DE2939459A1

DE2939459A1 - Verfahren zum herstellen von halbleitereigenschaften aufweisendem, mit antimon hochdotiertem silicium

Info

Publication number: DE2939459A1
Application number: DE19792939459
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Norbert 8000 München Schink
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1979-09-28
Publication date: 1981-04-16

Description

Verfahren zum Herstellen von Halbleitereigenschaften
aufweisendem, mit Antimon hochdotiertem Silicium Bei der Herstellung von optoelektronischen Bauelementen aus Silicium' insbesondere bei Infrarotsensoren, wird als Ausgangsmaterial Silicium benötigt, das eine sehr hohe Dotierungskonzentration von Indium aufweist. Der Wirkungsgrad von Infrarotsensoren hängt u.a. sehr stark von dieser Indiumkonzentration ab. In der Praxis werden Konzentrationen von 1019, sogar von 1 Indiumatome pro cm3 gefordert. Letzteres liegt bereits an der Löslichkeitsgrenze des lndiums in Silicium.
Da bei der Fertigung von Infrarotsensoren diese mehrmals eine thermische Behandlung erfahren, ist Dotiermaterial mit niedrigerem Diffusionskoeffizient sehr oft von Vorteil. Als geeignetes Material wurde Antimon gefunden.
Aber auch bei Antimon ist der Einbau in stärkerer Konzentration notwendig, um den Wrrkungsgrad entsprechend groß zu machen. Gleich der Indiumkonzentration sollte auch die Antimonkonzentration in der Größenordnung von 1019, eventuell sogar bei 1020 Antimonatome pro cm3 liegen. Bar 1 Mi / 26.9.1979 Eine befriedigende Lösung, Antimon in solch hoher Konzentration in Silicium einzubauen, gibt es bisher nicht.
Antinonhat einen für diese Fälle zu hohen Dampfdruck; es verdampft schnell und kann daher nicht in befriedigender Weise in das Silicium eingebaut werden.
Die oben dargelegten Schwierigkeiten werden bei dem Verfahren zur Herstellung von Halbleitereigenschaften aufweisendem, mit Antimon hochdotiertem Silicium gemäß vorliegender Erfindung dadurch vermieden, daß zuerst eine Antimon enthaltende metallische Legierung hergestellt und zusammen mit Silicium in einem Schmelztiegel eingeschmolzen wird, daß danach hochdotiertes stangen- oder barrenförmiges Silicium durch Ziehen aus dem Tiegel gewonnen wird. Vorzugsweise besteht diese metallische Legierung aus Antimon und Gold, Antimon und Silber, Antimon und Zinn oder Antimon und Silicium. Legierungen aus 4 Gewichtsteilen Gold wxleinem Gewichtsteil Antimon, aus 4 Gewichtsteilen Silber und einem Gewichtsteil Antimon, aus 3 Gewichtsteilen Zinn und einem Gewichtsteil Antimon oder aus 5 Gewichtsteilen Silicium und einem Gewichtsteil Antimon haben sich besonders bewährt.
Zweckmäßigerweise wird die das Antimon enthaltende Legierung in zum Dotieren geeignete Formkörper wie Scheiben, Zylinder oder dergl. zerteilt.
In einfacher Weise werden zuerst die Antimon enthaltenden Formkörper und danach das zu dotierende Silicium in den Schmelztiegel eingebracht, dann der Tiegelinhalt geschmolzen und das Silicium in an sich bekannter Weise aus dem Tiegel gezogen, vorzugsweise unter Verwendung von Argon als Schutzgas bei leichtem Argonuberdruck.
Dadurch, daß eine Vorlegierung aus Antimon und einem weiteren Element wie Gold, Silber, Zinn oder Silicium hergestellt wird und diese Legierung als Dotiermaterial Verwendung findet, gelingt es, den Dampfdruck des Antimons stark herabzusetzen und das Antimon in erheblich stärkerer Konzentration in das Silicium einzubauen.
Es liegt im Rahmen der Kenntnisse eines Fachmannes, die benötigte Antimonmenge und die Konzentration der Legierung auszurechnen. Bei vorgegebener Stablänge und Stabdurchmesser, d.h. bei vorgegebenem Stabvolumen und der benötigten Antimonmenge - unter Berücksichtigung der Antimonabdampfrate - kann bei gewählter Form des Legierungsformkörpers das benötigte Legierungsverhältnis ermittelt werden. Bekanntlich sind die zur Legierung verwendeten Stoffe wie beispielsweise Silber und Antimon lückenlos mischbar.
Zur Erläuterung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung wird als Beispiel die Dotierung eines 3-Zoll-Stabes beschrieben. Mit einer Stablänge von 1 m und einem Durchmesser von 70 mm hat dieser Stab - spezifisches Gewicht beträgt 2,4 - nach seiner Fertigstellung ein Gewicht von 9,24 kg, Beim Einbau von 10-3 Antimonatomanteilen im Silicium erfordert dies 9,24 Gramm x 4,36 = 40,26 Gramm Antimon; dabei ist 4,36 das Verhältnis der Atomgewichte von Antimon (122) zu Silicium (28). Soll als Dotierungsmaterial eine Legierung von 5 Teilen Silicium zu einem Teil Antimon verwendet werden, so werden 242 Gramm der Silicium Antimon-Legierung benötigt Erfahrungsgemäß verdampft etwa 20,', so daß etwa 303 Gramm einer 5:1 Silicium- Antimon-Legierung für einen 3-Zoll-Stab gebraucht werden.
Liegen die zur Dotierung vorgesehenen Silicium-Antimon-Formkörper als 3-Zoll-Stangen vor, dann folgt eine Länge von 3,3 cm.
Um also einen Siliciumstab von 1 m Länge und 70 mm Durchmesser mit 2 bis 5 x 1019 Atomen Antimon pro cm3 Silicium zu dotieren, wird ein Silicium-Antimon-Legierungskörper von 3,3 cm Länge und 7d mm Durchmesser benötigt, wenn der Legierungskörper aus 5 Teilen Silicium und einem Teil Antimon besteht.
Wie anhand des folgenden Beispiels erkennbar, läßt sich eine gleich hohe Dotierungskonzentration auch mit einer Silber-Antimon-Legierung erreichen. Als Beispiel wird wieder die Dotierung eines 3-Zoll-Stabes beschrieben mit einer Stablänge von 1 m, einem Durchmesser von 70 mm und einem Gewicht von 9,24 kg.
Beim Einbau von 10 3 Antimonatomanteilen im Silicium erfordert dies 9,24 Gramm x 4,36 = 40,26 Gramm Antimon.
Soll als Dotierungsmaterial eine Legierung von 4 Teilen Silber zu einem Teil Antimon verwendet werden, so werden 201 Gramm der Silber-Antimon-Legierung benötigt. Erfahrungsgemäß verdampft etwa 20 ,, so daß etwa 250 Gramm einer 4:1 Silber-Antimon-Legierung für einen 3-Zoll-Stab gebraucht werden.
Wird bei dem zur Dotierung vorgesehenen Silber-Antimon-Formkörper eine Stabform mit dem gleichen Durchmesser wie ihn der Siliciumstab besitzt (70 mm), gewählt, dann folgt eine Länge von 0,63 cm.
Um also einen Siliciumstab von 1 m Länge und 70 mm Durchmesser mit 2 bis 5 x 1019 Atomen Antimon pro cm3 Silicium zu dotieren, wird eine Silber-Antimon-Scheibe von 0,63 cm Dicke und 70 mm Durchmesser benötigt, wenn der Legierungskörper aus 4 Teilen Silber und einem Teil Antimon besteht.
16 PatentansprUche

