DE102009024473A1

DE102009024473A1 - Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium

Info

Publication number: DE102009024473A1
Application number: DE102009024473A
Authority: DE
Inventors: Markus 84489 Bär
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: SG185993A1; US20100316551A1; KR101241523B1; JP5153828B2; CN101922041B; TWI424103B; KR20100132901A; DE102009024473B4; JP2010285342A; TW201043739A; CN101922041A; US8758506B2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium aus einer Schmelze, die in einem Tiegel enthalten ist, umfassend das Eintauchen eines Keimkristalls in die Schmelze; das Kristallisieren des Einkristalls am Keimkristall durch Anheben des Keimkristalls von der Schmelze mit einer Kristallhubgeschwindigkeit; das Erweitern eines Durchmessers des Einkristalls in einer, umfassend die Steuerung der Kristallhubgeschwindigkeit in einer Weise, dass im konusförmigen Abschnitt eine Krümmungsumkehr einer Wachstumsfront des Einkristalls bewirkt wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium aus einer Schmelze, die in einem Tiegel enthalten ist. Bei einem solchen Verfahren wird ein Keimkristall in die Schmelze getaucht und angehoben, wobei Material der Schmelze auf dem Keimkristall zu einem Einkristall kristallisiert. Nach einer Stabilisierungsphase werden zunächst ein Halsabschnitt (engl. „neck”) und später ein konusförmiger Abschnitt gezogen, wobei während des Ziehens des konusförmigen Abschnitts der Durchmesser des wachsenden Einkristalls auf einen Solldurchmesser erweitert wird. Die Schmelze enthält nicht nur Silizium, sondern üblicherweise auch einen oder mehrere Dotierstoffe, die im Gitter des Einkristalls aufgenommen werden sollen, um die elektrische Leitfähigkeit des Einkristalls zu bestimmen. Die Schmelze enthält darüber hinaus auch Sauerstoff, der aus dem Tiegelmaterial herausgelöst und teilweise vom Einkristall aufgenommen wird. Der im Einkristall enthaltene Sauerstoff hat vorteilhafte und nachteilige Wirkungen. Sauerstoff enthaltende Präzipitate, sogenannte BMD („engl. „bulk micro defects”), wirken als interne Getter, die metallische Verunreinigungen an sich binden und auf diese Weise davon abhalten können, die Funktionen elektronischer Bauelemente zu stören. Hohe Sauerstoff-Konzentrationen fördern andererseits auch die Bildung störender Stapelfehler, sogenannter OSF (engl. „oxidation induced stacking faults”). Man ist daher bestrebt, die Sauerstoff-Konzentration im Einkristall, ebenso wie die Konzentration von Dotierstoffen so zu kontrollieren, dass diese einen eng spezifizierten Konzentrationsbereich nicht verlassen, zumindest im Bereich des zur Herstellung von Halbleiterscheiben verwendeten zylindrischen Abschnittes des Einkristalls, der den Solldurchmesser hat und an den konusförmigen Abschnitt angrenzt.
Auf die Sauerstoff-Konzentration im Einkristall kann auf verschiedene Weise Einfluss genommen werden, zum Beispiel durch die Steuerung des Gasdruckes im Reaktor, durch die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der Inertgas durch den Reaktor geleitet wird, durch die Steuerung des Abstandes zwischen der Schmelzenoberfläche und dem unteren Ende eines den Einkristall umgebenden Hitzeschildes, durch die Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Einkristalls und des Tiegels, und durch die Steuerung der Stärke eines an die Schmelze angelegten Magnetfelds. Trotz der Anwendung solcher Steuerungsmaßnahmen bereitet es Probleme, die Sauerstoff-Konzentration von Anfang an, das heißt, bereits am Anfang des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls im spezifizierten Konzentrations-Bereich zu haben. Wenn die vom Anfang des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls erhaltenen Halbleiterscheiben die vom Kunden spezifizierte Sauerstoff-Konzentration nicht erreichen, bedeutet dies einen Ausbeuteverlust, der umso einschneidender ist, je größer der Durchmesser des Einkristalls ist und je kürzer dessen zylindrischer Abschnitt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe solche Ausbeuteverluste weitgehend reduziert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium aus einer Schmelze, die in einem Tiegel enthalten ist, umfassend
das Eintauchen eines Keimkristalls in die Schmelze;
das Kristallisieren des Einkristalls am Keimkristall durch Anheben des Keimkristalls von der Schmelze mit einer Kristallhubgeschwindigkeit;
das Erweitern eines Durchmessers des Einkristalls in einem konusförmigen Abschnitt auf einen Solldurchmesser, umfassend die Steuerung der Kristallhubgeschwindigkeit in einer Weise, dass im konusförmigen Abschnitt eine Krümmungsumkehr einer Wachstumsfront des Einkristalls bewirkt wird.
Untersuchungen des Erfinders haben gezeigt, dass der Phase, während der der konusförmige Abschnitt des Einkristalls gezogen wird, besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muss, damit kein Ausbeuteverlust wegen Verfehlens der spezifizierten Sauerstoff-Konzentration am Anfang des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls entsteht. Es ist darauf zu achten, dass die Kristallhubgeschwindigkeit, mit der der am Keimkristall wachsende Einkristall angehoben wird, so gesteuert wird, dass im konusförmigen Abschnitt eine Krümmungsumkehr der Wachstumsfront des Einkristalls bewirkt wird.
