DE102004004536B4

DE102004004536B4 - Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls

Info

Publication number: DE102004004536B4
Application number: DE102004004536A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Harada; Yoji Suzuki; Hidenobu Abe
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: US7208042B2; KR100533502B1; JP2004231474A; JP4193503B2; KR20040070083A; DE102004004536A1; US20050263063A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, umfassend das Drehen eines Quarzschmelztiegels (13) zum Aufbewahren einer Siliciumschmelze (12) mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit, Drehen eines Siliciumeinkristallstabs (25), welcher aus der Siliciumschmelze (12) in Gegenrichtung zu der Drehung des Quarzschmelztiegels (13) mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit gezogen wird, und Ziehen des Siliciumeinkristallstabs (25) mit einer solchen Ziehgeschwindigkeit, dass ein Inneres des Siliciumeinkristallstabs (25) zu einem fehlerfreien Bereich wird, in welchem Agglomerate von Siliciumzwischenraumpunktfehlern und Agglomerate von Gitterlückenfehlern nicht vorliegen, wobei während des Ziehens eines oberen Stabteils (25a) des Siliciumeinkristallstabs (25), in welchem die Verfestigungsgeschwindigkeit 0,15 bis 0,30 beträgt, die mittlere Drehgeschwindigkeit SRTAV des Siliciumeinkristallstabs (25) so eingestellt ist, dass sie im Bereich von 18 bis 20 UpM liegt, und die mittlere Drehgeschwindigkeit CRTAV des Quarzschmelztiegels (13) so eingestellt ist, dass sie im Bereich von 6 bis 8 UpM liegt, wobei die Verfestigungsgeschwindigkeit die Rate des Gewichts des gezogenen Stabs (25) zu dem anfänglichen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallstabs, wobei dieser aus einer Siliciumschmelze mit einer solchen Ziehgeschwindigkeit gezogen wird, dass das Innere des Siliciumeinkristallstabs zu einem fehlerfreien Bereich wird.
Ein herkömmliches Verfahren zum Ziehen eines Siliciumeinkristallstabs ist das Czochralski-Verfahren (hier nachstehend auch als CZ-Verfahren bezeichnet). Im CZ-Verfahren wird eine in einem Quarzschmelztiegel enthaltene Siliciumschmelze mit einem Impfkristall in Kontakt gebracht, und der Impfkristall unter Drehen des Quarzschmelztiegels und des Impfkristalls herauf gezogen, wodurch ein säulenförmiger Siliciumeinkristallstab hergestellt wird.
Mittlerweile zeigte sich, dass das bei der Herstellung von integrierten Halbleiter-Schaltungen durch die Gegenwart von Mikrofehlern aus Sauerstoffabscheidungen, die zu von Oxidationskeimen induzierten Stapelfehlern werden (nachstehend als „OSF” bezeichnet), von dem Kristall hervorgebrachten Teilchen, (nachstehend als „COP” bezeichnet), großer Zwischengitterverlagerung (nachstehend als „L/D” bezeichnet) und dergleichen die Ausbeute vermindert wird. Die Mikrofehler, die zu dem OSF-Keim werden, werden während des Kristallwachstums eingebracht, und OSF wird während eines Wärmeoxidationsverfahrens oder dergleichen bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen freigelegt, wodurch Fehler in den hergestellten Vorrichtungen, wie eine Erhöhung des Leckstroms verursacht werden. COP ist eine Pore, die aus einem Kristall hervorgeht, der auf einer Waferoberfläche nachgewiesen wird, wenn der einer Spiegelpolitur unterzogene Siliciumwafer mit einem Lösungsgemisch aus Ammoniak und Wasserstoffperoxid gewaschen wird. Die Pore wird beim Messen des Wafers mit einem Teilchenzähler auch als Lichtstreuungsfehler zusammen mit tatsächlichen Teilchen nachgewiesen.
COP wird zu einer Ursache von schlechten elektrischen Eigenschaften, wie eine Eigenschaft des zeitabhängigen dielektrischen Zusammenbruchs (TDDB) und eines dielektrischen Nullzeit-Zerfalls (TZDB) von Oxidfilmen. Zudem kann auf einer Waferoberfläche vorliegendes COP einen Höhenunterschied in einem Verdrahtungsverfahren von Vorrichtungen bilden, wodurch ein Schaltungsbruch verursacht werden kann. Außerdem wird dadurch ein Lecken von Element-isolierenden Teilen verursacht, wodurch die Produktausbeute vermindert wird. LID wird auch Verlagerungscluster oder Verlagerungspore genannt, da der diesen Fehler enthaltende Siliciumwafer eine Pore erzeugt, wenn er in eine ausgewählte Ätzlösung getaucht wird, die Flusssäure als Hauptbestandteil enthält. Durch dieses LID wird auch eine Verschlechterung von elektrischen Eigenschaften wie Leckeigenschaften, Isolierungseigenschaften und dergleichen verursacht. Aus diesen Gründen war es nötig, OSF, COP und L/D-Fehler in Siliciumwafern zu reduzieren, die bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen verwendet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallstabs zum Ausschneiden von fehlerfreien Siliciumwafern ohne OSF, COP und L/D-Fehler wurde offenbart (siehe zum Beispiel US 6,045,610 A und die entsprechende ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung JP 11 001 393 A ). Im Allgemeinen erzeugt ein Ziehen eines Siliciumeinkristallstabs mit einer schnellen Geschwindigkeit innerhalb des Stabs einen Bereich [V], in welchem überwiegend Agglomerate von Gitterlücken-Punktfehlern vorliegen, wohingegen ein Ziehen des Stabs mit einer langsamen Geschwindigkeit innerhalb des Stabs einen Bereich [I], in welchem überwiegend Agglomerate von Silicium-Zwischengitter-Punktfehlern vorliegen. Hinsichtlich dessen ermöglicht das vorstehend erwähnte Herstellungsverfahren durch Ziehen eines Stabs mit einer optimalen Ziehgeschwindigkeit die Herstellung eines Siliciumeinkristallstabs, der aus einem fehlerfreien Bereich [P] hergestellt ist, in welchem die Agglomerate der Punktfehler nicht vorliegen.
In dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallstabs ist es jedoch nötig, den axialen Temperaturgradienten in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche zwischen dem Siliciumeinkristallstab und der Siliciumschmelze so zu regulieren, dass er einheitlich wird. Diese Regulierung wird durch eine Änderung der restlichen Menge der Siliciumschmelze und eine Änderung ihrer Konvektion bewirkt. Aus diesem Grund war es schwierig, einen Siliciumeinkristallstab herzustellen, der über die gesamte Länge des geraden zylinderförmigen Körpers des Stabs fehlerfrei ist.
DE 100 58 320 A1 , DE 100 06 589 A1 , US 6 214 109 B1 , EP 0 702 100 A1 und DE 198 06 045 A1 betreffen Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Siliciumblöcken und Siliciumwafern. EP 1 308 543 A1 , US 5 876 495 A , EP 0 823 497 A1 und EP 1 035 234 A1 offenbaren Verfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen, bei denen die Drehgeschwindigkeit des Tiegels und des Einkristallstabs gesteuert werden. In der US 4 417 943 und US 6 423 135 B1 werden Verfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen beschrieben, bei denen die Tiegeldrehgeschwindigkeit gesteuert wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallstabs bereitzustellen, in welchem der axiale Temperaturgradient in der Umgebung der vorstehend erwähnten Fest-Flüssig-Grenzfläche relativ leicht im Wesentlichen einheitlich reguliert werden kann und demzufolge es ermöglicht werden kann, einen Siliciumeinkristallstab zu ziehen, in welchem Agglomerate von Punktfehlern in der Ziehrichtung des Siliciumeinkristallstabs nicht auftreten und ein fehlerfreier Bereich im Wesentlichen über die gesamte Länge und den gesamten Durchmesser erhalten wird. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, welches das Drehen eines Quarzschmelztiegels zur Aufbewahrung einer Siliciumschmelze mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit, Drehen eines aus der Siliciumschmelze gezogenen Siliciumeinkristallstabs (hier nachstehend einfach als „Stab” bezeichnet) mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit in Gegenrichtung zu der Drehung des Quarzschmelztiegels, und Ziehen des Siliciumeinkristallstabs mit einer solchen Geschwindigkeit, dass das Innere des Siliciumeinkristallstabs zu einem fehlerfreien Bereich wird, in welchem Agglomerate von Silicium-Zwischengitter-Punktfehlern und Agglomerate von Gitterlücken-Punktfehlern nicht vorliegen, wobei gemäß Patentanspruch 1 ein Verhältnis SRTAV/CRTAV einer mittleren Drehgeschwindigkeit SRTAV des Siliciumeinkristallstabs und einer mittleren Drehgeschwindigkeit CRTAV des Quarzschmelztiegels während des Ziehens eines oberen Stabteils des Siliciumeinkristallstabs so eingestellt wird, dass es gleich oder kleiner als das Verhältnis SRBAV/CRBAV einer mittleren Drehgeschwindigkeit CRBAV des Stabs und einer mittleren Drehgeschwindigkeit CRBAV des Quarzschmelztiegels während des Ziehens eines unteren Stabteils des Siliciumeinkristallstabs ist. Hierin beschrieben wird auch ein Verfahren, bei dem die mittlere Drehgeschwindigkeit CRTAV des Quarzschmelztiegels während des Ziehens des oberen Stabteils auf eine schnellere Geschwindigkeit als die mittlere Drehgeschwindigkeit CRBAV des Quarzschmelztiegels während des Ziehens des unteren Stabteils des Stabs eingestellt wird.
Hier in der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „fehlerfreier Bereich” einen fehlerfreien Bereich, der innere Punktfehler enthält, in welchen Gitterlücken überwiegen, und einen fehlerfreien Bereich, der innere Punktfehler enthält, in welchen Silicium-Zwischenräume überwiegen, einschließen.
Die Abbildungen bedeuten folgendes:
ist eine Querschnittskonfigurationsansicht, welche die Konfiguration einer für ein Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Ziehapparatur zeigt;
ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils A von , die ein Hitzeschildelement der Apparatur zeigt;
ist eine Ansicht, die einen Stab zeigt, der durch die Apparatur gezogen wird;
ist eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Drehgeschwindigkeit eines Quarzschmelztiegels in Bezug auf eine Änderung der Verfestigungsgeschwindigkeit zeigt;
ist eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Drehgeschwindigkeit eines Quarzschmelztiegels in Bezug auf eine Veränderung der Verfestigungsgeschwindigkeit von Beispiel 1 zeigt;
ist eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Drehgeschwindigkeit eines Stabs in Bezug auf eine Änderung der Verfestigungsgeschwindigkeit von Beispiel 2 zeigt;
ist eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Drehgeschwindigkeit eines Quarzschmelztiegels in Bezug auf eine Änderung der Verfestigungsgeschwindigkeit von Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
ist eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Drehgeschwindigkeit des Stabs in Bezug auf eine Änderung der Verfestigungsgeschwindigkeit von Vergleichsbeispiel 1 zeigt; und
ist eine Veranschaulichung, die eine Verteilung von Bereichen zeigt, die Silicium-Zwischengitteratome und Gitterlücken im Stab zeigt, wenn der Stab mit einer vorbestimmten variierenden Ziehgeschwindigkeit gezogen wird.
