DE1211592B

DE1211592B - Process for the production of silicon rods with close tolerances

Info

Publication number: DE1211592B
Application number: DEW27681A
Authority: DE
Inventors: William R Harding Jun; William E Winter
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1959-04-20
Filing date: 1960-04-19
Publication date: 1966-03-03
Also published as: CH436229A; DE1245331B

Description

Verfahren zur Herstellung eng toleriert dotierter Siliciumstäbe Es ist bekannt, polykristallines Silicium durch thermische Reduktion der Dämpfe verschiedener hochgereinigter Siliciumverbindungen, z. B. Silane und Silünhaloaenverbindungen, wie z. B. Silan (SiH"), Siliciumtetrachlorid, Trichlorsilan, Dichlorsilan und Siliciumtetrajodid, herzustellen.Process for the production of closely toleranced doped silicon rods Es is known, polycrystalline silicon by thermal reduction of the vapors of various highly purified silicon compounds, e.g. B. Silanes and Silünhaloaenverbindungen, such as B. Silane (SiH "), silicon tetrachloride, trichlorosilane, dichlorosilane and silicon tetraiodide, to manufacture.

Als besonders günstiger Temperaturbereich für die Umsetzung der Mischung aus Wasserstoff und einer Siliciumverbindung hat sich bei Verwendung von Silan ein Bereich von etwa 600 bis 1300° C und bei Verwendung von Halogenderivaten von Silanen ein Bereich von etwa 900 bis 1300° C erwiesen. Es ist ferner bekannt, bei der Herstellung solcher Stäbe diese durch Zuführung ausgewählter Dotierungsmaterialien zunächst überzudotieren und zur Verteilung des Dotiermaterials im Stab diesen zonenzuschmelzen.As a particularly favorable temperature range for the implementation of the mixture of hydrogen and a silicon compound has proven itself when using silane a Range from about 600 to 1300 ° C and when using halogen derivatives of silanes a range of about 900 to 1300 ° C has been proven. It is also known to be used in manufacture such rods initially do this by supplying selected doping materials overdoping and zone-melting this to distribute the doping material in the rod.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eng toleriert dotierter Siliciumstäbe, bei dem Silicium auf einen aus Silicium bestehenden stabförmigen Träger mittels eines thermischen Reduktionsvorganges niedergeschlagen und anschließend zonengeschmolzen wird und wobei zunächst überdotiert wird, kann die Menge des Dotierungsmaterials in dem Silicium genau unter Kontrolle gehalten werden, also genau die gewünschte Menge eingebracht und gleichmäßig verteilt werden, wenn erfindungsgemäß die überdotierung auf dem als Träger verwendeten Siliciumstab mit einem Dotierstoff, dessen Verteilungskoeffizient zwischen 0,01 und 1. liegt, angebracht und anschließend undotiertes Silicium niedergeschlagen wird.In a process for the production of closely toleranced doped silicon rods, in the case of silicon on a rod-shaped support made of silicon a thermal reduction process and then zone melted is and is initially overdoped, the amount of doping material in which silicon is kept precisely under control, i.e. exactly the desired one Amount introduced and evenly distributed if, according to the invention, the overdoping on the silicon rod used as a carrier with a dopant, its distribution coefficient between 0.01 and 1. is attached and then deposited undoped silicon will.

Zur Herstellung eines Siliciumstabes aus einem Gasgemisch von Trichlorsilan und Wasserstoff wird das Gasgemisch in eine Kammer eingeleitet, in der sich ein oder mehrere dünne Siliciumstäbe oder -fäden befinden, die auf die gewünschte Umsetzungstemperatur erhitzt werden. Auf den erhitzten Stäben oder Fäden schlägt sich Silicium nieder. Dieser Siliciumniederschlag ist extrem rein.For the production of a silicon rod from a gas mixture of trichlorosilane and hydrogen, the gas mixture is introduced into a chamber in which a or several thin silicon rods or threads are located, which are at the desired reaction temperature be heated. Silicon is deposited on the heated rods or threads. This silicon deposit is extremely pure.

Der durch thermische Zersetzung des Silan-Halogenderivates entstehende Siliciumstab wird in einen glockenförmigen Ofen gebracht und mit Dotierungsmaterial aus der Gasphase dotiert, wobei das Dotierungsmaterial am Boden des Ofens verdampft, die Dämpfe steigen in dem Ofen nach oben, kommen mit dem Siliciumstab in Berührung und schlagen sich auf ihm nieder.The resulting from thermal decomposition of the silane halogen derivative Silicon rod is placed in a bell-shaped furnace and doped with dopant doped from the gas phase, the doping material evaporating at the bottom of the furnace, the vapors rise up the furnace and come into contact with the silicon rod and fall on him.

