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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Siliciumeinkristalls. Sie bezieht sich insbesondere auf ein
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls unter Verwendung
eines Siliciumimpfkristalls, der zum Ausziehen eines Siliciumeinkristalls
mit einem großen
Durchmesser und einem hohen Gewicht nach dem Czochralski-Verfahren
(CZ-Verfahren) verwendet
wird.
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2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Bei
der Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach dem CZ-Verfahren
wird ein Impfkristall, hergestellt aus einem Siliciumeinkristall,
mit einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze in Kontakt gebracht
und dann langsam hochgezogen, während
diese rotiert, wodurch ein Einkristall-Block gezüchtet wird.
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Bei
dem CZ-Verfahren treten dann, wenn ein Impfkristall mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze in
Kontakt gebracht wird, durch den Wärmeschock in dem Impfkristall
Slip-Dislokationen (gleitende Verschiebungsbewegungen) in hoher
Dichte auf.
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Üblicherweise
wurde bisher das folgende Verfahren angewendet: um die Dislokationen
eliminieren, die sich von den Slip-Dislokationen auf einen zu züchtenden
Einkristall ausbreiten, wird eine Halsbildungsstufe durchgeführt, bei
der ein Hals mit einem auf etwa 3 mm verminderten Durchmesser gebildet
wird, und dann wird der Einkristall in seiner Größe bis auf einen vorgeschriebenen
Durchmesser vergrößert. Als
Folge davon wird ein dislokationsfreier Siliciumeinkristall ausgezogen.
Diese Halsbildung bei dem Impfkristall ist allgemein bekannt als
Dash Necking-Verfahren, das zu einem üblichen Verfahren bei der Herstellung
eines Siliciumeinkristalls nach dem CZ-Verfahren geworden ist.
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Ein
wie vorbeschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls
ist aus der
DE 198 47 695 bekannt.
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Bei
dem Dash Necking-Verfahren reicht jedoch die Festigkeit nicht aus,
um den Einkristall-Block mit höherem
Gewicht bei dem jüngsten
Trend zur Vergrößerung des
Durchmessers eines Siliciumeinkristalls zu tragen. Dies kann zu
einem schwerwiegenden Unfall, beispielsweise zum Herabfallen des
Einkristall-Blockes als Folge eines Bruches des Halses, bei dem
Verfahren zum Ausziehen des Einkristall-Blockes führen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls mit einem großem Durchmesser
und einem höherem
Gewicht wird in der
US 6,090,198 offenbart.
Das Verfahren sieht ein Ziehen eines Siliciumeinkristalls mit einem
kurzen Dünnhals
oder keinem Dünnhals
vor.
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Angesichts
dieser Umstände
wurden verschiedene Studien durchgeführt, um einen dicken Hals zu
bilden durch Verwendung eines Impfkristalls mit einem großen Durchmesser.
Dabei ist jedoch das folgende Problem aufgetreten: je größer der
Durchmesser des Impfkristalls ist, umso größer wird die Wärmekapazität in dem
Spitzenabschnitt des Impfkristalls, der mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
in Kontakt steht. Aus diesem Grund wird in dem Augenblick, in dem
der Impfkristall mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze in Kontakt
kommt, in dem Impfkristall plötzlich
eine Temperaturdifferenz erzeugt. Diese bewirkt, dass das Auftreten
von Slip-Dislokationen (gleitenden Verschiebungsbewegungen) in hoher
Dichte wahrscheinlicher wird.
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Als
Antwort auf dieses Problem wurde eine Ausführungsform des Verfahrens gefunden,
bei der ein Impfkristall auf einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
thermisch isoliert oder erhitzt wird, wodurch die anfängliche
Dislokationsdichte vermindert wird, oder es wird die Gestalt des
Impfkristalls verändert,
wodurch der Wärmschock
beim Kontakt mit der Schmelze vermindert wird, wie beispielsweise
in
JP-A-8-319 192 oder
JP-A-10-203 898 beschrieben.
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Es
ist außerdem
ein Verfahren bekannt, bei dem ein Impfkristall mit Bor (B) oder
Germanium (Ge) in einer hohen Konzentration dotiert wird, um dadurch
die Slip-Dislokationen, die beim Kontakt des Impfkristalls mit der
Schmelze auftreten, zu vermindern, wie beispielsweise in
JP-A-4-139 092 oder
JP-A-2001-199 789 beschrieben.
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Bei
einem solchen Verfahren der thermischen Isolierung oder des Erhitzens
eines Impfkristalls, wie in
JP-8-319
192 beschrieben, oder bei einem Verfahren, bei dem ein
Impfkristall mit einer spezifischen Gestalt verwendet wird, wie
in
JP-10-203 898 beschrieben,
gibt es jedoch eine Einschränkung
in Bezug auf die Dicke des Halses. Daher ist das Verfahren nicht
zufriedenstellend anwendbar auf die Herstellung eines Einkristall-Blockes,
der einen großen
Durchmesser und ein hohes Gewicht hat, und es kann auch nicht immer
gesagt werden, dass der Grad der Dislokationsfreiheit ausreichend
groß ist.