Wie in dargestellt, wird ein Quarzschmelztiegel 13 zum Aufbewahren einer Siliciumschmelze 12 in einer Kammer 11 einer Siliciumeinkristall-Ziehapparatur 10 bereitgestellt, wobei die periphere Außenfläche des Quarzschmelztiegels 13 von einem Graphit-Sekundärzylinder 14 umgeben ist. Die untere Fläche des Quarzschmelztiegels 13 ist am oberen Ende einer Spindel 16 mit einem dazwischen angebrachten Graphit-Sekundärzylinder 14 befestigt, und das untere Ende der Spindel 16 ist mit einer Schmelztiegelantriebsvorrichtung 17 verbunden. Obwohl in der Abbildung nicht dargestellt, weist die Schmelztiegelantriebsvorrichtung 17 einen ersten Drehmotor zum Drehen des Quarzschmelztiegels 13 und einen Hebe-/Senkmotor zum Anheben und Senken des Quarzschmelztiegels 13 auf, so dass der Quarzschmelztiegel 13 mit diesen Motoren in einer vorbestimmten Richtung gedreht und auf und ab bewegt werden kann. Die periphere Außenfläche des Quarzschmelztiegels 13 ist von einem Heizelement 18 umgeben, das mit einem vorbestimmten Abstand von dem Quarzschmelztiegel 13 platziert ist, und das Heizelement 18 ist von einem wärmeisolierenden Zylinder 19 umgeben. Das Heizelement 18 erwärmt hochreines polykristallines Silicium, das in den Quarzschmelztiegel 13 gefüllt ist, und bringt es zum Schmelzen, wodurch eine Siliciumschmelze 12 hergestellt wird.
Ein zylinderförmiges Gehäuse 21 ist mit dem oberen Ende der Kammer 11 verbunden. Das Gehäuse 21 ist mit einer Ziehvorrichtung 22 bereitgestellt. Die Ziehvorrichtung 22 umfasst: einen Ziehkopf (nicht dargestellt), der an dem oberen Ende des Gehäuses 21 so bereitgestellt ist, dass er horizontal drehbar ist, einen zweiten Drehmotor (nicht dargestellt) zum Drehen des Kopfes, ein Drahtkabel 23, das von dem Kopf in Richtung des Drehzentrums des Quarzschmelztiegels 13 hängt, und einen im Kopf bereitgestellten Ziehmotor (nicht dargestellt) zum Aufwickeln und Abwickeln des Drahtkabels 23. Am unteren Ende des Drahtkabels 23 ist ein Impfkristall 24 angebracht, der zum Ziehen eines Siliciumeinkristallstabs 25 in die Siliciumschmelze 12 getaucht wird.
Mit der Kammer 11 auch verbunden ist eine Gaszufuhr und ein Entlüftungselement 28 zum Zuführen eines Inertgases zu der Stabseite der Kammer 11 und zum Ablassen des Inertgases aus der peripheren Innenflächenseite des Schmelztiegels in der Kammer 11. Die Gaszufuhr und das Entlüftungselement 28 umfasst eine Zufuhrleitung 29 wobei ein Ende davon mit einer umgebenden Wand des Gehäuses 21 verbunden ist und das andere Ende davon mit einem Tank (nicht dargestellt) zum Aufbewahren des Inertgases verbunden ist, und eine Auslassleitung 30, wobei ein Ende davon mit der unteren Wand der Kammer 11 verbunden ist und das Außenende davon an eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Zufuhrleitung 29 und die Auslassleitung 30 sind mit ersten und zweiten die Fließgeschwindigkeit einstellenden Ventilen 31 und 32 zum Einstellen der Fließgeschwindigkeiten des durch diese Leitungen 29 bzw. 30 fließenden Inertgases bereitgestellt.
Eine Antriebswelle (nicht dargestellt) des Ziehmotors ist mit einem Codiergerät (nicht dargestellt) bereitgestellt, und die Schmelztiegelantriebsvorrichtung 17 ist ebenso mit einem Codiergerät (nicht dargestellt) zum Nachweisen der Auf-/Ab-Position der Spindel 16 bereitgestellt. Die Ermittlungsausgänge der zwei Codiergeräte sind mit einem Kontrolleingang eines Kontrollgeräts (nicht dargestellt) verbunden, und die Kontrollausgänge des Kontrollgeräts sind mit dem Ziehmotor und dem Ziehelement 22 und dem Hebe-/Senkmotor der Schmelztiegelantriebsvorrichtung 17 verbunden. Das Kontrollgerät ist mit einem Datenspeicher (nicht dargestellt) bereitgestellt, und der Datenspeicher speichert eine Wickellänge des Drahtkabels 23, d. h. eine Ziehgeschwindigkeit für den Stab 25 in Bezug auf den Ermittlungsausgang der Codiergeräte als erste Entschlüsselung. Der Datenspeicher speichert auch einen Flüssigkeitsoberflächengrad der Siliciumschmelze 12 im Quarzschmelztiegel 13 in Bezug auf die Ziehlänge für den Stab 25 als zweite Entschlüsselung. Das Kontrollgerät ist so konfiguriert, dass es den Hebe-/Senkmotor der Schmelztiegelantriebsvorrichtung 17 so reguliert, dass die Flüssigkeitsoberfläche der Siliciumschmelze 12 im Quarzschmelztiegel 13 zu allen Zeiten in Bezug auf den Ermittlungsausgang des Codiergeräts im Ziehmotor konstant gehalten werden kann.