Claims

PatentansprUche 1. Verfahren zum Herstellen von Halbleitereigenschaften aufweisendem, mit Antimon hochdotiertem Silicium, d a -d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß zuerst eine Antimon -enthaltende metallische Legierung hergestellt und zusammen mit Silicium in einem Schmelztiegel eingeschmolzen wird, daß danach hochdotiertes stangen- oder barrenförmiges Silicium durch Ziehen aus dem Tiegel gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Gold besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Silber besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Zinn besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Antimon und Silicium besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 4 Gewichtsteilen Gold und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 4 Gewichtsteilen Silber und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 3 Gewichtsteilen Zinn und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 5 Gewichtsteilen Silicium und einem Gewichtsteil Antimon besteht.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Indium mit einer Konzentration von etwa 1019 Antinnatomen pro cm3 in das Siliciummaterial eingebaut wird.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Indlum mit einer Konzentration von etwa 1020Antimonatomen pro cm³ in das Siliciummaterial eingebaut wird.
12. Verfahren nach wenigstens einem der AnsprJche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antimon enthaltende Legierung in zum Dotieren geeignete Formkörper wie Scheiben und dergl. zerteilt wird.
13. Verfahren nach wenigstens einem der Anspruche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Antimon enthaltenden Legierungsformkörper und danach das zu dotierende Silicium in den Schmelztiegel eingebracht wird, daß dann der Tiegelinhalt gescinolzen und das Silicium in an sich bekannter Weise aus dem Tiegel gezogen wird.
14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von Argon als Schutzgas bei leichtem Argonüberdruck gezogen wird.
15s Verwendung des mit Antimon hochdotierten Siliciums, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14, zur Herstellung von optoelektronischen Rauelemeeteno
16. Verwendung des mit Antimon hochdotierten Siliciums, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14, zur Herstellung von Infrarotsensoren.