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Bei
einem solchen Verfahren, bei dem ein mit B dotierter Impfkristall
verwendet wird, wie in
JP-4-139 092 beschrieben,
wird B, das eine Verunreinigung darstellt, zur Änderung des spezifischen elektrischen
Widerstandes des Kristalls zugesetzt. Aus diesem Grund kann das
Verfahren unglücklicherweise
nicht für
andere Zwecke als zur Herstellung eines Kristalls mit einem niedrigen
spezifischen elektrischen Widerstand angewendet werden.
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Außerdem ist
ein Verfahren, bei dem ein mit Ge dotierter Impfkristall verwendet
wird, wie in
JP 2001-199
789 beschrieben, zwar geeignet zur Herstellung eines mit
Ge dotierten Siliciumeinkristalls oder eines Si/Ge-Mischkristalls,
es kann jedoch nicht angewendet werden zur Herstellung eines hochreinen
Siliciumeinkristalls, für
den das Zumischen von Ge nicht bevorzugt ist.
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Es
bestand daher ein Bedarf für
ein Verfahren, mit dem ein dicker und kurzer Hals auf einfache Weise gezüchtet werden
kann, ohne dass ein Impfkristall einer spezifischen Gestalt oder
ein solcher verwendet wird, der mit einer spezifischen Verunreinigung
in hoher Konzentration dotiert ist, wie vorstehend beschrieben.
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Angesichts
dieser Umstände
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Studie über das nachstehend
beschriebene Verfahren durchgeführt.
Zum Züchten
eines Siliciumeinkristall-Blockes entsprechend dem heutigen Trend
zu einem größeren Durchmesser
und einem höheren
Gewicht wird ein dicker und kurzer Hals, der das gesamte Gewicht
des Einkristalls nur durch einen Impfkristall und einen aus dem
Impfkristall gezogenen Hals tragen kann, gezüchtet, ohne von einer Maßnahme zur
thermischen Isolierung oder zum Erhitzen des Impfkristalls abzuhängen, oder
ohne Verwendung eines Impfkristalls, der mit einer Verunreinigung
in hoher Konzentration dotiert ist, die zu einer Mischung mit einer übermäßig hohen
Verunreinigung führt,
oder eines Impfkristalls mit einer spezifischen Gestalt, der nicht
wiederholt verwendet werden kann. Dabei wurde die vorliegende Erfindung
gefunden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung wurde entwickelt, um das oben genannte technische Problem
zu lösen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Siliciumimpfkristall
bereitzustellen, der das Auftreten von Dislokationen in einem Einkristall,
der durch Züchten
eines Siliciumeinkristalls durch Ausziehen nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt
werden soll, unterdrücken
kann.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung eines Siliciumeinkristalls anzugeben, bei dem ein kurzer
und dicker Hals in einem dislokationsfreien Zustand gebildet wird
unter Verwendung des Impfkristalls, wodurch die Produktivität bei der
Herstellung eines Einkristall-Blockes mit einem großen Durchmesser
und einem hohen Gewicht verbessert wird.
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Die
vorgenannten Ziele werden mit einem Verfahren zur Herstellung eines
Siliciumeinkristalls gemäß Patentanspruch
1 und Patentanspruch 2 gelöst.
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Bei
dem Verfahren nach Patentanspruch 1, in dem ein solcher Siliciumeinkristall,
der keine Leerstellenüberschuss-Region
enthält,
als Impfkristall verwendet wird, wird das Auftreten von Slip-Dislokationen
(gleitenden Verschiebungsbewegungen) beim Kontakt des Impfkristalls
mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze und während des Hals-Wachstums unterdrückt. Der
Impfkristall ist weiterhin eine defektfreie Region, die keine interstitielle
Siliciumüberschussregion
und keine Ring-OSF-Region enthält,
wodurch das Auftreten von Slip-Dislokationen noch weiter vermindert
wird. Aus diesem Grund ist es möglich,
einen dicken und kurzen Hals in einem dislokationsfreien Zustand
zu züchten,
woraus eine Zunahme der mechanischen Festigkeit des Halses resultiert.
Dadurch ist es möglich,
den Anforderungen in zufriedenstellender Weise zu genügen, die durch
den Trend hervorgerufen werden, den Durchmesser eines Einkristall-Blockes
zu vergrößern und
sein Gewicht zu erhöhen.
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Die
hier angesprochene Leerstellenüberschuss-Region
wird auch als V-reiche Region bezeichnet, bei der es sich um eine
Region handelt, in der eine große
Anzahl von eingewachsenen Defekten vom Void(Leerstellen)-Typ vorhanden
sind als Folge des Fehlens von Siliciumatomen.
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Die
interstitielle Silicium-Überschussregion
wird auch als I-reiche Region bezeichnet, bei der es sich um eine
Region handelt, in der eine große
Anzahl von Defekten, wie z. B. Dislokations-Kluster, vorhanden sind als
Folge der Dislokationen, die auftreten aufgrund der Anwesenheit
einer überschüssigen Menge
an Siliciumatomen.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls gemäß Patentanspruch
2 wird ein Impfkristall verwendet, der keine Leerstellen-Überschussregion aufweist, und
eine defektfreie Region ist, die keine interstitielle Silicium-Überschussregion
und keine Ring-OSF-Region aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Hals, der ein Siliciumeinkristall aus einer defektfreien
Region ist, die keine Leerstellen-Überschussregion aufweist und
die auch keine interstitielle Silicium-Überschussregion und keine Ring-OSF-Region aufweist,
mit einem Durchmesser, der kleiner als oder gleich demjenigen der
Kontaktoberfläche
des Siliciumimpfkristalls ist, die mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
in Kontakt steht, gezüchtet
und eine Halsbildung durchgeführt,
so dass die Länge
L des Halses der Bedingung genügt
L = d·(cot Ψ), worin
d steht für
die Länge
des Durchmessers oder der Diagonalen der Kontaktoberfläche des
Siliciumimpfkristalls, der mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
in Kontakt steht, und Ψ steht
für den
Winkel, der zwischen der Ausbreitungsrichtung der Dislokationen
und der Wachstumsrichtung des Halses gebildet wird Anschließend wird
der Siliciumeinkristall mit erweitertem Durchmesser gezüchtet.