Ein Hitzeschildelement 36, das die periphere Außenfläche des Stabs 25 umgibt, ist zwischen der peripheren Außenfläche des Stabs 25 und der peripheren Innenfläche des Quarzschmelztiegels 13 bereitgestellt (siehe und ). Das Hitzeschildelement 36 weist ein zylinderförmiges Teil 37, das in eine zylinderförmige Gestalt geformt ist und zum Abschirmen von Strahlungswärme von dem Heizelement 18 bestimmt ist, und ein Flanschteil 38, das gleichmäßig an der unteren Kante des zylinderförmigen Teils 37 geformt ist und sich im Wesentlichen horizontal nach Auswärts erstreckt, auf. Durch Platzieren des Flanschteils 38 an den wärmeisolierenden Zylinder 19 wird das Hitzeschildelement 36 in der Kammer 11 so befestigt, dass die untere Kante des zylinderförmigen Teils 37 auf der Oberfläche der Siliciumschmelze 12 mit einem vorbestimmten Abstand positioniert ist. In dieser Ausführungsform ist das zylinderförmige Teil 37 ein zylinderförmig gestalteter Körper und ist das untere Teil des zylinderförmigen Teils 37 mit einem gewölbten Teil 41 bereitgestellt, das sich ins Innere des zylinderförmigen Teils wölbt.
Wie in dargestellt ist, ist das gewölbte Teil 41 aus einer ringartigen Bodenwand 42, die mit der unteren Kante des zylinderförmigen Teils 37 verbunden ist und sich horizontal zu der Umgebung der peripheren Außenfläche des Stabs 25 erstreckt, einer senkrechten Wand 44, die gleichmäßig auf der inneren Kante der Bodenwand 42 gebildet ist, und einer oberen Wand 46, die gleichmäßig auf der unteren Kante der senkrechten Wand 44 gebildet ist, zusammengesetzt. In dieser Ausführungsform sind das zylinderförmige Teil 37 und die Bodenwand 42 als Ganzes und die obere Wand 46 und die senkrechte Wand 44 als Ganzes gebildet. Es ist zu bevorzugen, dass das zylinderförmige Teil 37, die Bodenwand 42, die senkrechte Wand 44 und die obere Wand 46 aus wärmestabilem hochreinem Graphit hergestellt sind, wobei die Oberfläche davon mit SiC beschichtet ist, jedoch ist es auch möglich, solche wärmestabilen Materialien wie Mo (Molybdän) und W (Wolfram) einzusetzen.
Die obere Wand 46 ist so gebildet, dass ihr Durchmesser größer als derjenige ist, der sich aufwärts oder horizontal erstreckt, und so konfiguriert, dass ihre untere Kante mit dem zylinderförmigen Teil 37 verläuft. Das Innere des gewölbten Teils 41, das von einem unteren Teil des zylinderförmigen Teils 37, der Bodenwand 42, der senkrechten Wand 44 und der oberen Wand 46 umgeben ist, weist ein ringförmiges wärmespeicherndes Element 47 auf. In dieser Ausführungsform ist das wärmespeichernde Element 47 durch Einfüllen eines aus Kohlenstofffasern hergestellten Filzmaterials in das Innere des gewölbten Teils 41 gebildet.
Das wärmespeichernde Element 47, das im Inneren des gewölbten Teils 41 bereitgestellt ist, ist so geformt, dass es eine periphere Innenfläche aufweist, die aus der senkrechten Wand 44, die das gewölbte Teil 41 bildet, gebildet ist und parallel zu der axialen Mittellinie des Stabs 25 liegt. Die Höhe H₁ der peripheren Innenfläche des wärmespeichernden Elements 47 ist so konfiguriert, dass sie im Bereich von 10 bis d/2 mm liegt, wobei der Durchmesser des Stabs 25 d mm beträgt, der Minimalabstand W₁ zwischen der peripheren Innenfläche des wärmespeichernden Elements 47 und der peripheren Außenfläche des Stabs 25 ist so konfiguriert, dass er im Bereich von 10 bis 0,2 d mm liegt, und der Abstand G zwischen dem unteren Ende des Hitzeschildelements 36 und der Oberfläche der Siliciumschmelze 12 ist so konfiguriert, dass er im Bereich von 40 bis 200 mm liegt. Es sollte angemerkt sein, dass die Höhe H₁ der peripheren Innenfläche des wärmespeichernden Elements 47 so reguliert ist, dass sie im Bereich von 10 bis d/2 mm liegt, der Minimalabstand W1 zwischen der peripheren Innenfläche des Wärmespeicherelements 47 und der peripheren Außenfläche des Stabs 25 so kontrolliert ist, dass er im Bereich von 10 bis 0,2 d mm liegt und der vorstehend beschriebene Abstand G hauptsächlich aus dem folgenden Grund so reguliert ist, dass er im Bereich von 40 bis 200 mm liegt: die Umgebung des Stabs 25 weiter unterhalb des wulstigen Teil 41 und in der Umgebung der Siliciumschmelze wird durch starke Wärme von dem Heizelement 18 und der Siliciumschmelze 12 aktiv erwärmt, um eine abrupte Temperaturverminderung des peripheren Außenteils des Stabs 25 in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche des Stabs 25 zu verhindern.
Nun wird nachstehend ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Stabs unter Verwendung der so konfigurierten Ziehapparatur beschrieben.
