DE2364015C3

DE2364015C3 - Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit einem einstellbaren Dotierungsprofil

Info

Publication number: DE2364015C3
Application number: DE2364015A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Chem. Dr. 8000 München Schnöller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2364015A1; DE2364015B2; JPS5096176A

Description

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer n-dotierten Siliciumeinkristallscheibe mit einem spezifischen Wide.-stand von 20 bis 36 Ohm ■ cm von einer p-leitenden Siliciumkristallscheibe mit einer Akzeptorenkonzentration von 6,6 ■ IO¹³ bis 1,5 - 10¹⁴ Atome/cm³ ausgegangen wird und der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 2,9 · 10^M 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 1000⁰C mindestens eine Stunde im Siliciumrohr ausgesetzt werden.

io

15

20

JO

35

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen, bei dem p-dotierte Siliciumeinkristalle mit thermischen Neutronen bestrahlt werden, wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß die Konzentration der entstehenden Phosphoratome größer ist als die der Akzeptoratome.

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 Trägerkörper mitzersetzt. Die so hergestellten Siliciumkristallstäbe sind polykristallin und müssen in einem anschließenden Zonenschmelzprozeß in den einkristallinen Zustand übergeführt werden. Dabei ändert sich die Dotierstcffkonzentration oft in unkontrollierbarer Weise. Es können — vor allen Dingen bei n-dotierten Siliciumeinkristallstäben — 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 kontrollierbar. Außerdem können auch Nebeneinbrüche des spezifischen Widerstandes und überlagerte Schwankungen des spezifischen Widerstandes, sogenannte »striations«, welche auf stark wachstumsbedingte Dotierstoffkonzentrationsschwankungen im Mikrobereich des Kristalls zurückzuführen sind, nicht sicher vermieden werden.

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

Aus einem Aufsatz von Tanenbaum und Mills in der Zeitschrift »J. Electrochem. Soc.« 108 (1961), Seiten 171-176, ist zu entnehmen, daß Siliciumkristalle mit homogener n-Leitfähigkeit durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen hergestellt werden können. Dabei wird das im Silicium vorhandene natürliche Isotop ³⁰Si unter Aufnahme eines thermischen Neutrons und Abgabe von ^-Strahlung in das instabile Isotop ³¹Si übergeführt, welches unter Aussendung von |3--Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile ³¹P-Isotop übergeht Bei der sogenannten radiogenen Dotierung des Siliciums nach der Reaktion

⁰Si (n,y) ³¹Si-

»311

gilt unter der Voraussetzung, daß das ³¹Si vollständig abgeklungen und der Abbrand des ³⁰Si vernachlässigbar klein ist, folgender einfacher Zusammenhang:

Cp = 1,7·1(Γ⁴Φ·ί,

wobei Cp = Phosphorkonzentration in Atome/cm³, Φ = thermischer Neutronenfluß in Neutronen/cm² · Sek. und ί = Bestrahlungszeit in Sekunden ist.

Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zunutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung von n-dotierten Siliciumeinkristallen mit bestimmtem radialem und/oder axialem Dotierstoffprofil dadurch, daß Siliciumeinkristalle mit dem inversen Akzeptorprofil eingesetzt werden.

Das durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung hergestellte Dotierungsprofil ist nach der Neutronenbestrahlung invers, d. h, aus dem vor der Bestrahlung bestehenden Akzeptorenprofil entsteht nach der Bestrahlung ein inverses Donatorenprofil, wobei zunächst das weniger dotierte u^rsprüngliche, mit Akzeptoren versehene Silicium über Kompensation zur n-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 ρ-Verteilung aufweist, exakt vermessen wird.

An Hand zweier Ausführungsbeispiele und der in den F i g. 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 weist das aus der folgenden Tabelle I in der zweiten Spalte aufgezeigte Konzentrationsprofil auf. Es werden Akzeptorenkonzentrationen von 1,3 · 10¹³ Atome/cm³ Si bis 3,2 · 10¹³ Atome/cm³ Si gemessen. Dieser Siliciumeinkristallstab wird nun einer Neutronenbestrahlung mit thermischen Neutronen ausgesetzt, wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5,6 · 10¹³ Atome Phosphor gebildet werden.

Dabei ergeben sich die in der vierten Spalte der Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationen, welche den aus der fünften Spalte zu entnehmenden o„-Werten entsprechen. Die ρ_π-Verteilung erstreckt sich längs des Stabes von 120 Ohm - cm bis 208 Ohm ■ cm. Bei einem

Tabelle I

homogenen Fluß von 8 · 10¹³ Neutronen/cm² · see betrug die Bestrahlungszeit im Ausführungsbeispiel

t =

5.6-10¹³

= 1.15^h

Abstand vom
Keimkristall

p-leitend Atome Bor

Erzeugte Phosphormenge

Result. Donatorenkonz.

0 Pn

(Ohm - cm)

10
12
14
16
18
20

1.3-10¹³

I.'7-IO'³ 2.2-10" 2.4-10" 2.6-10'³ 2.7-10^IJ 2.7-10" 2.8-10¹³ 2.9-10¹³ 3.2-10"

5.6-10" 5.6-10" 5.610'' 5.610"

5.6-10" 5.6-10'"· 5.6-10" 5.6-10" 5.6-10" 5.6-10"

Der dazugehörige ρ-Verlauf ist aus der F i g. 1 ersichtlich. Dort ist im logarithmischen Maßstab als Ordinate links der spezifische Widerstand in Ohm · cm und als Ordinate rechts die mittlere Lebensdauer τ in μβεΰ aufgetragen, während die Abszisse auf die Stablänge Bezug nimmt. Die durchgezogene Kurve entspricht der gemessenen ρ_Ρ-Verteilung vor der Bestrahlung, die gestrichelt gezeichnete Kurve der gemessenen ρ_π-Verteilung nach der Bestrahlung. Wie aus der Tabelle 1 und dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, ist das axiale ρ-Profil nunmehr invers.