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Durch
das Herstellungsverfahren kann nicht nur das Auftreten von Dislokationen
als Folge eines Wärmeschocks
an der Kontaktoberfläche
zwischen dem Impfkristall und der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze unterdrückt werden,
sondern es kann auch das weitere Auftreten von Dislokationen während des
Wachsens des Halses unterdrückt
werden. Außerdem
werden selbst dann, wenn die Dislokationen als Folge des Wärmeschocks
in geringfügigem
Umfang verbleiben, die Dislokationen auch daran gehindert, sich
auszubreiten und sie werden wirksam während des Wachsens des Halses
eliminiert. Dies kann dazu führen,
dass der Einkristall in einem dislokationsfreien Zustand gezüchtet wird
(wächst).
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Der
verkleinerte Durchmesser oder der gleiche Durchmesser, auf den hier
Bezug genommen wird, bezeichnet den Durchmesser des Halses, wenn
der Hals aus dem Impfkristall gezüchtet wird. Der Halsdurchmesser
wird hier als ver kleinerter Durchmesser bezeichnet, wenn er im verkleinerten
Zustand kleiner ist als der Kristalldurchmesser an der Kontaktoberfläche zwischen
der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze und dem Impfkristall. Der
Halsdurchmesser wird hier als gleicher Durchmesser bezeichnet, wenn
er etwa gleich dem Kristalldurchmesser an der Kontaktoberfläche ist.
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Durch
Bildung nicht nur des Impfkristalls, sondern auch des Halses mit
einer defektfreien Region, wird es möglich, leicht einen dicken
und kurzen Hals zu bilden. Dadurch können auch die Slip-Dislokationen
zuverlässig
eliminiert werden, die in geringer Dichte auftreten. Aus diesem
Grund ist es möglich,
einen dislokationsfreien Siliciumeinkristall zu züchten entsprechend
dem heutigen Trend zur Vergrößerung des
Durchmessers und zur Erhöhung
des Gewichtes.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist es durch Verwendung des erfindungsgemäßen Einkristalls
möglich, das
Auftreten von Slip-Dislokationen beim Kontakt zwischen einem Impfkristall
und einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze beim Einkristallziehen
nach der Czochralski-Methode zu unterdrücken.
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Außerdem ist
es möglich,
einen dislokationsfreien Zustand in einem dicken und kurzen Hals
ohne Verwendung einer Einrichtung zum thermischen Isolieren oder
Erhitzen des Impfkristalls, die zu einer komplizierten Konfiguration
der Vorrichtung führt,
und ohne Zugabe von überschüssigen Verunreinigungen,
wie z. B. B und Ge, zu realisieren.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls ist es möglich, auf wirksame
Weise einen dislokationsfreien Einkristall zu züchten.
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Daher
ist es mit dem Verfahren möglich,
auf zufriedenstellende Weise den Anforderungen an das Züchten eines
Siliciumeinkristall-Blockes mit einem auf 200 mm (8 inches) bis
400 mm (16 inches) oder mehr vergrößerten Durchmesser und einem
höheren
Gewicht zu genügen.
Das Verfahren kann daher zu einer Verbesserung der Produktivität, der Ausbeute
und der Herstellungskosten für
einen dislokationsfreien Siliciumeinkristall beitragen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die 1 stellt
eine schematische Querschnittsansicht dar, welche die Beziehung
zwischen dem V/G-Wert und der Punktdefektverteilung in einem Siliciumeinkristall-Block
zeigt.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Nachstehend
wird die Erfindung mehr im Einzelnen beschrieben. Ein Siliciumimpfkristall
für die
Verwendung beim Ausziehen eines Siliciumeinkristalls nach der Czochralski-Methode,
weist eine Kontaktoberfläche
mit einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze auf, wobei mindestens
die Kontaktoberfläche
ein Siliciumeinkristall ist, der keine Leerstellen-Überschussregion
enthält.
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Durch
Verwendung eines Siliciumeinkristalls, der keine Leerstellen-Überschussregion
enthält,
als Impfkristall ist es somit möglich,
die Festigkeit des Impfkristalls zu verbessern. Wenn beispielsweise
der Impfkristall eine Festigkeit aufweist, die größer als
oder gleich derjenigen der thermischen Spannungen ist, die in dem
Augenblick erzeugt werden, wenn der Impfkristall mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
in Kontakt gekommen ist, kann er mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
in Kontakt gebracht werden, ohne dass Slip-Dislokationen erzeugt
werden.
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Außerdem wird
das Auftreten der Slip-Dislokationen auch während des Eintauchens in die
Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze unterdrückt.
