DE2364015A1

DE2364015A1 - Verfahren zum herstellen von n-dotierten siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren dotierungsprofil

Info

Publication number: DE2364015A1
Application number: DE2364015A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl Chem Dr P Reuschel; Manfred Dipl Chem D Schnoeller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1975-07-03
Also published as: DE2364015B2; DE2364015C3; JPS5096176A

Description

SIEMENS AKiIElTGESELLSGHAI¹T 8 München 2 21.DEZ. Ϊ973

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

73/1253

Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristalle; mit einem einstellbaren Dotierungsprofil.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren radialen und/oder axialen Dotierungsprofil, bei dem von einem p-dotierten Siliciumeinkristall ausgegangen wird.

Die Dotierung von Siliciumkristallstäben erfolgt im allgemeinen beim Abscheiden des Siliciummaterials aus der Gasphase mittels thermischer und/oder pyrolytischer Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Siliciums am erhitzten stabförmigen Trägerkörper des gleichen Materials» Dabei werden Dotierstoffe den gasförmigen Verbindungen des Siliciums beigemischt und am !Drägerkörper mitzersetzt. Die so hergestellten Siliciumkristallstäbe sind polykristallin und ,müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand übergeführt werden. Dabei ändert sich die Dotierstoffkonzentration oft in unkontrollierbarer Weise. Es können - vor allen Dingen bei η-dotierten Siliciumöinkristallstäben - Dotierungsprofile in axialer und/oder auch radialer Richtung anfallen, die einem gewünschten Profil nur zum Teil entsprechen. Die Breite und Tiefe von Widerstandseinbrüchen, die diesen Dotierungsprofilen entsprechen, ist bislang nicht sicher kontrollierbare Außerdem können auch Neben-

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einbrüche des spezifischen Widerstandes und überlagerte Schwankungen des spezifischen Widerstandes, sogenannte "striations", welche auf stark wachstumsbedingte Dot-ierstoffkonzentrationsschwankungen im Mikrobereich des Kristalls zurückzuführen sind, nicht sicher vermieden werdenο

Durch die Lehre der Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, gezielte Widerstands ( @ )-Profile in axialer und/oder radialer Richtung im Siliciumkristall herzustellen, wobei gleichseitig die genannten Nebeneinbrüche und überlagerte P-Schwankungen vermieden werden. Dabei sollen Siliciumkristalle in Stab- ader Kristallscheibenform von beliebiger Orientierung und beliebigem Durchmesser hergestellt werden.

Aus einem Aufsatz von Tanenbaum und Mills in der Zeitschrift-"Jc Electrochemo Soc.» K>8. (1961), Seiten 171 - 176, ist zu entnehmen, daß Siliciumkristalle mit homogener n-Leitfähig— keit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen hergestellt werden können. Dabei wird das im Silicium vorhandene natürli-

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ehe Isotop Si unter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von ^Strahlung in das instabile Isotop Si übergeführt, welches unter Aussendung von Ä-Strahlung mit

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einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile P-Isotop übergeht. Bei der sogenannten radiogenen.Dotierung des Siliciums nach der Reaktion

³⁰Si (n,T) ³¹Si -^ -31p -

31 gilt unter der Voraussetzung, daß das ^J Si vollständig abge-

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klungen und der Abbrand des ^ Si ■

folgender einfacher Zusammenhang:

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klungen und der Abbrand des Si vernachlässigbar klein ist,

= 1 . 7 * 10 ~⁴

wobei Cp = Phosphorkonzentration in Atome/cm , (^ =thermi— YPA 9/110/4007 509827/0749 „₃_

scher Neutronenfluß in Neutronen/cm «sek. und t = Bestrahlungszeit in Sekunden ist.

Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung von Siliciumeinkristallen mit einem gewünschten radialen und/oder axialen Dotierungsprofil dadurch, daß das Siliciumausgangsmaterial einer Bestrahlung mit Neutronen nach der Reaktion

• ³⁰Si (n, V) -³¹Si >⁵¹P

ausgesetzt wird, wobei die durch die Bestrahlung erzeugte Phosphorkonzentration durch die Regelung des Neutronenflusses so bemessen wird, daß sie größer ist, als die Akzeptorkonzentration im Ausgangsmaterial und ein gegenüber dem Akzeptorprofil inverses Donatorprofil erzeugt wird.