Vorzugsweise wird die Kristallhubgeschwindigkeit während der Phase des Ziehens des konusförmigen Abschnitts des Einkristalls zunächst abgesenkt und anschließend erhöht.
Besonders bevorzugt ist es, die Kristallhubgeschwindigkeit während des Ziehens des konusförmigen Abschnitts von einer Anfangsgeschwindigkeit auf eine untere Kristallhubgeschwindigkeit abzusenken, die mindestens 40 vorzugsweise mindestens 60 niedriger ist als die Anfangsgeschwindigkeit, und sie von der unteren Kristallhubgeschwindigkeit auf eine Endgeschwindigkeit wieder anzuheben. Die Endgeschwindigkeit ist die Kristallhubgeschwindigkeit bei Erreichen des Solldurchmessers. Die Anfangsgeschwindigkeit ist auch vorzugsweise höher als die Endgeschwindigkeit.
Es ist ferner bevorzugt, dass der Keimkristall erst dann mit der unteren Kristallhubgeschwindigkeit angehoben wird, wenn der Durchmesser des konusförmigen Abschnitts mindestens 50 des Solldurchmessers erreicht hat.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren näher beschrieben.
Die 1 und 2 zeigen einen Einkristall, der erfindungsgemäß gezogen wurde, im Bereich des konusförmigen Abschnitts.
Die 3 zeigt die Lage der Winkel α und β in Einkristallen gemäß 1 und 2.
4 zeigt den Verlauf der Kristallhubgeschwindigkeit während des Ziehens des konusförmigen Abschnitts am Beispiel eines Einkristalls aus Silizium mit einem Solldurchmesser von 200 mm.
Wird ein Einkristall axial geteilt, zeigen Segregationsstreifen von Dotierstoffen und von Sauerstoff den Verlauf der Wachstumsfront an. Die Segregationsstreifen sind das Ergebnis von Temperaturschwankungen in der Schmelze, aufgrund derer die Konzentrationen der Dotierstoffe und von Sauerstoff auch in radialer Richtung des Einkristalls mehr oder weniger variieren.
Das oben beschriebene Absenken und Anheben der Kristallhubgeschwindigkeit führt zu einer Umkehr der Krümmung der Wachstumsfront im konusförmigen Abschnitt. Zunächst ist die Wachstumsfront bezogen auf eine Blickrichtung zum Keimkristall hin konkav gekrümmt. Der Wechsel zu einer konvexen Krümmung der Wachstumsfront erfolgt erfindungsgemäß noch im konusförmigen Abschnitt des Einkristalls durch die Steuerung der Kristallhubgeschwindigkeit.
In 1 sind der Keimkristall 3, der konusförmige Abschnitt 2 und der Anfang des zylindrischen Abschnitts 1 eines Einkristalls, der erfindungsgemäß gezogen wurde, dargestellt. Zwischen dem Keimkristall und dem konusförmigen Abschnitt ist ein Halsabschnitt vorhanden. Der Durchmesser des konusförmigen Abschnitts steigt bis auf den Solldurchmesser, der am Übergang zum zylindrischen Abschnitt erreicht wird, an. Die von gekrümmten Segregationsstreifen 5 angezeigte Wachstumsfront ist derart ausgebildet, dass sich die im zylindrischen Abschnitt vorhandene Krümmung der Segregationsstreifen im konusförmigen Abschnitt umkehrt. Im zylindrischen Abschnitt ist keine Krümmungsumkehr vorhanden.
Der Einkristall gemäß 2 unterscheidet sich von dem in 1 durch einen verdickten Abschnitt 4 oberhalb des konusförmigen Abschnitts 2. Eine solche Verdickung wird in der Regel benötigt, wenn ein Einkristall gezogen wird, der so schwer ist, dass der Keimkristall oder der Halsabschnitt wegen der Gewichtsbelastung abreißen könnte, wenn der Einkristall nicht durch ein Haltesystem an der Verdickung abgestützt werden würde.
Für die Durchführung des Verfahrens ist es von Vorteil, wenn die axiale Länge des konusförmigen Abschnitts 2 länger ist, als es nötig wäre, um den Durchmesser des konusförmigen Abschnitts auf den Solldurchmesser zu erweitern. Der konusförmige Abschnitt hat daher vorzugsweise einen Öffnungswinkel α von nicht weniger als 60° und nicht mehr als 90°, besonders bevorzugt nicht mehr als 80°. Der Außenwinkel β am Übergang vom konusförmigen Abschnitt 2 zum zylindrischen Abschnitt 1 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 5° und nicht mehr als 25°. Die Lage der Winkel ist in 3 dargestellt.
Die typische axiale Länge des konusförmigen Abschnitts beträgt im Fall eines Einkristalls mit einem nominalen Solldurchmesser von 200 mm vorzugsweise 160 bis 220 mm, im Fall eines Einkristalls mit einem nominalen Solldurchmesser von 300 mm vorzugsweise 240 bis 340 mm. Bei Einkristallen mit einem nominalen Solldurchmesser von mehr als 300 mm ist die axiale Länge des konusförmigen Abschnitts entsprechend länger.
Beispiel:
Ein Einkristall aus Silizium mit einem nominalen Solldurchmesser von 200 mm wurde erfindungsgemäß gezogen. Der Verlauf der auf die Anfangsgeschwindigkeit bezogenen Kristallhubgeschwindigkeit V(rel) im Bereich des konusförmigen Abschnitts ist in 4 gezeigt. Als Abszisse ist der relative Durchmesser D(rel) des konusförmigen Abschnitts in Bezug auf den Solldurchmesser aufgetragen.
Zum Vergleich wurde ein weiterer Einkristall mit gleichem nominalen Solldurchmesser gezogen, jedoch mit einer nahezu gleichbleibenden Kristallhubgeschwindigkeit während des Ziehens des konusförmigen Abschnitts. Bei diesem Einkristall erfüllte der Bereich am Anfang des zylindrischen Abschnitts die vorgegebene Spezifikation bezüglich der Sauerstoff-Konzentration nicht. Bei dem nach 4 gezogenen Einkristall gab es keinen derartigen Ausbeuteverlust.