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Da
der Impfkristall keine Leerstellen-Überschussregion enthält, unterdrückt er das
Auftreten von Slip-Dislokationen beim Kontakt des Impfkristalls
mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze und erlaubt die wirksame
Eliminierung von Slip-Dislokationen selbst bei einem dicken und
kurzen Hals. Das weitere Auf treten einer Slip-Dislokation während des
Halswachstums wird somit ebenfalls unterdrückt.
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Daher
ist es möglich,
einen dicken und kurzen Hals in einem dislokationsfreien Zustand
zu züchten, was
zu einer Zunahme der mechanischen Festigkeit des Halses führt, die
den Anforderungen bei dem heutigen Trend nach einer Erhöhung des
Durchmessers und einer Erhöhung
des Gewichtes eines Siliciumeinkristall-Blockes genügt.
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Es
ist nämlich
bekannt, dass das Verhältnis
V/G zwischen der Ziehgeschwindigkeit V und dem Temperaturgradienten
G an einer gezogenen Kristall-Schmelze-Grenzfläche beim
Ausziehen eines Siliciumeinkristalls den Typ und die Konzentration
des Punktdefekts (der atomaren Fehlstelle) bestimmen kann.
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Daher
ist es durch Kontrolle bzw. Steuerung der Ziehgeschwindigkeit V
in Abhängigkeit
von G der durch die Konfiguration einer heißen Zone bestimmt wird, möglich, einen
Einkristall zu züchten,
der keine Leerstellen-Überschussregion
enthält,
und es ist auch möglich,
das Auftreten von Leer- bzw. Fehlstellen (Voids) zu unterdrücken.
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In
einem Siliciumeinkristall ist es nämlich möglich, die Leerstellen-Konzentration
zu kontrollieren (zu steuern) und die Bildung von Leerstellen, die
als Agglomerationsdefekte angesehen werden, während des Züchtens (Wachsens) des Einkristalls
leicht zu unterdrücken,
ohne dass es erforderlich ist unnötige Verunreinigungen zuzugeben.
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Die 1 zeigt
in schematischer Form die Beziehung zwischen dem V/G-Wert und der
Punktdefekt-Verteilung in dem Einkristall-Block.
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Wie
in 1 dargestellt, nimmt dann, wenn die Ziehgeschwindigkeit
eines Einkristall-Blockes 1 von einer Kopf-Seite 3 in
Richtung auf eine Schwanz-Seite 4 nach dem Züchten eines
Halses 2 allmählich
abnimmt, auch der V/G-Wert ab.
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Damit
verändert
sich auch die Punktdefekt-Verteilung in dem Einkristall-Block 1.
Die Änderung
von G in dieser Stufe ist gering.
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Wenn
die Ziehgeschwindigkeit groß ist,
d. h. wenn der V/G-Wert hoch ist, wird eine Leerstellen-Überschussregion 5 gebildet
und die Leerstellen agglomerieren sich unter Bildung von Leer- bzw.
Fehlstellen-Defekten.
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Wenn
der V/G-Wert kleiner als oder gleich dem kritischen V/G-Wert ist,
bei dem die Leerstellen-Überschussregion 5 verschwindet,
wird zuerst eine Ring-OSF-Region 6 gebildet
und dann wird eine defektfreie Region 7 gebildet als Folge
des Gleichgewichts zwischen den Leerstellen(Void)- und interstitiellen
Silicium-Konzentrationen.
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Wenn
der V/G-Wert weiter abnimmt, wird eine interstitielle Silicium-Überschussregion 8 gebildet
und es werden interstitielle Silicium-Agglomerationsdefekte gebildet.
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Üblicherweise
wurde bisher ein solcher Kristall aus der Leerstellen-Überschussregion,
der mit einer üblichen
Ziehgeschwindigkeit wie vorstehend beschrieben gezüchtet wurde,
als Impfkristall verwendet. Der Kristall der Region, die keine Leerstellen-Überschussregion
enthält,
bei der es sich um einen mit niedriger Geschwindigkeit gezogenen
Kristall handelt, der eine verschlechterte Produktivität aufweist,
wurde bisher nicht bewusst als Impfkristall verwendet.
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Im
Gegensatz dazu ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der
Siliciumeinkristall, der keine Leerstellen-Überschussregion enthält, der
einen ausgezeichneten Unterdrückungseffekt
in Bezug auf das Auftreten von Dislokationen hat, als Impfkristall
verwendet wird, der eine defektfreie Region ist, die keine keine interstitielle
Silicium-Überschussregionund
keine Ring-OSF-Region
enthält.
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In
dem Siliciumimpfkristall muss nicht notwendigerweise der gesamte
Impfkristall ein Einkristall sein, der keine Leerstellen-Überschussregion
enthält
und eine de fektfreie Region ist, die keine interstitielle Silicium-Überschussregion
und keine Ring-OSF-Region enthält.
Die oben genannten Effekte können
in zufriedenstellender Weise erzielt werden, so lange mindestens
die Kontaktoberfläche
zwischen der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze diejenige ist, die
keine Leerstellen-Überschussregion
enthält
und eine defektfreie Region ist, die keine interstitielle Silicium-Überschussregion
und keine Ring-OSF-Region enthält.