Das durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung hergestellte Dotierungsprofil ist nach der Neutronenbestrahlung invers, d_oh., aus dem vor der Bestrahlung bestehenden Akzeptorenprofil entsteht nach der Bestrahlung ein inverses Donatorenprofil, wobei zunächst das weniger dotierte ursprüngliche, mit Akzeptoren versehene Silicium über Kompensation zur η-Dotierung übergeführt wird und später das stärker dotierte Material in η-leitendes Silicium übergeht. Voraussetzung ist, daß der p-dotierte Einkristall, der eine axiale und radiale O-Verteilung aufweist, exakt vermessen wird.

An Hand zweier Ausführungsbeispiele und der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kurven soll im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren noch näher erläutert werden.

Ein p-dotierter, versetzungsfreier Siliciumeinkristallstab mit einer Länge von'22 cm und einem Durchmesser von 34 mm

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weist das aus der folgenden Tabelle I in der zweiten Spalte aufgezeigte Konzentrationsprofil auf _e Es werden Akzeptorenkonzentrationen von 1_s3o10 Atome/cm Si bis 3₉2 ο 10 Atome/cm Si gemessen. Dieser Siliciumeinkristallstab wird nun einer !"eutronenbestrahlung mit thermischen Neutronen ausgesetzt. wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5₅6 . 10 Atome Phosphor gebildet werden„ Dabei ergeben sich die in der vierten Spalte der !Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationenj welche den aus der fünften Spalte zu entnehmenden O -Werten entsprechen. Die Q-Verteilung erstreckt sich längs des Stabes von 120 Ohm _β cm bis 208 Ohm . cm» Bei einem homogenen Pluß von 8.10 Neutronen/

cm . see. betrug die Bestrahlungszeit im Ausführungsbeispiel

+ _ 5 c 6 . 10¹³, _ i It₅^ _τ_ ₁₇₁₀-4 ₈₁₀!^ "^oi:>

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f abell el

1	2	3	4	5
Abstand vom Keimkristall in cm	p-leitend Atome Bor	Erzeugte Phosphor menge	Result.Dona- torenkonz.	?» (0hm . cm
2	1.3.10¹⁵	5.6.ΙΟ¹³	4.3.10¹³	120
4	1.7.10¹⁵	Il	3.9.10¹³	132
* 6	2.2.10¹³	Il	3.4.10¹³	152
8	2o4.10¹⁵	Il	3.2.10¹³	161
10	2_o6c10¹³	It	3.O₀IO¹³	172
* 12	2.7.10¹³	H	2.9.10¹³	178
14	2.7.10¹³	Il	2.9.10¹³	178
16	2.8.10¹³	H	2.8.10¹³	185
18	2o9o10¹⁵	It	2.7.10¹³	192
20	3.2.10¹³	ti	2.4.10¹³	208

Der dazugehörige Q -Verlauf ist aus der Pigur 1 ersichtlich. Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate links der spezifische Widerstand in 0hm . cm und als Ordinate rechts die mittlere Lebensdauer υ in /usec aufgetragen, während die Abszisse auf die Stablänge Bezug nimmt« Die durchgezogene Kurve entspricht der gemessenen {?.,-Verteilung vor der Bestrahlung, die gestrichelt gezeichnete Kurve der gemessenen ^₁ -Verteilung nach der Bestrahlung. Wie aus der Tabelle I und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das axiale P -Profil nunmehr invers.

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In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, im Anschluß an die Neutronenbestrahlung die Siliciumeinkristalle einem Temperprozeß bei Temperaturen über 1000° C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr zu unterwerfen. Dabei wurde festgestellt, daß nach einem Temperprozeß bei ungefähr 1100⁰C und einer Zeitdauer von zwei Stunden der bestrahlte Siliciumeinkristallstab einen relativ hohen Wert der mittleren Lebensdauermeßwerte ergab. Es wurden ^/l?-Werte vor der Bestrahlung im Bereich von 800 /usec. und nach der Bestrahlung im Bereich von 400 /usec. gefunden. In . der Figur entspricht die durchgezogene Kurve wieder den Werten vor der Bestrahlung, die gestrichelte Kurve denen nach der Bestrahlung.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist ebenso anwendbar für die Herstellung inverser P -Profile in radialer Richtung. Dabei wird ebenfalls von einem p-dotierten Siliciumeinkristallstab von einer Länge von 700 mm und einen Durchmesser von 35 mm ausgegangen. Dieser Stab wird in 360 /u dicke Kristallscheiben zerteilt und diese Scheiben v/erden dann einer neutronenbestrahlung ausgesetzt» Das auf einer Scheibe gemessene Konzentrationsprofil ist sowohl aus der Fig. 2 (durchgezogene Kurve) als auch aus der folgenden Tabelle II, Spalte 1 bis 3 ersichtlich. Es werden Akzeptorkonzentrationen von Scheibenrand zu Scheibenrand von 6.6.10 Atome/cm bis 1.5.10 Atome/cm gemessene Der Neutronenfluß wird so geregelt, daß insgesamt 2.9»10 Atome Phosphor gebildet werden. Dabei ergeben sich die in der 5o Spalte der Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationen, welche den aus der 6. Spalte zu entnehmenden (3 -Werten entsprechen. Die P -Verteilung nach der Bestrahlung erstreckt sich längs der .. Siliciumeinkristallscheibe von 20 bis 36 0hm . cm. /

