DE2519663A1

DE2519663A1 - Verfahren zum herstellen von direkt-beheizbaren siliciumrohren

Info

Publication number: DE2519663A1
Application number: DE19752519663
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Chem Dr Dietze
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-05-02
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1976-11-11

Description

Verfahren zum Herstellen von direkt-beheizbaren Siliciumrohren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von direktbeheizbaren Siliciumrohren, welche für Hochtemperaturprozesse in der Halbleitertechnik verwendet werden un2 durch Abscheiden von Silicium aus der Gasphase auf die Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers und anschließendes Entfe ien des Trägerkörpers hergestellt werden und bei dem das Siliciumrohr mit einer Dotierung versehen wird.
Aus der DU-OS 1 933 128 ist eine Anordnung zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in ein Halbleitermaterial bekannt, bei dem als Diffusionsbehälter ein Rohr aus kristallinem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, verwendet wird, welches durch Anlegen einer Spannung direkt oder mittels Hochfrequenzenergie beheizt werden kann. Das als Heizkörper dienende Siliciumrohr kann an seinen beiden Enden mit Elektroden versehen oder von einer Induktionsheizspule umgeben sein. Um bei Induktionsheizung ein Anheizen des Rohres zu erleichtern, wird auf dem Rohr ein Ring aus gut leitendem Material, z.B. aus Graphit, aufgebracht. Wird das Rohr durch Anlegen einer Spannung direkt beheizt, so ist die Spannung zur Erreichung der fur die Diffusion notwendigen Temperatur außer von den Abmessungen des Rohres von der Beitfähigkeit des Siliciums abhangig. Es ist deshalb in der obengenannten Offenlegungsschrift vorgeschlagen worden, fur das Diffusionsrohr relativ billig herzustellendes hochdotiertes Silicium zu verwenden, damit die beim Einleiten des Anheizvorgangs notwendige Spannung relativ gering sein kann. Bei Erreichen einer bestimmten Anheiztemperatur wird die Leitfähigkeit des Rohres dann von der Dotierung des Silicium unabhängig und ist aufgrund seiner E-igenle.itung im wesentlichen von den Abmessungen des Rohres abhängig.
Durch die Gasphasenabscheidung zur Herstellung eines Diffusionsrohres, wie es beispielsweise aus der DT-PS 1 805 970 bekannt ist, bei der Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, aus einer gasförmigen Halbleiterverbindung auf der Außenfläche eines Trägerkörpers, z.B. aus Graphit, niedergeschlagen und der Trägerkörper ohne Zerstörung der Halbleitermaterialschicht entfernt wird, ist die Herstellung reinster und gasdichter Rohre aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, möglich geworden. Ein Aufheizen durch direkten Stromdurchgang ist bei solchen hochreinen Rohren nur bei entsprechender Vorheizung möglich.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, ein solches Rohr zum Zwecke der direkten Beheizung mit einer homogenen Dotierung zu versehen, wobei gewährleistet ist, daß keine die spätere Diffusion störenden Verunreinigungen in das Rohrmaterial eingeschleppt werden können.
Nun ist aus der DU-PS 1 214 789 ein Verfahren zum Herstellen von homogen n-dotierten -Siliciumkristallkörpern durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen entsprechend der Gleichungen bekannt, bei dem die Dotierung erstmals homogen über den Kristall eingestellt werden konnte. Der Siliciumkristallkörper wird dabei solange der Neutronenbestrahlung ausgesetzt, bis sich in ihm die gewünschte Phosphormenge durch Kernumwandlung gebildet hat.
Die Erfindung macht sich diese Erkenntnis zu nutze und löst die gestellte Aufgabe der Herstellung eines dotierten Siliciumrohres dadurch, daß die Dotierung durch Kernreaktionen im Silicium gebildet wird. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Dotierung durch Umwandlung von Siliciumatome in Phosphoratome durch Bestrahlung des Siliciumrohres mit thermischen Neutronen über radio aktive Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen gebildet wird. Dadurch erhält man ein Siliciumrohr mit n-dotiertem Material.
Es ist aber ebenso möglich, eine p-Dotierung zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, die Dotierung durch Umwandlung von Siliciumatome in Aluminiumatome durch Bestrahlung des Siliciumrohres mit Protonen ohne radioaktive Zwischenstufen entsprechend der Gleichung zu bilden.
Gemäß der ersten beiden Gleichungen entsteht durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen unter Abgabe von Gamma-Strahlung aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen Isotop 30Si das instabile Isotop 31Si, welches unter Aussendung von Beta-Strahlung mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden in das stabile 31P(Phosphor)-Isotop übergeht.
Gemäß der zweiten Gleichung entsteht durch Bestrahlung mit Protonen aus dem im Silicium vorhandenen natürlichen Isotop 30Si unter Aussendung von Alpha-Strahlung das stabile Isotop 27Al (Aluminium), welches eine p-Dotierung im Silicium zur Folge hat.
Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Dotierung nur in der oberflächennahen Schicht der Außenmantelfläche des Siliciumrohres zu erzeugen. Dadurch wird erreicht, daß der Innenraum des Rohres aus einem hochreinen Silicium, wie es nur durch die Gasphasenabscheidung anfällt, erhalten bleibt.