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Durch
Verwendung des Silicium-Einkristalls aus einer defektfreien Region
als Impfkristall kann somit die mechanische Festigkeit des Impfkristalls
weiter erhöht
werden. Dadurch ist es möglich,
Slip-Dislokationen noch stärker
zu verringern.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls
durch Ausziehen eines Einkristalls unter Anwendung der Czochralski-Methode,
bei dem durch Verwendung eines Impfkristalls, der keine Leerstellen-Überschussregion enthält, und
eine defektfreie Region ist, die keine interstitielle Silicium-Überschussregion
und keine Ring-OSF-Region aufweist, ein Hals, der einen Siliciumeinkristall
aus einer defektfreien Region ist, die keine Leerstellen-Überschussregion
enthält,
und die keine interstitielle Silicium-Überschussregion
und keine Ring-OSF-Region aufweist, mit einem verkleinerten Durchmesser
gezüchtet
wird, der kleiner als oder gleich demjenigen der Kontaktoberfläche zwischen
dem Siliciumimpfkristall und einer Ausgangsmaterialschmelze ist.
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Außerdem wird
die Halsbildung so durchgeführt,
dass die Länge
L des Halses der Beziehung genügt L
= d·(cot Ψ), worin
d die Länge
des Durchmessers oder der Diagonalen der Kontaktoberfläche zwischen
dem Siliciumimpfkristall und der damit in Kontakt stehenden Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
ist und Ψ den Winkel
bezeichnet, der zwischen der Ausbreitungsrichtung der Dislokationen
und der Wachstumsrichtung des Halses gebildet wird, und dann züchtet man
den Siliciumeinkristall mit dem erweiterten Durchmesser.
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Durch
Durchführung
der Halsbildung unter Verwendung eines Siliciumeinkristalls, der
keine Leestellen-Überschussregion
enthält,
als Impfkristall ist es möglich,
das Auftreten von Slip-Dislokationen (gleitenden Fehlverschiebungen)
zu verringern, was zu einer Erhöhung
der mechanischen Festigkeit des Einkristalls führt. Dadurch ist die Bildung
eines dickeren und kürzeren
Halses als in dem verwandten Stand der Technik möglich.
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Außerdem ist
es durch Züchten
eines Halses, der einen Siliciumeinkristall umfasst, der keine Leerstellen-Überschussregion
enthält,
möglich,
nicht nur das Auftreten von Dislokationen als Folge eines Wärmeschocks
an der Kontaktoberfläche
zwischen dem Impfkristall und der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze, sondern
auch ein weiteres Auftreten von Dislokationen während des Hals-Wachstums zu
unterdrücken.
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Selbst
wenn die Dislokationen als Folge des Wärmeschocks geringfügig verbleiben,
können
außerdem
die Dislokationen daran gehindert werden, sich auszubreiten und
sie können
während
des Züchtens (Wachsens)
des Halses wirksam eliminiert werden.
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Aus
diesem Grund wird es möglich,
leicht einen dicken und kurzen Hals zu bilden. Daher können selbst
dann, wenn Slip-Dislokationen auftreten, diese zuverlässig eliminiert
werden. Dies ermöglicht
das Züchten
eines dislokationsfreien Einkristalls entsprechend dem heutigen
Trend nach Vergrößerung des
Durchmessers und Erhöhung
des Gewichtes desselben.
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Durch
Bildung nicht nur des Einkristalls, sondern auch des Halses mit
einer defektfreien Region wird es dadurch möglich, Slip-Dislokationen,
die in geringer Dichte auftreten, zuverlässig zu eliminieren.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist es zur Realisierung des dislokationsfreien
Zustandes eines Einkristalls höchst
wirksam, einen Hals aus einer defektfreien Region unter Verwendung
eines Impfkristalls aus einer defektfreien Region zu züchten. Erfindungsgemäß wird ein
Einkristall mit einer defektfreien Region, die keine Leerstellen-Überschussregion
aufweist und die keine Ring-OSF-Region
und keine interstitielle Silicium-Überschussregion enthält, gezogen
(gezüchtet).
Auf diese Weise wird ein Impfkristall erhalten durch Behandlung des
Einkristalls, so dass nur die Kontaktoberfläche desselben mit einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze zu
einer defektfreien Region wird. Wenn der resultierende Impfkristall
verwendet wird, ist es möglich,
auf zufriedenstellende Weise den oben genannten Effekt zu erzielen.
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Der
V/G-Wert, der einen Kristall aus einer defektfreien Region ergibt,
ist auf einen sehr engen Bereich beschränkt. Aus diesem Grund ist es
schwierig, den Siliciumeinkristall für einen Impfkristall mit einer
guten Produktivität
auszuziehen, sodass die gesamte Region eine defektfreie Region ist.
Von diesem Standpunkt aus betrachtet und auch vom Standpunkt der
Produktionsausbeute aus betrachtet ist es bevorzugt, einen Impfkristall
zu verwenden, der so behandelt worden ist, dass er nur die Leerstellen-Überschussregion,
wie vorstehend beschrieben, nicht enthält.
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Bei
der Halsbildung ist es bevorzugt, dass die Länge L des Halses der Bedingung
genügt
L = d·(cot Ψ), worin
d steht für
die Länge
des Durchmessers oder der Diagonalen der Kontaktoberfläche zwischen
dem Siliciumimpfkristall und einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze,
und Ψ steht
für den
Winkel, der gebildet wird zwischen der Ausbreitungsrichtung der
Dislokationen und der Wachstumsrichtung (Züchtungsrichtung) des Halses.