Der auf irgendeine der oben beschriebenen Weisen hergestellte dotierte Siliciumstab wird dann in eine Anlage zum Ziehen dünner Stäbe gebracht und unter sorgfältiger Kontrolle der Ziehgeschwindigkeit verlängert, so daß er einen dünnen Stab oder einen Faden eines gewünschten Durchmessers bildet, de: z. B. etwa 2,75 mm betragen soll.The doped one made in any of the ways described above Silicon rod is then placed in a facility for drawing thin rods and under careful control of the pulling speed extended so that he got a thin Forms rod or thread of a desired diameter, de: z. B. about 2.75 should be mm.

Der verlängerte, dünne Siliciumstab wird dann in eine Reaktionskammer gebracht, und weiteres Silicium wird auf ihm niedergeschlagen, indem Silan oder ein Silan-Halogenderivat thermisch reduziert wird, bis der Stab einen größeren Durchmesser aufweist. Zum Beispiel soll der Durchmesser des Stabes auf etwa 7,75 mm vergrößert werden. Der sich ergebende Stab besteht aus einem kleinen Kern, der die Verunreinigung konzentriert enthält, und einer dicken Schale aus reinem Silicium.The elongated, thin silicon rod is then placed in a reaction chamber brought, and further silicon is deposited on it by silane or a silane halogen derivative is thermally reduced until the rod has a larger diameter having. For example, the diameter of the rod should be increased to about 7.75 mm will. The resulting rod consists of a small core that holds the impurity contains concentrated, and a thick shell of pure silicon.

Der Siliciumstab wird dann dem Zonenziehverfahren unterworfen. Die Praxis hat gezeigt, daß zwischen vier und zwölf Durchgänge genügen, um alle schädlichen Verunreinigungen, die je vorhanden sein könnten, zu entfernen und dabei gleichzeitig das Bor oder ein anderes Dotierungsmaterial gleichmäßig über den Siliciumstab zu verteilen. Impft man den Stab während dieses Vorganges mit einem Einkristall, so verwandelt sich der ganze Stab außerdem in einen Einkristall.The silicon rod is then subjected to the zone pulling process. the Practice has shown that between four and twelve passes are sufficient to eliminate all harmful ones Remove impurities that might ever be present while doing so the boron or other dopant material evenly over the silicon rod to distribute. If you inoculate the rod with a single crystal during this process, so the whole rod also turns into a single crystal.

Der so hergestellte zonengeschmolzene Siliciumstab besteht aus genau und gleichförmig dotiertem, einkristallinen Silicium; aus ihm lassen sich Halbleiterplätehen herstellen.The zoned silicon rod thus produced is composed of exactly and uniformly doped, single crystal silicon; let out of him manufacture semiconductor boards.

Beispiel In eine zylindrische Reaktionskammer aus Quarz mit einem Innendurchmesser von etwa 9 cm wurden zwei Siliciumfäden ausgespannt, die einen kreisförmigen Querschnitt haben und einen Durchmesser von 2,75 mm und eine Länge von etwa 38 cm aufweisen; der Abstand der beiden Stäbe betrug etwa 3 cm, von Fadenmitte zu Fadenmitte gemessen. In diese Kammer wurde ein Gas eingeleitet, das aus einem Gemisch von Wasserstoff und Trichlorsilan im Verhältnis von 10 Mol zu 1. Mol bestand. Die Entfernung der Düse von der Mittellinie der Fäden war etwa 2,5 cm. Der Innendurchmesser der Düse betrug etwa 3,05 mm, und die Stärke des Gasstromes war etwa 1,3 m3/Std. Die Drähte wurden dadurch geheizt, daß man elektrischen Strom durch sie hindurchschickte. Die Stromstärke wurde so weit erhöht, bis die Drahttemperatur etwa 1.150° C betrug. Das Silicium schlug sich als glatter gleichmäßiger Überzug mit einer Geschwindigkeit von 15 g/Std. nieder. Bei einer Abscheidedauer von beispielsweise 10 Stunden wird ein Stabdurchmesser von etwa 12,7 mm erreicht. Die Ausbeute betrug 26% des eintretenden Trichlorsilans.Example In a cylindrical reaction chamber made of quartz with a Inside diameter of about 9 cm, two silicon threads were stretched out, one have a circular cross-section and a diameter of 2.75 mm and a length of about 38 cm; the distance between the two rods was about 3 cm from the middle of the thread measured to the middle of the thread. A gas was introduced into this chamber, consisting of a Mixture of hydrogen and trichlorosilane in a ratio of 10 mol to 1 mol. The distance of the nozzle from the center line of the filaments was about 2.5 cm. The inside diameter of the nozzle was about 3.05 mm, and the strength of the gas flow was about 1.3 m3 / h. The wires were heated by passing an electric current through them. The amperage was increased until the wire temperature was around 1,150 ° C. The silicon pounded as a smooth, uniform coating at one speed of 15 g / h low. With a deposition time of, for example, 10 hours reached a rod diameter of about 12.7 mm. The yield was 26% of the incoming Trichlorosilane.