Als erstes wird durch Einstellen der ersten und zweiten die Fließgeschwindigkeit einstellenden Ventile 31 und 32 ein Inertgas von dem oberen Teil der Kammer 11 in das Innere der Kammer 11 geleitet und die Fließgeschwindigkeit des Inertgases in der Kammer 11 so eingestellt, dass ein Fließgeschwindigkeitsindex S des Inertgases, das zwischen dem wölbenden Teil 41 des Hitzeschildelements 36 und dem Stab 25 herabfließt 2,4 bis 5,0 m/Sekunde beträgt. Hier ist der Fließgeschwindigkeitsindex S ein durch die folgende Gleichung (1) erhaltener Wert: S = (Po/E) × F/A (1)
In der Gleichung (1) ist Po der Atmosphärendruck (Pa) außerhalb der Kammer 11, ist E der innere Druck (Pa) der Kammer 11, ist F die Fließgeschwindigkeit (m³/Sekunde) des der Kammer 11 mit dem Druck Po (Pa) bei Raumtemperatur zugeführten Inertgases, ist A die Querschnittfläche (m³) zwischen dem gewölbten Teil 41 und dem Stab 25.
Die Fließgeschwindigkeit wird so eingestellt, dass der Fließgeschwindigkeitsindex S des Inertgases 2,4 bis 5,0 m/Sekunde beträgt. Dadurch werden solche Effekte wie Kühlen des Stabs 25 durch das Inertgas und Ändern der Konvektion aufgrund des Kühlens der Siliciumschmelze 12 erzielt. Nach Hinabfließen in die Lücke zwischen dem gewölbten Teil 41 und dem Stab 25 durchläuft das Inertgas den Abstand zwischen der Oberfläche der Siliciumschmelze 12 und dem unteren Ende des Hitzeschildelements 36 und wird aus der Auslassleitung 30 nach außen abgelassen.
Ferner wird der Stab 25 unter Drehen des Quarzschmelztiegels 13 mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit und Drehen des Impfkristalls 24 in Gegenrichtung zu der Drehung des Quarzschmelztiegels 13 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit aus der Siliciumschmelze 12 durch Ziehen des in die Siliciumschmelze 12 getauchten Impfkristalls 24 gezogen. Der Keimkristall 24 wird so mit einem vorbestimmten Ziehgeschwindigkeitsprofil gezogen, dass das Innere des Stabs 25 zu einem fehlerfreien Bereich wird, in welchem Agglomerate von en Silicium-Zwischengitter-Punktfehlern und Agglomerate von Gitterlücken-Punktfehlern nicht vorliegen.
Der Stab 25 weist auch ein oberes Stabteil 25a, das nach dem Impfkristall 24 gezogen wird und ein unteres Stabteil 25b, das nach dem oberen Stabteil gezogen wird, auf. Die Bereiche des oberen Stabteils 25a und des unteren Stabteils 25b werden durch eine Verfestigungsgeschwindigkeit bestimmt. Insbesondere bedeutet wie in dargestellt, das obere Stabteil 25a ein Teil, in welchem die Verfestigungsgeschwindigkeit 0,15 bis 0,30 beträgt, wohingegen das untere Stabteil 25b ein Teil bedeutet, in welchem die Verfestigungsgeschwindigkeit 0,50 bis 0,65 beträgt. Es wird angemerkt, dass der Begriff „Verfestigungsgeschwindigkeit” die Rate des Gewichts des gezogenen Stabs 25 zu dem anfänglichen Füllgewicht der Siliciumschmelze 12, die anfänglich im Quarzschmelztiegel 13 aufbewahrt wurde, bedeutet.
Hier werden die mittleren Drehgeschwindigkeiten des Quarzschmelztiegels 13 und des Stabs 25 während des Ziehens des oberen Stabteils 25a als CR_TAV bzw. SR_TAV und die mittleren Drehgeschwindigkeiten des Quarzschmelztiegels 13 und des Stabs 25 während des Ziehens des unteren Stabteils 25b als CR_BAV bzw. SR_BAV bezeichnet. Die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_TAV ist so eingestellt, dass sie im Bereich von 5 bis 10 UpM, vorzugsweise 6 bis 8 UpM liegt, die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_BAV ist so eingestellt, dass sie im Bereich von 3 bis 8 UpM, vorzugsweise 5 bis 7 UpM liegt, und der Unterschied zwischen der mittleren Drehgeschwindigkeit CR_TAV und der mittleren Drehgeschwindigkeit CR_BAV ist so eingesteht, dass er im Bereich von 0,1 bis 7 UpM, vorzugsweise 1 bis 3 UpM liegt.
Die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_TAV ist aus dem folgenden Grund im Bereich von 5 bis 10 UpM eingestellt: Beträgt sie weniger als 5 UpM, kann der Reinbereich (V₂ – V₁) (siehe ) zu klein sein, wohingegen, wenn sie 10 UpM übersteigt, sich in der Siliciumschmelze eingeschlossener Sauerstoff über den Querschnitt des Stabs 25 nicht gleichmäßig verteilen kann. Hier bedeutet wie in dargestellt der Begriff „Reinbereich” einen Unterschied (V₂ – V₁) oder (V₂' – V₁') zwischen einer kritischen Ziehgeschwindigkeit V₂ oder V₂', mit welcher ein fehlerfreier Bereich, in welchem kein OSF-Ring vorliegt, über den gesamten Querschnitt des Stabs erhalten wird, und eine untere Grenze V₁ oder V₁' der Ziehgeschwindigkeit, mit welcher Agglomerate von Silicium-Zwischengitter-Punktfehlern nicht auftreten. Hier nachstehend, wo der Reinbereich in der vorliegenden Beschreibung erwähnt ist, ist (V₂ – V₁) als repräsentatives Beispiel beschrieben und ist die (V₂' – V₁') betrachtende Beschreibung weggelassen.