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Wenn
die Halslänge
L der oben genannten Bedingung genügt, ist es selbst für den Fall,
dass Dislokationen induziert werden durch eine Störung an
Tripelpunkten des Kristall-Schmelze-Atmosphärengases (Feststoff-Flüssigkeit-Gas)
in der äußeren Periphererie
der Kontaktgrenzfläche
zwischen dem Impfkristall und der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
möglich,
die Dislokationen leicht aus dem Hals zu eliminieren.
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Wenn
keine Ausbreitung einer Dislokation, ausgehend von dem Impfkristall,
vorliegt, kann die Halslänge
Null betragen, d. h. es ist auch akzeptabel, dass kein Hals vorhanden
ist.
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Die
Gestalt des Impfkristalls unterliegt keiner speziellen Beschränkung. Die
Form der Kontaktoberfläche
zwischen dem Impfkristall und der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
kann entweder kreisförmig
oder polygonal sein. d kann als Durchmesser eines Kreises angesehen
werden und es kann als Diagonal-Länge als Index
für ein
Polygon angesehen werden.
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Selbst
wenn die Form der Kontaktoberfläche
zwischen dem Impfkristall und der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
irgendeine dieser Formen ist, wird in der Halsbildungsstufe vorzugsweise
ein Hals mit einem Durchmesser gebildet, der kleiner ist oder gleich
ist demjenigen der Kontaktfläche,
bis er mindestens bis zu der kritischen Halslänge Lc gewachsen ist. Dadurch
kann ein weiteres Auftreten von Dislokationen bei der Halsbildung
zuverlässig
unterdrückt
werden.
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Für den Fall,
dass der Durchmesser ab dem Zeitpunkt, zu dem der Kristall ein Impfkristall
ist, der mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze in Kontakt kommt,
vergrößert wird,
werden die Dislokationen mehr an den Tripelpunkten konzentriert.
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Wenn
der Durchmesser bei einer Halslänge
von weniger als Lc vergrößert wird,
werden die noch nicht vollständig
entfernten Dislokationen in das Innere des Halses eingebaut als
Folge von Schwankungen der Gestalt an der Halswachstumsebene.
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Wenn
die Halslänge
L auf einen zu großen
Wert eingestellt wird, wie vorstehend angegeben, muss der V/G-Wert
auf einen kleinen Wert eingestellt werden, was eine Einschränkung in
Bezug auf die Halsbildungsrate mit sich bringt. Wenn sich Dislokationen
ab dem Impfkristall bis zu dem Hals ausgebreitet haben, ist es schwierig,
die Dislokationen in der Halsbildungsstufe zu eliminieren.
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Es
ist daher auch vom Standpunkt der Beziehung zwischen der Festigkeit,
und der Halslänge
L aus betrachtet unerwünscht,
die Halslänge
extrem größer zu machen
als die kritische Halslänge
Lc.
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Außerdem ist
es bevorzugt, dass der minimale Durchmesser des Halses auf 6 mm
oder mehr eingestellt wird, um eine zufriedenstellende Halsfestigkeit
zu erzielen und das Wachsen eines dicken und kurzen Halses bei der
Halsbildung zu gewährleisten.
Der Durchmesser des Halses kann erforderlichenfalls bis auf den Durchmesser,
den der Impfkristall hat, vergrößert werden.
Dadurch ist das Züchten
(Wachsenlassen) eines dislokationsfreien Einkristalls entsprechend
dem Trend zur Vergrößerung des
Durchmessers und zur Erhöhung
des Gewichtes möglich.
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Es
braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, dass das oben genannte
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumimpfkristalls und eines
Siliciumeinkristalls gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht auf das konventionelle Czochralski-Verfahren beschränkt ist,
sondern in entsprechender Weise auch anwendbar ist auf ein MCZ-Verfahren
(ein Magnetfeld-CZ-Verfahren), bei dem ein Magnetfeld während des
Ausziehns eines Silicium-Einkristalls angelegt wird.
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Der
im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Ausdruck "Czochralski-Methode
bzw. -Verfahren" umfasst
auch das MCZ-Verfahren.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand einiger spezifischer Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1
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Ein
Siliciumeinkristall-Block wurde gezüchtet (ausgezogen) durch Anwendung
einer heißen
Zone zum Ausziehen eines Kristalls mit einem Durchmesser von 15,24
cm (6 inches) und durch Kontrollieren bzw. Einstellen der Ausziehgeschwindigkeit,
sodass etwa die Mitte des Blockes zu einer defektfreien Region wurde.
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Aus
diesem Block wurden zylindrische Proben mit einem Durchmesser von
jeweils 12,7 mm entnommen, um dadurch 20 Impfkristalle herzustellen,
in de nen jeweils die Kontaktoberfläche gegenüber einer Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
eine defektfreie Region war.
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Jeder
Impfkristall wurde mit der Oberfläche der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze
in Kontakt gebracht und dann bei einem minimalen Durchmesser von
8 mm bei einer Ausziehgeschwindigkeit von 4 bis 5 mm/min gehalten,
um einen 100 mm langen Hals zu züchten.