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 HOO⁰C und einer Zeitdauer von zwei Stunden der bestrahlte Siliciumeinkristallstab einen relativ hohen Wert der mittleren Lebensdauermeßwerte ergab. Es wurden ττ-Werte vor der Bestrahlung im Bereich von 800 μβεΰ und nach der Bestrahlung im Bereich von 400 μ$εΰ gefunden. In der Figur entspricht die durchgezogene 4.3-ΙΟ¹³
3.9-10¹³
3.4-10"
3.2-10"

3.0-10"
2.9- !Ο"
2.9-10"
2.8-10"
2.7-10"
2.4-10"

120

132 152 161 172 178 178 185 192 208

Kurve wieder den Werten vor der Bestrahlung, die gestrichelte Kurve denen nach der Bestahlung.

so Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist ebenso anwendbar für die Herstellung inverser o-Profile in radialer Richtung. Dabei wird ebenfalls von einem p-dotierten Siliciumeinkristallstab von einer Länge von 700 mm und einen Durchmesser von 35 mm ausgegan-

S5 gen. Dieser Stab wird in 360 μ dicke Kristallscheiben zerteilt und diese Scheiben werden 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 · 10¹³ Atome/cm³ bis 1,5 ■ 10^M Atome/cm³ gemessen. Der Neutronenfluß wird so geregelt, daß insgesamt 2,9 · 10"» Atome Phosphor gebildet werden. Dabei ergeben sich die in der 5. Spalte der Tabelle angegebenen Donatorenkonzentrationen, welche den aus der 6. Spalte zu entnehmenden ρ-Werten entsprechen. Die ρπ-Verteilung nach der Bestrahlung erstreckt sich längs der Siliciumeinkristallscheibe von 20 bis 36 Ohm · cm.

Tabelle II	2	3	4	5	6
1	Pp	p-leitend Atome Bor	erzeugte Phosphor-	Result. Donatorenkonz.	Pn
Abstand von der			menge
Mitte in mm	(Ohm · cm)				(Ohm ■ cm)
	160	8.5-10'¹	2.9-10'⁴	2.05-10'⁴	24
16	140	9.6-10"	2.9-10'"	1.95-10'⁴	25.8
14	128	1.08-10'"	2.9-10'"	1.82-10¹⁴	27.5
12	119	1.18-1Ο¹⁴	2.9-10¹⁴	1.72-I0¹⁴	29.0
10	111	1.22-10'"	2.9-10'"	1.68-10'"	30
8	110	1.23-10'"	2.9-10'"	1.67-10'⁴	30
6	105	1.3-10¹⁴	2.9-10'"	1.6iO'"	31
4	96	1.4-10'"	2.9-10'⁴	1.5-10'"	33.5
2

-orlsetzung	2	3	4	5	6
I	'b	p-leiicntl Atome Bor	erzeugte l'hosphor-	Result. Donatorcnkonz.	Pn
Abstain! von der			mengc
Mitte in mm	(Ohm · cm)				(Ohm ■ cm)
	90	.510'⁴	2.9-10'⁴	1.4-10'⁴	36
0	94	.45-1O¹⁴	2.9-10¹⁴	1.45-10'⁴	34.5
2	101	.35-ΙΟ¹⁴	2.9-10¹⁴	1.55-10'⁴	33
4	110	.23-1O¹⁴	2.9-10'⁴	1.6710'⁴	30
6	121	.12-10"	2.9-10'⁴	1.781O'⁴	28
8	136	■10¹⁴	2.910¹⁴	I.910¹⁴	26
10	160 {	i.5-10¹·¹	2.9-10'⁴	2.05-10'⁴	24
12	190	.2-10'¹	2.9-10'⁴	2.18-10'·'	23
4	205 (	,.6-10"	2.9-10¹⁴	2.24-10'⁴	20
6

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

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von n-dotierten Siliciumeinkristallen, bei dem p-dotierte Siliciumeinkristalle mit thermischen Neutronen bestrahlt werden, wobei der Neutronenfluß so geregelt wird, daß die Konzentration der entstehenden Phosphoratome größer ist als die der Akzeptoratome, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von η-dotierten Siliciumeinkristallen mit bestimmtem radialem und/oder axialem Dotierstoffprofil Siliciumeinkristalle mit dem inversen Akzeptorprofil eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines n-dotierten Siliciumeinkristallstabes mit einem spezifischen Widerstand von ca. 120 Ohm · cm (Keimkristall) bis ca. 208 Ohm · cm über die Stablänge ansteigend von einem p-leitenden Siliciumstab mit einer Akzeptorenkonzentration von 1,3 · 10¹³ Atome/cm³ bis 3,2 ■ 10¹³ Atome/cm³ ausgegangen wird und der Neutronenfluß so geregelt wird, daß insgesamt 5,6 ■ 10¹³ Atome Phosphor gebildet werden.