Zudem ist die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_BAV so eingestellt, dass sie aus den folgenden Gründen im Bereich von 3 bis 8 UpM liegt: Beträgt sie weniger als 3 UpM besteht das Risiko der Verminderung der Kristallisierungsgeschwindigkeit des Einkristall-Stabs 25, wenn kein magnetisches Feld an der Siliciumschmelze 12 angelegt wird, wohingegen, wenn sie 8 UpM übersteigt, der Grad der Fest-Flüssig-Grenzfläche, die sich abwärts wölbt, groß wird und der axiale Temperaturgradient in der Umgebung der Fest-/Flüssig-Grenzfläche über diametrische Richtungen ungleichmäßig wird, was zu einer Verminderung des Reinbereichs (V₂ – V₁) führt (siehe ). Ferner ist der Unterschied zwischen der mittleren Drehgeschwindigkeit CRTAV und der mittleren Drehgeschwindigkeit CR_BAV aus dem folgenden Grund so eingestellt, dass er im Bereich von 0,1 bis 7 UpM liegt: Beträgt er weniger als 0,1 UpM gleichen sich die mittlere Drehgeschwindigkeit CRTAV und die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_BAV nahezu an, wohingegen, wenn er 7 UpM übersteigt, sich in der Siliciumschmelze 12 eingeschlossener Sauerstoff nicht gleichmäßig über den Querschnitt des Stabs 25 verteilt und hier ein Risiko der Verminderung der Kristallisierungsgeschwindigkeit des Einkristall-Stabs 25 besteht, wenn kein magnetisches Feld an die Siliciumschmelze 12 angelegt wird.
Die Drehgeschwindigkeit des Quarzschmelztiegels 13 von CR_T auf CR_B kann stufenweise von dem oberen Stabteil 25a zu dem unteren Stabteil 25b wie durch die durchgehende Linie in angezeigt geändert werden, oder abrupt am Grenzteil zwischen dem oberen Stabteil 25a und dem unteren Stabteil 25b wie durch die Strichpunktlinien in angezeigt geändert werden. Zudem können die Drehgeschwindigkeiten CR_T auf CR_B des Quarzschmelztiegels 13 entweder konstant bleiben oder wie durch die Strichpunktlinie in angezeigt geändert werden.
Es wird gefolgert, dass es beim Ziehen des Stabs 25 gemäß den vorstehend beschriebenen Bedingungen ermöglicht wurde, die Änderung der Konvektion der Siliciumschmelze 12 aufgrund einer mit dem Ziehen des Stabs 25 verbundenen Verminderung der Siliciumschmelze 12 innerhalb des Quarzschmelztiegels 13 zu minimieren, da die Drehgeschwindigkeit CR_T des Quarzschmelztiegels 13 während des Ziehens des oberen Stabteils 25a schneller wird als die Drehgeschwindigkeit CR_B des Quarzschmelztiegels 13 während des Ziehens des unteren Stabteils 25b. Es wird erwogen, das als Ergebnis davon der Temperaturgradient G in Bezug auf die axiale Richtung des Stabs 25 in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche zwischen der Siliciumschmelze 12 und dem Stab 25 über diametrische Richtungen des Stabs 25 im Wesentlichen über die gesamte Länge des Stabs 25 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt wird, und es war möglich, den Stab 25 zu ziehen, in welchem keine Agglomerate von in der Ziehrichtung des Stabs 25 auftretenden Fehlern und ein fehlerfreier Bereich im Wesentlichen über die gesamte Länge und den gesamten Durchmesser erhalten wurden.
Als nächstes wird nachstehend ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Stabs unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Ziehapparatur beschrieben.
Als erstes wird wie im oben beschriebenen, nicht erfindungsgemäßen Verfahren die Fließgeschwindigkeit des Inertgases in der Kammer 11 durch Einstellen der ersten und zweiten die Fließgeschwindigkeit einstellenden Ventile 31 und 32 so gesteuert, dass der Fließgeschwindigkeitsindex S des Inertgases, das zwischen dem gewölbten Teil 41 des Hitzeschildelements 36 und des Stabs 25 hinabfließt, 2,4 bis 5,0 m/Sekunde beträgt. Als nächstes wird unter Drehen des Quarzschmelztiegels 13 mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit und Drehen des Impfkristalls 24 in Gegenrichtung zu der Richtung des Quarzschmelztiegels 13 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit der Stab 25 aus der Siliciumschmelze 12 gezogen. Hier ist ein Verhältnis SR_TAV/CR_TAV, welches das Verhältnis der mittleren Drehgeschwindigkeit SR_TAV des Stabs 25 und der mittleren Drehgeschwindigkeit CR_TAV des Quarzschmelztiegels 13 während des Ziehens des oberen Stabteils 25a des Stabs 25 ist, so eingestellt, dass es gleich mit einem Verhältnis SR_BAV/CR_BAV, welches das Verhältnis der mittleren Drehgeschwindigkeit SR_BAV des Stabs 25 und der mittleren Drehgeschwindigkeit CR_BAV des Quarzschmelztiegels 13 während des Ziehens des unteren Stabteils 25b des Stabs 25 ist, oder kleiner als das Verhältnis SR_BAV/CR_BAV ist.