Claims

Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium aus einer Schmelze, die in einem Tiegel enthalten ist, umfassend das Eintauchen eines Keimkristalls in die Schmelze; das Kristallisieren des Einkristalls am Keimkristall durch Anheben des Keimkristalls von der Schmelze mit einer Kristallhubgeschwindigkeit; das Erweitern eines Durchmessers des Einkristalls in einem konusförmigen Abschnitt auf einen Solldurchmesser, umfassend die Steuerung der Kristallhubgeschwindigkeit in einer Weise, dass im konusförmigen Abschnitt eine Krümmungsumkehr einer Wachstumsfront des Einkristalls bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Absenken der Kristallhubgeschwindigkeit von einer Anfangsgeschwindigkeit auf eine untere Kristallhubgeschwindigkeit, die mindestens 40 niedriger ist als die Anfangsgeschwindigkeit, und das Anheben der Kristallhubgeschwindigkeit von der unteren Kristallhubgeschwindigkeit auf eine Endgeschwindigkeit, mit der der Keimkristall beim Erreichen des Solldurchmessers angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgeschwindigkeit niedriger ist, als die Anfangsgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Keimkristall erst dann mit der unteren Kristallhubgeschwindigkeit angehoben wird, wenn der Durchmesser des konusförmigen Abschnitts mindestens 50 des Solldurchmessers erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der konusförmige Abschnitt einen Öffnungswinkel α von nicht weniger als 60° und nicht mehr als 90° erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenwinkel β am Übergang vom konusförmigen Abschnitt zum zylindrischen Abschnitt nicht weniger als 5° und nicht mehr als 25° beträgt.
Einkristall aus Silizium herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.