Der hergestellte Stab wurde in eine Anlage zur Dotierung aus der Gasphase gebracht, in deren unteren Teil sich 0;5 g Boroxyd (B.,03) in einem Tiegel befand. Das Heizelement unter dem Tiegel wurde eingeschaltet, und das Boroxyd wurde auf eine Temperatur von etwa 1500° C erhitzt. Eine weitere Heizspule erhitzte den Siliciumstab auf eine Temperatur von etwa 1200° C. Dieser dotierte Stab wurde in eine Dünnziehanlage gebracht. Diese Anlage wurde wurde evakuiert, und Argan wurde eingelassen. Die elektrische Heizspule wurde eigeschaltet und. auf einer Temperatur von etwa 1450° C gehalten. Die Heizspule wurde längs des Siliciumstabes mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,5 cm/Std. bewegt. Den Ziehapparat ließ man mit einer solchen Geschwindigkeit laufen, daß je Stunde etwa 1,25 mm dünnen Stabes hergestellt wurden. Bei Verwendung eines Siliciumstabes mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Länge von 25 cm konnte so ein dünner Siliciumstab mit einem Durchmesser von 2,75 mm und einer Länge von 5 m hergestellt werden. Der so hergestellte Siliciumstab wurde sodann in etwa 25 cm lange Teilstücke zerlegt und in eine Reaktionskammer gebracht, die ähnlich derjenigen war, die bei der ersten Abscheidung von Silicium auf den Siliciumfaden benutzt wurde. Sie wurde unter den gleichen Bedingungen betrieben und der Durchmesser des Siliciumstabes auf etwa 9 mm vergrößert.The rod produced was placed in a facility for doping from the gas phase brought, in the lower part of which was 0.5 g boron oxide (B., 03) in a crucible. The heating element under the crucible was turned on and the boron oxide was on heated to a temperature of about 1500 ° C. Another heating coil heated the silicon rod to a temperature of about 1200 ° C. This doped rod was in a thin drawing machine brought. This facility has been evacuated and Argan has been let in. The electric Heating coil was switched on and. kept at a temperature of about 1450 ° C. The heating coil was moved along the silicon rod at a speed of about 7.5 cm / hour emotional. The puller was run at such a speed that every hour about 1.25 mm thin rod were produced. When using a Silicon rod with a diameter of 12.7 mm and a length of 25 cm could such a thin silicon rod with a diameter of 2.75 mm and a length of 5 m. The silicon rod produced in this way was then approximately 25 cm long sections disassembled and placed in a reaction chamber similar to the one used in the initial deposition of silicon on the silicon filament. It was operated under the same conditions and the diameter of the silicon rod enlarged to about 9 mm.

Dieser Stab wurde schließlich dem Zonenschmelz= verfahren unterworfen und in einen Einkristall umgewandelt, indem elf Durchgänge über die gesamte Länge des Stabes durchgeführt wurden. Der erhaltene Stab wies verhältnismäßig gleichförmig über die Stablänge eine elektrische Leitfähigkeit von 70 Ohm - cm auf. Diese Stäbe konnte man zur Herstellung von Siliciumscheibchen für Halbleiterbauelemente verwenden.This rod was finally subjected to the zone melting process and converted into a single crystal by making eleven passes along its entire length of the staff. The rod obtained was relatively uniform An electrical conductivity of 70 Ohm - cm over the length of the rod. These bars could be used to manufacture silicon wafers for semiconductor components.

Claims

Claim: Process for the production of doped with tight tolerances Silicon rods, with silicon on .ein rod-shaped carrier made of silicon precipitated by means of a thermal reduction process and then is zone-melted and is initially overdoped, characterized in that that the overdoping on the silicon rod used as a carrier with a dopant, whose distribution coefficient is between 0.01 and 1, attached and then undoped silicon is deposited. Considered publications: German Auslegeschriften Nos. 1017 795, 1029 941, 1032 555; Austrian patent specification No. 194,444; U.S. Patent No. 2,768,914.