Das Verhältnis SR_TAV/CR_TAV wird so eingestellt, dass es im Bereich von 2,3 bis 3,0 liegt, und das Verhältnis SR_BAV/CR_BAV wird so eingestellt, dass es im Bereich von 2,3 bis 5,0 liegt, und zudem wird (das Verhältnis SR_TAV/CR_TAV – dem Verhältnis SR_BAV/CR_BAV) so eingestellt, dass es im Bereich von –1,5 bis 0 liegt. Hier wird das Verhältnis SR_TAV/CR_TAV aus folgendem Grund so eingestellt: Beträgt es weniger als 2,0, ist es möglich, dass sich in der Siliciumschmelze 12 eingeschlossener Sauerstoff über den Querschnitt des Stabs 25 nicht gleichmäßig verteilt, wohingegen, wenn es 3,6 übersteigt, der Reinbereich (V₂ – V₁) (siehe ) kleiner werden kann. Auch wird das Verhältnis SR_BAV/CR_BAV aus dem folgenden Grund im beanspruchten Bereich eingestellt: Beträgt es weniger als 2,0, wird der Reinbereich (V₂ – V₁) (siehe ) kleiner werden, wohingegen, wenn er 18 übersteigt, das Risiko der Verminderung der Kristallisierungsgeschwindigkeit des Einkristall-Stabs 25 bestehen kann, wenn kein magnetisches Feld an die Siliciumschmelze 12 angelegt wird. Zudem wird (das Verhältnis SR_TAV/CR_TAV – dem Verhältnis SR_BAV/CR_BAV) aus folgendem Grund so eingestellt, dass es im beanspruchten Bereich liegt: Beträgt es weniger als –16, kann die Änderung während des Ziehens des Stabs 25 zu groß sein und es besteht das Risiko, dass die Einkristallbildung des Stabs 25 schwierig wird, wohingegen, wenn es 0 übersteigt, der Reinbereich (V₂ – V₁) ( siehe ) im oberen Stabteil 25a und unteren Stabteil 25b nicht ausreichend sein kann. Zudem wird die mittlere Drehgeschwindigkeit SR_TAV auf einem Bereich von 18 bis 20 UpM und die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_TAV auf einen Bereich von 6 bis 8 UpM eingestellt. Ferner wird die mittlere Drehgeschwindigkeit SR_BAV auf einen Bereich von 18 bis 20 UpM und die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_BAV auf einen Bereich von 5 bis 7 UpM eingestellt.
Es wird gefolgert, dass es beim Ziehen des Stabs 25 gemäß den vorstehend beschriebenen Bedingungen ermöglicht wurde, die Änderung der Konvektion der Siliciumschmelze 12, verursacht durch eine von dem Ziehen des Stabs 25 begleitete Verminderung der Siliciumschmelze 12 im Quarzschmelztiegel 13, zu vermindern. Es wird erwogen, dass als Ergebnis davon der Temperaturgradient G in Bezug auf die axiale Richtung des Stabs 25 in der Umgebung der Fest-Flüssig-Grenzfläche zwischen der Siliciumschmelze 12 und dem Stab 25 über diametrische Richtungen des Stabs 25 über die gesamte Länge des Stabs 25 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt wird, womit es ermöglicht wurde, den Stab 25 zu ziehen, in welchem keine Agglomerate von in Ziehrichtung des Stabs 25 auftretenden Fehlern und ein fehlerfreier Bereich im Wesentlichen über die gesamte Länge und den gesamten Durchmesser erhalten wurden.
Als nächstes werden detailliert Beispiele der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Vergleichsbeispiel beschrieben.
Beispiel 1
Zuerst wurden unter Verwendung der in dargestellten Ziehapparatur 10 120 kg Polysilicium-Material (polykristallines Silicium) eingefüllt, und ein Stab 25 mit einem Durchmesser von etwa 200 mm wurde gezogen. Als nächstes wurde die Drehgeschwindigkeit des Quarzschmelztiegels wie in geändert, wohingegen die Drehgeschwindigkeit des Stabs 25 bei 18 UpM über die gesamte Länge des Stabs konstant gehalten wurde, wobei die Drehgeschwindigkeiten des Quarzschmelztiegels 13 und des Stabs 25 während des Ziehens des oberen Stabteils 25a als CR_T bzw. SR_T und die Drehgeschwindigkeiten des Quarzschmelztiegels 13 und des Stabs 25 während des Ziehens des unteren Stabteils 25b als CR_B bzw. SR_B bezeichnet werden. Der so mit einer vorbestimmten variierenden Ziehgeschwindigkeit gezogene Stab wird als Beispiel 1 bezeichnet.
Beispiel 2
Ein Stab wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 gezogen, außer dass die Drehgeschwindigkeit des Stabs wie in dargestellt geändert wurde. Der so hergestellte Stab wird als Beispiel 2 bezeichnet.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Stab wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 gezogen, außer dass die Drehgeschwindigkeit des Quarzschmelztiegels 13 wie in dargestellt geändert wurde und die Drehgeschwindigkeit des Stabs wie in dargestellt geändert wurde. Der so hergestellte Stab wird als Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet.
