. Dadurch wird die Schmelze durchmischt
und der Materialaustausoh durch die Flüssigkeitsoberfläohe durch Verdampfen und
Kondensieren wird beschleunigte Es müssen dann in dem Behälter Mittel zur drehbaren
Lagerung des Halbleiterkörpers vorgesehen sein die Drehachse dieser Mittel wird
zwookmässig durch einen Simmerring aus dem Vakuumbehälter herausgeführt,
Um
das Einsetzen und Entfernen des Halbleiterkörpers oder eines Dopmittelvorrats oder
das Entfernen niedergeschlagener Verunreinigungen zu erleichtern, wird gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform zum Zwecke der Halterung des Halbleiterkörpers an einem
oder an beiden Enden ein Einsatzkörper vorgesehen, der seinerseits in die Form des
Vakuumbehälters, in dem gegebenenfalls dazu geeignete Profile vorhanden sind, eingepasst
ist.
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Befindet sich ein solcher Einsatzkörper an der Verbindungsstelle zwischen
den beiden Behälterräumen, so muss er hinreichend weite Öffnungen für den Durchtritt
der Dämpfe von dem einen Raum in den anderen besitzen.
| neuerungsgemäßen |
| Beim Gebrauch der sxlimhmgsgsmasasN. Anordnung wird stets der |
erste Behälterteil, in dem sich der Halbleiterkörper befindet, wärmer gehalten als
der zweite Behälterteil. Soll die Anordnung zum Hochreinigen eines Halbleiterkörpers
verwendet werden, so müssen die Wandungen der beiden Räume auf solchen unterschiedlichen
Temperaturen gehalten werden, dass das aus der Schmelzzone herauadiffundierende
Verunreinigungsmaterial sich lediglich an der Innenwand dos zweiten, den Halbleiterkörper
nicht enthaltenden Raumes niederschlägt. Dieses Verfahren gestattet es, die Sohmelzzone
mehrfach durch den Halbleiterkörper wandern zu lassen, ohne dass beim wiederholten
Durchlaufen von der Gefäßwand erneut dort niedergeschlagenes Verunreinigungsmaterial
verdampft und dadurch den Dampfdruck einen gewissen
Wert nicht unterschreiten
lässt, auch dass Verunreinigungsmaterial sich gar auf einer anderen Stelle des Halbleiterkörpers
wieder niederschlägt. Wenn also bei bekannten Verfahren beim Zonenschmelzen im Vakuum
das Abdampfen von Verunreinigungen als dort bisher nicht berücksiohtigter Nebeneffekt
mit aufgetreten ist, so ist die Wirkung des hier behandelten Verfahrens doch nicht
mit eingetreten.
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Soll die Anordnung zum Dopen eines Halbleiterkörpers verwendet werden,
so wird das Dopmittel in dem zweiten (kälteren) der beiden Räume untergebracht und
die Temperatur dieses Raumes derart gewählte dass sich in den beiden Räumen der
für die gewünsche Dotierung erforderliche Dampfdruck des Dopmittels einstellte Das
Dopen und Reinigen lässt sich schliesslich auch gleichzeitig ausführen wenn der
kältere Raum so kalt sein kann dass sich die Verunreinigungen dort niederschlagen
und das Dopmaterial (beispielsweise Phosphor) bei dieser Temperatur noch einen hinreichend
grossen Dampfdruck hat. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass bei einem
durchgeführten Zonenschmelzen neben den hier besprochenen Effekten stets noch der
bereits bekannte Seggrogationseffekt zur Reinigung
des Halbleiterkörpere
mitwirkt. Der hier beschriebene Effekt ist also immer mit dem Seggregationseffekt
kombinierte Ferner ist das Dopen durch den Seggregationsoffekt bekannte wenn die
Seggregationskonstante des Dopmittels klein gegen eins ist, das Dopmittel wird dann
der Anfangsschmelzzone beigegeben und beim Durchwandern der Schmelzzone durch den
Kristall in diesem verteilt. Dieses Dopen durch den Seggregationseffekt lässt sich
natürlich auch kombinieren mit dem hier beschriebenen Hochreinigen oder mit dem
Dopen durch Eindampfen, wenn zwei verschiedene Dopmittel gleichzeitig eingebracht
werden sollen.