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Anschließend wurde
die Ausziehgeschwindigkeit auf 1,5 mm/min vermindert und der Durchmesser wurde
auf 150 mm vergrößert, um
dadurch einen Einkristall-Block auszuziehen.
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Jeder
resultierende Einkristall-Block wurde in Bezug auf die Dislokationsfreiheitsrate
bewertet.
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Das
Profil in der Nähe
der Grenzfläche
zwischen dem Impfkristall und dem Hals wurde durch Röntgenstrahltopografie
betrachtet, um dadurch den Grad des Auftretens von Slip-Dislokationen
auf der Impfkristallseite zu bestimmen. Diese Ergebnisse sind in
der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.
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Bei
der hier angegebenen Dislokationsfreiheitsrate (in %) handelt es
sich um den Wert, der den Anteil der Anzahl von Blöcken angibt,
in denen keine Dislokation auftrat, bezogen auf die Anzahl (20)
der ausgezogenen Einkristall-Blöcke. Das
gleiche gilt für
die nachstehenden Angaben.
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Vergleichsbeispiele 1 und 2
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Unter
den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1, mit Ausnahme der Kontrolle
nur der Ausziehrate, wurden Siliciumeinkristall-Blöcke so gezüchtet, dass
etwa die Mitte der Blöcke
zu einer Ring-OSF-Region (Vergleichsbeispiel 1) bzw. einer interstitiellen
Silicium-Überschussregion
(Vergleichsbeispiel 2) wurde.
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Aus
den Blöcken
wurden zylindrische Proben mit einem Durchmesser von jeweils 12,7
mm entnommen, um dadurch 20 Impfkristall herzustellen, deren Kontaktoberflächen gegenüber der
Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze eine Ring-OSF-Region (Vergleichsbeispiels
1) bzw. eine interstitielle Silicium-Überschussregion
(Vergleichsbeispiel 2) war. Durch Verwendung dieser Impfkristalle
wurde jeder Einkristall-Block ausgezogen für die Bewertung der Dislokationsfreiheitsrate
und den Grad des Auftretens von Slip-Dislokationen auf der Impfkristallseite
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in
der Tabelle 1 angegeben.
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Vergleichsbeispiel 3
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Unter
den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Siliciumeinkristall
so gezüchtet,
dass etwa die Mitte des Blockes zu einer Leerstellen-Überschussregion
wurde.
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Aus
dem Block wurde eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von
12,7 mm entnommen zur Herstellung von 20 Impfkristallen, deren jeweilige
Kontaktoberfläche
mit der Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze eine Leerstellen-Überschussregion
war. Unter Verwendung dieser Impfkristalle wurde jeder Einkristall-Block
ausgezogen und bewertet in Bezug auf die Dislokationsfreiheitsrate
und in Bezug auf den Grad des Auftretens einer Slip-Dislokation
auf der Impfkristallseite auf die gleiche Weise wie in Beispiel
1. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
| | Defekt-Region
in dem Impfkristall | Dislokationsfreiheitsrate (%) | Grad
des Auftretens einer Slip-Dislokation auf der Impfkristallseite
(%) |
| Beispiel
1 | defektfrei | 70 | 0 |
| Vergleichsbeispiel
1 | Ring-OSF | 50 | 30 |
| Vergleichsbeispiel
2 | interstitieller
Siliciumüberschuss | 60 | 20 |
| Vergleichsbeispiel
3 | Leerstellen-Überschuss | 0 | 100 |
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Wie
in der Tabelle 1 angegeben, wurden die folgenden Fakten beobachtet:
obgleich die Einkristall-Auszieh-Arbeitsgänge unter den gleichen Bedingungen
durchgeführt
wurden, war die Dislokationsfreiheitsrate 0% für den Fall, dass ein Impfkristall
mit einer Leerstellen-Überschussregion
verwendet wurde (Vergleichsbeispiel 3). Dagegen war die Dislokationsfreiheitsrate
am höchsten
für den
Fall, in dem ein Impfkristall mit einer defektfreien Region verwendet
wurde (Beispiel 1).
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Wenn
Impfkristalle mit einer Ring-OSF-Region, einer interstitiellen Siliciumüberschussregion
und einer Leerstellen-Überschussregion
verwendet wurden (Vergleichsbeispiel 1 bis 3), traten in jedem Fall
auf der Impfkristall-Seite Slips (Verschiebungen) auf. Dagegen wurden
bei dem anderen Impfkristall (Beispiel 1) die Slips offensichtlich
komplett daran gehindert, aufzutreten.
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Für den Impfkristall,
der keine Leerstellen-Überschussregion
aufwies und defektfreie Region war, die keine Ring-OSF-Region und
keine interstitielle Siliciumüberschussregion
enthielt (Beispiel 1), kann angenommen werden, dass die Wärmeschockbeständigkeit
verbessert war gegenüber
dem Fall, bei dem eine Verunreinigung, wie z. B. B als Dotierung
in einer hohen Konzentration verwendet wurde.
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Beispiele 2 bis 4
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Unter
Verwendung von Impfkristallen, die jeweils eine defektfreie Region
aufwiesen und auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt
worden waren, wurde eine Halsbildung, sodass die jeweiligen Hälse eine
Ring-OSF-Region (Beispiel 2), eine defektfreie Region (Beispiel
3) und eine interstitielle Silicium-Überschussregion
(Beispiel 4) aufwiesen, auf die gleiche Weise wie in Bei spiel 1
durchgeführt,
jedoch mit der Ausnahme, dass nur die Ausziehrate kontrolliert bzw.
gesteuert wurde.