Vergleichstest und Bewertung

Die Stäbe von Beispiel 1, Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 1 wurden axial geschnitten und dann einer vorbestimmten Wärmebehandlung unterzogen, und ihre Haltbarkeitszeiten wurden gemessen, um in dargestellte Reinbereiche (V₂ – V₁) zu erhalten. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 1 dargestellt. In Tabelle 1 sind die Reinbereiche (V₂ – V₁) dargestellt, indem die Reinbereiche (V₂ – V₁) des oberen Stabteils von Vergleichsbeispiel 1 als Bezug genommen wurde. Tabelle 1

	Oberer Stabteil				Unterer Stabteil
	SR_T (UpM)	CR_T (UpM)	SR_T/CR_T	V₂ – V₁ (mm/min)	SR_B (UpM)	CR_B (UpM)	SR_B/CR_B	V₂ – V₁ (mm/min)
Beispiel 1	18	7	2,57	1,67	18	5	3,60	1,67
Beispiel 2	20	7	2,86	1,67	18	5	3,60	1,67
Vergleichsbeispiel 1	22	5	4,40	1,00	18	8,2	2,20	1,27

Wie aus Tabelle 1 deutlich, waren die Reinbereiche von Vergleichsbeispiel 1 klein, 1,00 während des Ziehens des oberen Stabteils und 1,27 während des Ziehens des unteren Stabteils. Im Gegensatz dazu waren die Reinbereiche der Beispiele 1 und 2 groß, 1,67 sowohl während des Ziehens des oberen Stabteils als auch des Ziehens des unteren Stabteils.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, umfassend das Drehen eines Quarzschmelztiegels (13) zum Aufbewahren einer Siliciumschmelze (12) mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit, Drehen eines Siliciumeinkristallstabs (25), welcher aus der Siliciumschmelze (12) in Gegenrichtung zu der Drehung des Quarzschmelztiegels (13) mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit gezogen wird, und Ziehen des Siliciumeinkristallstabs (25) mit einer solchen Ziehgeschwindigkeit, dass ein Inneres des Siliciumeinkristallstabs (25) zu einem fehlerfreien Bereich wird, in welchem Agglomerate von Siliciumzwischenraumpunktfehlern und Agglomerate von Gitterlückenfehlern nicht vorliegen, wobei während des Ziehens eines oberen Stabteils (25a) des Siliciumeinkristallstabs (25), in welchem die Verfestigungsgeschwindigkeit 0,15 bis 0,30 beträgt, die mittlere Drehgeschwindigkeit SR_TAV des Siliciumeinkristallstabs (25) so eingestellt ist, dass sie im Bereich von 18 bis 20 UpM liegt, und die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_TAV des Quarzschmelztiegels (13) so eingestellt ist, dass sie im Bereich von 6 bis 8 UpM liegt, wobei die Verfestigungsgeschwindigkeit die Rate des Gewichts des gezogenen Stabs (25) zu dem anfänglichen Füllgewicht der Siliciumschmelze (12), die anfänglich im Quarzschmelztiegel (13) aufbewahrt wurde, bedeutet, wobei während des Ziehens eines unteren Stabteils (25b) des Siliciumeinkristallstabs (25), in welchem die Verfestigungsgeschwindigkeit 0,50 bis 0,65 beträgt, die mittlere Drehgeschwindigkeit SR_BAV des Siliciumeinkristallstabs (25) so eingestellt ist, dass sie im Bereich von 18 bis 20 UpM liegt, und die mittlere Drehgeschwindigkeit CR_BAV des Quarzschmelztiegels (13) so eingestellt ist, dass sie im Bereich von 5 bis 7 UpM liegt, und wobei das Verhältnis SR_TAV/CR_TAV so eingestellt ist, dass es im Bereich von 2,3 bis 3,0 liegt, und das Verhältnis SR_BAV/CR_BAV so eingestellt ist, dass es im Bereich von 2,3 bis 5,0 liegt, und zusätzlich die Differenz zwischen dem Verhältnis SR_TAV/CR_TAV und dem Verhältnis SR_BAV/CR_BAV so eingestellt ist, dass sie im Bereich von –1,5 bis 0 liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach Anspruch 1, wobei ein Hitzeschildelement (36) zwischen einer peripheren Außenfläche des aus der Siliciumschmelze (12) gezogenen Siliciumeinkristallstabs (25) und einem den Quarzschmelztiegel (13) umgebenden Heizelement (18) angebracht ist, das Hitzeschildelement (36) über einer Oberfläche der Siliciumschmelze (12) mit einem Abstand positioniert ist und ein zylinderförmiges Teil (37), das die periphere Außenfläche des Siliciumeinkristallstabs (25) umgibt, und ein gewölbtes Teil (41), das an einem unteren Teil des zylinderförmigen Teils (37), das sich ins Innere des zylinderförmigen Teils wölbt, bereitgestellt ist und ein wärmespeicherndes Element (47) in einer im Inneren davon aufweist, und ein Durchmesser d 100 mm oder mehr beträgt, wobei d ein Durchmesser des Siliciumeinkristallstabs (25) ist, eine Höhe (H₁) einer peripheren Innenfläche des wärmespeichernden Elements (47) 10 bis d/2 mm beträgt und ein Minimalabstand (W₁) zwischen einer peripheren Innenfläche des wärmespeichernden Elements (47) und dem Außenumfang des Siliciumeinkristallstabs (25) 10 bis 0,2 d mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach Anspruch 2, wobei der Fließgeschwindigkeitsindex S eines Inertgases, das in einem Abstand zwischen dem gewölbten Teil (41) und dem Siliciumeinkristallstab (25) herabfließt, so eingestellt ist, dass er 2,4 bis 5,0 m/s beträgt, wobei der Fließgeschwindigkeitsindex S durch die folgende Gleichung (1) erhalten wird: S = (Po/E) × F/A (1) wobei Po der Atmosphärendruck (Pa) außerhalb einer Kammer (11) ist, E der Innendruck (Pa) der Kammer (11) ist, F die Fließgeschwindigkeit (m³/Sekunde) der Kammer (11) mit einem Druck Po (Pa) des bei Raumtemperatur zugeführten Inertgases ist und A die Querschnittfläche (m²) des Abstands zwischen dem gewölbten Teil (41) und dem Siliciumeinkristallstab (25) ist.