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Neuerung Die Exiindmmg wird nun an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erläutert, wie es in der Figur gezeigt ist. In einem Ofen 1, in den die Heizwioklungen
2 eingelegt sind, befindet sich ein evakuierte Quarzgefäß 3 bei einer vorgegebenen
Temperatur. In Längsrichtung über das Gefäß 3 verschiebbar ist die Heizspule 4 angeordnete
Das Gefäß 3 taucht mit seinem unteren etwas verjüngten Ende in einen Behälter 5
mit einem Flüssigkeitsbad 6) das durch einen Thermostaten auf einer konstanten Temperatur
von rund 1000 0 gehalton wird. Unten im Gefäß 3 befindet sich ein Stück Phosphor
7 das die Temperatur des Bades 6 hat Gefäss 3 befindet sich eine Haltevorrichtung
8 mit Durchbohrungen 9y in die ein Impfkristall 10 aus Silizium eingesetzt worden
ist. Innerhalb der Heizspule 4 ist eine schmale Zone 11 geschmolzenen
Siliziums.
Die Schmelzzone 11 ist mit der Heizspule 4 verschiebbar. Oberhalb der Schmelzzone
11 befindet sich der Stab aus dem Ausgangsmateria112, das beispielsweise polykristallines,
vorgereinigtes Silizium ist. Dieser Stab 12 ist oben in die auf die aufgeschmolzenen
Vorsprünge 13 des Gefässer 3 gelagerte Haltevorrichtung 14 eingespannt, Bei der
Durchführung des Verfahrens wird zunächst der Phosphor 7e der Impfkristall 10 und
darauf aufliegend das Ausgangsmaterial 12 aus Silizium in die Apparatur eingebracht,
das Gefäss 3 evakuiert und verschlossen und die Temperaturen im Ofen 1 und im Bad
6 eingeregelte Da sich der Phosphor 7 an der kältesten Stelle des Gefässes 3 befindet,
stellt sich im ganzen Gefäß 3 der Phosphordampfdruok ein, den Phosphor bei der Temperatur
an jener Stelle halt Dann wird die Stelle, an der der Impfkristall 10 das Ausgangsmaterial
12 berührt, durch Heizr :) mittels der Heizspule 4 über eine schmale Zone 11 zum
Schmelzen gebracht, wobei zunächst auch etwas Material vom Impfkristall abschmilzt.
Diese Phase des Verfahrens ist gerade in der Figur gezeigt. Die Schmelzzone 11 wird
jetzt durch entsprechende Bewegung der Heizspule 4 langsam von unten nach oben durch
den Stab aus Ausgangsmaterial 12 bis dicht an die Haltevorrichtung 14 herangeführt
Über der Flüssigkeitsoberfläohe der Sohmelzzone 11 stellt sich von allen im Ausgangsmaterial
enthaltenen. und in der Schmelze gelösten Beimengungen der zu Konzentration
und
Temperatur gehörige Dampfdruok : für jede Beimengung unabhängig ein. Da sich die
Anordnung im Vakuum befindet, können sich die Partialdrucke aller vorhandenen Dämpfe,
also von Verunreinigungen wie vom Dopmittel verhältnismässig schnell über das ganze
Gofäss 3 ausbreiten. Dabei besteht bekanntlich zwischen Dopmitteldampfdruok und
Verunreinigungsdampfdruck keinerlei Wechselwirkung, d. h. der eine Dampf breitet
sich so aus, als ob der andere überhaupt nicht vorhanden wäre. Am kalten Ende, an
der Stelle, wo sich der Phosphor 7 befindet, tritt Kondensation an der Gefäßwand
ein. Die im Ausgangssilizium vorhandenen Beimengungen (beispielsweise Zink) haben
bei der am kalten Gefässende vorhandenen Temperatur einen verschwindenden Dampfdruck
und scheiden sich dort quantitativ ab. Auf diese Weise wird das Silizium von allen
Beimengungen, deren Dampfdruck im geschmolzenen Silizium grösser ist als der des
geschmolzenen Siliziums gereinigt. Zu diesem Reinigungseffekt tritt noch der bekannte
Zonenreinigungseffekt hinzu. Gleichzeitig herrscht aber im ganzen Gefäss, insbesondere
also über der Flüssigkeiteoberfläche an der Stelle 11, der Phosphordampfdruck, den
Phosphor bei der Temperatur an der Stelle 7 hat. Dadurch diffundiert 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 wirdl baut sich der Phosphor stets mit gleicher Menge, d. hb gradientenfrei
ein. Weil beim ersten
Durchwandern der Schmelzzone wder alle Eremdatoffe
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 fot 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 Sohmelzzone rund 5-bis
10-mal durch den Stab geführt. Nach Beendigung dieses Verfahrens kühlt die Apparatur
abt der Stab wird herausgenommen ; die nicht behandelten Enden, wo der Stab eingespannt
war, worden abgesägt.
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Dieses mit der Figur beschriebene Beispiel ist gerade so gewählt,
dass das Dopen und Reinigen gleichzeitig erfolgen kann. Das kann mit sonst denselben
Verfahronsschritten und derselben Anordnung auch getrennt vor sich gehen