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Tabelle

II

1	2	3	4	5	6
Abstand von der Mitte in mm	?p (Ohm.cm)	p-leitend Atome Bor	erzeugte Phosphor menge t	Resuit.Dona tor enkonz.	(Ohm . cm)
16	160	8o5o10¹⁵	2o9c10¹⁴	2.05.ΙΟ¹⁴	24
H	140	9c6o10¹³	Il	I.95.IO¹⁴	25.β
12	128	.I0O8.IO¹⁴	Il	1.82.10¹⁴	27.5
10	119	I0I8.IO¹⁴"	It	I.72.IO¹⁴	29.0
8	111	1.22.10¹⁴	II	I.68.IO¹⁴	30
6	110	1.23o10¹⁴	Il	I.67.IO¹⁴	30
4	' 105	I.3.IO¹⁴	Il	1.6 .1O¹⁴	31
2 *	96	1.4.10¹⁴	Il	1.5 .1O¹⁴	33.5
0	90	1.5.10¹⁴	It	1.4 .1O¹⁴	36
2	94	I.45.IO¹⁴	It	1.45.10·⁴	34.5
4	101	1.35.10¹⁴	ti	1.55.10¹⁴	33 .
6	110	1.23.10¹⁴	It	1.67.1O¹⁴	30
8	121	1.12.10¹⁴	Il	1.78.10¹⁴	28
'10	136	1 .1O¹⁴	Il	1.9 .1O¹⁴	26
'.12	160	8o5o10¹⁵	II	2.05.10¹⁴	24
114	190	7o2c10¹⁵	Il	2.I8.10¹⁴	23
16	205	6o6o10¹³	M	2.24.ΙΟ¹⁴	20

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Der dazugehörige & -Verlauf ist aus der Fig. 2 ersichtliche Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate der spez. Widerstand in Ohm ₀ cm und als Abszisse der Abstand von der Scheibenmitte in mm aufgetragen. Die strichpunktierte Linie entspricht der Scheibenmitte, die durchgezogene Kurve der gemessenen P -Verteilung vor der Bestrahlung und die'gestrichelt gezeichnete Kurve der gemessenen ^-Verteilung nach der Bestrahlung. Wie aus der Tabelle II und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das radiale P -Profil nunmehr invers.

Als Strahlungsquelle wird ein Kernreaktor vom Typ Leichtwasserreaktor oder Schwerwasserreaktor oder graphitmoderierter Reaktor in bekannter Weise verwendet.

4 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren radialen und/oder axialen Dotierungsprofil, bei dem von einem p-dotierten Siliciumeinkristall ausgegangen wird, dadurch gekenn"ze ichne t, daß das Siliciumausgangsmaterial einer Bestrahlung mit Neutronen nach der Reaktion

³⁰Si ( n, ir ) ³¹Sl ν ³¹P

- ausgesetzt wird, wobei die durch die Bestrahlung erzeugte Phosphorkonzentration durch die Regelung des Neutronenflusses so bemessen wird, daß sie größer ist, als die Akzeptorkonzentration im Ausgangsmaterial und ein gegenüber dem Akzeptorprofil inverses Donatorprofil erzeugt wird ο

2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines n-dotierten Siliciumeinkristallstabes mit einem spezifischen Widerstand von ca_e 120 Ohm _o cm (Keimkristall) bis ca. 208 Ohm.cm über die Stablänge ansteigend von einem p-leitenden Siliciumstab mit einer Akzeptorenkonzentration von 1,3.10 Atorne/cm bis 3j2_o10 Atome/cm ausgegangen wird und der ETeutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5,6.10 Atome Phosphor gebildet werden.

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Verfahren nach. Anspruch 1, 'dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer η-dotierten Siliciumeinkristallscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 20 bis 36 Ohm . cm von einer p-leitenden Siliciumkristallscheibe mit einer Akzeptorenkonzentration von 6c6.10 bis-1.5.10 Atome/cm ausgegangen wird und der Meutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 2.9.10 Atome Phosphor gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch' gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Neutronenbestrahlung die Siliciumkristalle einem Temperprozeß bei Temperaturen größer 1000 C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr ausgesetzt werden,,

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