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Bei
der Halsbildung wurde jeder Impfkristall mit der Oberfläche der
Ausgangsmaterial-Siliciumschmelze in Kontakt gebracht und dann bei
einem minimalen Durchmesser von 8 mm bei einer Ziehgeschwindigkeit von
0,7 bis 0,3 mm/min gehalten, wodurch ein Hals mit einer Länge von
20 mm gezüchtet
wurde.
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Danach
wurde die Ziehgeschwindigkeit auf 1,5 mm/min erhöht und der Durchmesser wurde
auf 150 mm vergrößert, um
dadurch jeden Einkristall-Block auszuziehen.
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Jeder
resultierende Einkristall-Block wurde in Bezug auf seine Dislokationsfreiheitsrate
bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben.
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Wie
in der Tabelle 2 dargestellt, liegt die Defektregion in dem Hals
im Zustand einer Mischung aus einer defektfreien Region und einer
Mischung aus einer Ring-OSF/defektfreien Region oder in Form einer
gemischten interstitiellen Silicium-Überschuss/defektfreien Region
vor. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
für die
Halsbildung unter Anwendung eines Ausziehens mit niedriger Geschwindigkeit
in einer Region in einer Tiefe von mehreren Millimetern ab dem äußeren Umfang
des Halses als Folge des Herausdiffundierens von Punktdefekten eine
defektfreie Region gebildet wird.
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Vergleichsbeispiele 4 bis 6
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Unter
Verwendung der Impfkristalle, die jeweils eine Ring-OSF-Region aufwiesen,
die auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt
worden waren, wurde eine Halsbildung so durchgeführt, dass die jeweiligen Hälse zu einer
Ring-OSF-Region (Vergleichsbeispiel 4), einer defektfreien Region
(Vergleichsbeispiel 5) und einer interstitiellen Silicium-Überschussregion
(Vergleichsbeispiel 6) wurden, auf die gleiche Weise wie in den
Beispielen 2 bis 4, jedoch mit der Ausnahme, dass nur die Ausziehgeschwindigkeit
kontrolliert bzw. gesteuert wurde. Dann wurden Einkristall-Blöcke ausgezogen.
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Jeder
resultierende Einkristall-Block wurde in Bezug auf seine Dislokationsfreiheitsrate
bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben.
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Vergleichsbeispiele 7 bis 9
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Unter
Verwendung der Impfkristalle, die jeweils eine interstitielle Silicium-Überschussregion aufwiesen und
auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 2 hergestellt worden
waren, wurde eine Halsbildung so durchgeführt, dass die jeweiligen Hälse zu einer
Ring-OSF-Region (Vergleichsbeispiel 7), einer defektfreien Region
(Vergleichsbeispiel 8) und einer interstitiellen Silicium-Überschussregion
(Vergleichsbeispiel 9) wurden, auf die gleiche Weise wie in den
Beispielen 2 bis 4, jedoch mit der Ausnahme, dass nur die Ausziehrate gesteuert
bzw. kontrolliert wurde. Dann wurden Einkristall-Blöcke ausgezogen.
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Jeder
resultierende Einkristall-Block wurde in Bezug auf seine Dislokationsfreiheitsrate
bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
| | defektfreie
Region in dem Impfkristall | defektfreie
Region in dem Hals | Dislokationsfreiheitsrate
(%) |
| Beispiel 2 | defektfrei | gemischte
Ring-OSF/defektfrei | 90 |
| defektfrei | 100 |
| Beispiel
3 |
| Beispiel
4 | gemischter
interstitieller Silicium-Überschuss/defektfrei | 90 |
| Vergleichsbeispiel
4 | Ring-OSF | gemischte Ring-OSF/defektfrei | 65 |
| Vergleichsbeispiel
5 | defektfrei | 70 |
| Vergleichsbeispiel 6 | gemischter
interstitieller Silicium-Überschuss/defektfrei | 65 |
| Vergleichsbeispiel 7 | interstitieller
Silicium-Überschuss | gemischte
Ring-OSF/defektfrei | 70 |
| Vergleichsbeispiel 8 | defektfrei | 80 |
| Vergleichsbeispiel 9 | gemischter
interstitieller Silicium-Überschuss/defektfrei | 70 |
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Wie
in der Tabelle 2 angegeben, hat sich gezeigt, dass im Unterschied
zu dem Fall, bei dem ein Impfkristall mit einer Leerstellen-Überschussregion
verwendet wurde (Vergleichsbeispiel 3), dislokationsfreie Wachstumseffekte
erzielbar sind auch für
jede beliebige Kombination von Impfkristallen mit anderen Defektregionen
und Hälsen
mit anderen Defektregionen.
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Zur
Verbesserung der Dislokationsfreiheitsrate und der Stabilität ist es
insbesondere bevorzugt, einen Hals zu züchten, der keine Leerstellen-Überschussregion
aufweist, durch Verwendung eines Impfkristalls aus einer defektfreien
Region. Insbesondere kann gesagt werden, dass die Kombination aus
einem Impfkristall mit einer defektfreien Region und einem Hals
mit einer defektfreien Region am besten geeignet ist.