Eine weitere Möglichkeit einer nur teilweisen Dotierung bietet sich dadurch an, daß gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung das Siliciumrohr nur in einem, über seine Außenmantelfläche sich erstreckenden, streifenförmigen Bereich dotiert wird. Dies wird erreicht, indem bei der Bestrahlung mit thermischen Neutronen oder Protonen mit entsprechenden Absorberblenden (für Neutronen aus Kadmiumblech) gearbeitet wird.
Da durch die Bestrahlung des Siliciumrohres im Reaktor im Kristallmaterial Gitterstörungen in Form von Deformationen auftreten und auch die durch die Bestrahlung erzeugten Dotierstoffatome auf Zwischengitterplätze wandern können, ist durch die Lehre der Erfindung vorgesehen, einen Temperprozeß an die Bestrahlung anzuschließen, welcher bei Temperaturen größer als 10000C durchgeführt wird und durch direkten Stromdurchgang des Siliciumrohrs (Anlegen einer Spannung an den an den Rohrenden angebrachten Elektroden) vorgenommen werden kann.
Dieser Temperprozeß kann aber entfallen, weil das dotierte Siliciumrohr sowieso laufend einer Hochtemperaturbehandlung ausgesetzt wird, wenn es für Diffusions- oder Temperprozesse in der Halbleitertechnik eingesetzt wird.
Als Strahlungsquellen zur Erzeugung der Kernreaktionen werden die üblichen Kernreaktoren, Teilchenbeschleuniger oder Radionuklidquellen in bekannter Weise verwendet.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels und der in der Zeichnung dargestellten Figur noch näher erläutert werden.
In der Figur ist eine Anordnung dargestellt, mittels welcher das Dotierungsmaterial durch Kernumwandlung des Silicium mit thermischen Neutronen im Siliciumrohr erzeugt wird. Dabei ist ein mit einer Stabhalterung 2 versehener Rezipient 3 dargestellt, der mit einer Neutronenquelle 4 gekoppelt ist. In dem Rezipienten 3 befindet sich ein senkrechtstehendes, an seinem unteren Ende in die Halterung 2 eingespanntes, axial verschiebbares und um seine Längsachse drehbares (siehe Pfeile 5), undotiertes Siliciumrohr 6. Das Siliciumrohr wurde durch Gasphasenabscheidung von Silicium auf einem erhitzten Graphitträgerkörper hergestellt. Die Erzeugung des Dotierstoffes Phosphor erfolgt in der Weise, daß das rotierende Siliciumrohr 6 am ruhenden, in der Neutronenquelle 4 erzeugten Neutronenstrahl 7 vorbeigezogen wird. Die Dotierung wird außer durch den Neutronenfluß auch durch die Drehzahl und den Vorschub der Rohrhalterung bestimmt.
Ausführungsbeispiel: Zur Erzielung eines spezifischen Widerstandes von 0,2 Ohm.cm n-Leitfähigkeit längs eines Siliciumrohres von 5 mm Wandstärke sind im Reaktor folgende Parameter einzustellen: Phosphorkonzentration: 0,2 Ohm.cm, entsprechend 3,6 1016 Atome/cm³ Therm. Neutronenfluß: 5 .1014 Neutronen cm-2s-1 Vorschub der Stabhalterung: 0,1 cm/h Rotationsgeschwindigkeit der Stabhalterung: 10 Umdrehungen pro Stunde Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials: 200 - 300 Ohm.cm n-Typ Bestrahlungszeit der jeweils bestrahlten Zone: 100 Stunden Zur Erzielung einer p-Leitfähigkeit im Siliciumrohr durch Kernumwandlung kann die gleiche Anordnung wie in der Figur dargestellt verwendet werden. Anstelle der Neutronenquelle ist eine Protonenquelle an den Rezipienten angekoppelt.
Soll nur ein streifenförmiger Bereich von dem Siliciumrohr dotiert werden, so wird das Rohr im Rezipienten nicht gedreht und die restliche Mantelfläche mit einem Kadmiumblech (bei Bestrahlung mit thermischen Neutronen) abgedeckt.
1 Figur 8 Patentansprüche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zum Herstellen von direkt-beheizbaren Siliciumrohren, welche für Hochtemperaturprozesse in der Halbleitertechnik verwendet werden und durch Abscheiden von Silicium aus der Gasphase auf die Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers und anschließendes Entfernen des Trägerkörpers hergestellt werden und bei dem das Siliciumrohr mit einer Dotierung versehen wird, d a d u r c h g e k e r n z e i c h n e t , daß die Dotierung durch Kernreaktionenim Silicium gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dotierung durch Umwandlung von Siliciumatome in Phosphoratome durch Bestrahlung des Siliciumrohres mit thermischen Neutronen über radioaktive Zwischenstufen entsprechend den Gleichungen gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dotierung durch Umwandlung von Siliciumatome in Aluminiumatome durch Bestrahlung des Siliciumrohres mit Protonen ohne radioaktive Zwischenstufen entsprechend der Gleichung gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dotierung nur in der oberflächennahen Schicht der Außenmantelfläche des Siliciumrohres erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Siliciumrohr nur in einem über seine Außenmantelfläche sich erstreckenden streifenförmigen Bereich dotiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Anschluß an die Bestrahlung das Siliciumrohr zur Ausheilung der durch die Bestrahlung entstandenen Gitterschäden einem Temperprozeß bei Temperaturen größer als 1000°C unterworfen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Temperprozeß durch direkten Stromdurchgang des Siliciumrohres vorgenommen wird.
8. Direkt beheizbares Siliciumrohr zum Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in Siliciumkristallscheiben, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 7.