DE102010028924B4

DE102010028924B4 - Vefahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls und Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers

Info

Publication number: DE102010028924B4
Application number: DE102010028924.8A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Murakami; Hiroshi Hayakawa
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: JP5201077B2; DE102010028924A1; JP2010265143A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, wobei in einem Schmelztiegel, der sich in einer Kammer befindet, eine Siliciumschmelze vorgehalten wird, ein Impfkristall in die Siliciumschmelze getaucht und daraus herausgezogen wird, um einen Siliciumeinkristall zu erzeugen, wobei der Impfkristall und der Siliciumeinkristall rotiert werden und danach der Siliciumeinkristall mit Phosphor dotiert wird, indem der Siliciumeinkristall mit Neutronen bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem ein Siliciumeinkristall mit einer Konzentration an interstitiellem Sauerstoff von 6,0 × 1017 Atomen/cm3 oder weniger, der einen Bereich enthält, in dem COPs mit einer Größe von 100 nm oder weniger und einer Dichte von 3 × 106 cm–3 oder weniger entstanden sind, aus dem Schmelztiegel herausgezogen ist, und zwar unter Bedingungen, die der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügen, wobei, bezüglich der Temperaturgradienten in der Richtung des Ziehens des Siliciumeinkristalls in einem Temperaturbereich, in dem die Temperatur im Zentrum des herausgezogenen Siliciumeinkristalls zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C liegt, Gc der Temperaturgradient im Zentrum des Siliciumeinkristalls ist, der herausgezogen wird, und Ge der Temperaturgradient an der Außenseite des Siliciumeinkristalls ist, der herausgezogen wird, und wobei ein horizontales Magnetfeld von 0,2 T oder mehr auf die Siliciumschmelze in dem Schmelztiegel einwirken gelassen wird, die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 1,5 U/min oder weniger beträgt, die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls, der herausgezogen wird, 7 U/min oder weniger beträgt, die Variation des spezifischen Widerstands in der Radialebene des Siliciumeinkristalls durch Bestrahlen des Siliciumeinkristalls mit Neutronen auf 5% oder weniger eingestellt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers, welcher als isolierter bipolarer Gittertransistor geeignet ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers mit weniger Defekten im Innern.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In den vergangenen Jahren wurde die Entwicklung etc. eines isolierten bipolaren Gittertransistors (hier nachstehend als „IGBT” bezeichnet) verfolgt. Anders als bei einem LSI, wie bei einem Speicher, der ein Element darstellt, das nur einen Bereich nahe der vorderen Oberfläche eines Wafers (nur die seitliche Richtung des Wafers) nutzt, werden die charakteristischen Eigenschaften bei einem IGBT von der Qualität der Masse des Wafers beeinflusst, da dieser ein Element darstellt, bei dem der Wafer auch die Richtung in der Dicke (die vertikale Richtung des Wafers) nutzt. Es müssen daher nicht nur die COPs (vom Kristall stammende Teilchen: agglomerierte Defekte vom Leerstellentyp) und sauerstoffhaltige Ausscheidungen, die in der Oberflächenschicht des Wafers vorliegen, reduziert werden, sondern auch COPs und sauerstoffhaltige Ausscheidungen im Innern des Wafers.
In der Vergangenheit ist zum Beispiel in der Patentschrift 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers für einen IBGT offen gelegt worden. Die Patentschrift 1 legt ein Verfahren offen, bei dem ein Siliciumeinkristall nach dem Czochralski-Verfahren (hierin nachstehend als „CZ-Verfahren” bezeichnet) gebildet wird, in dem die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff 7,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger beträgt, und wobei aus dem Siliciumeinkristall ein Wafer geschnitten wird, nachdem der Siliciumeinkristall durch Bestrahlen mit einer Neutronenstrahl mit Phosphor dotiert worden ist, und Tempern des Wafers in oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur T°C erfolgt, die der nachstehenden Ungleichung (1) genügt, wobei die Atmosphäre wenigstens Sauerstoff enthält und eine Polysiliciumschicht oder eine verformte Schicht auf einer Seite des Wafers gebildet wird. [Oi] ≤ 2,123 × 10²¹ exp (–1,035/k(T + 273)) (1)
In der vorstehenden Ungleichung (1) ist [Oi] ein mittels Fourier Transformationsinfrarotspektroskopie gemessener Wert, wie in ASTM F-121 (1979) spezifiziert, und k die Boltzmann Konstante (= 8,617 × 10^–5 eV/K). In dem, wie vorstehend beschrieben, hergestellten Siliciumwafer, können die COPs durch Tempern des Siliciumeinkristalls in einer Sauerstoffatmosphäre bis zu einer außerordentlich niedrigen Konzentration an interstitiellem Sauerstoff entfernt werden. Darüber hinaus wird ein Teil der Siliciumatome durch Kerntransmutation mittels Neutronenbestrahlung des Siliciumeinkristalls in Phosphoratome umgewandelt, wobei ein Wafer mit einheitlichem spezifischen Widerstand erhalten wird. Patentschrift 1: WO 2004/073057 (Ansprüche 1 und 2, Seite 5, Zeile 9 bis 17 und Seite 5, Zeile 22 bis 26 der Beschreibung).
Es ist richtig, dass nach dem bestehenden Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers für einen IGBT nach dem in der Patentschrift 1 beschriebenen Verfahren ein Siliciumwafer mit einem einheitlichen spezifischen Widerstand in radialer und axialer Richtung erhalten werden kann, indem der Siliciumeinkristall aus einer Siliciumschmelze, die kein Dotierungsmittel wie Phosphor enthält, nach oben herausgezogen und der Siliciumeinkristall dann mit Neutronen bestrahlt wird. Das Problem ist jedoch, dass es unmöglich ist, die COPs selbst durch eine oxidierende Hitzebehandlung des Wafers zu entfernen, wenn die im Siliciumeinkristall vorliegenden COPs große Abmessungen aufweisen oder die COPs in großer Dichte vorliegen.
Die EP 2 226 412 A1 beschreibt ein Verfahren zum Züchten eines Siliciumeinkristalls, bei dem eine Siliciumschmelze in einem Tiegel, der in einer Kammer unter Inertgas untergebracht ist, aufbewahrt wird, und ein Siliciumeinkristall aus einem Impfkristall gezüchtet wird durch Eintauchen des Impfkristalls in die Siliciumschmelze und Ziehen des Impfkristalls daraus nach oben unter Drehen des Impfkristalls, wobei die in dem Tiegel aufbewahrte Siliciumschmelze Dotierungsmittel vom n-Typ enthält, ein horizontales Magnetfeld von 0,2 T oder mehr an die Siliciumschmelze in dem Tiegel angelegt wird, die Drehgeschwindigkeit des Tiegels 1,5 min–1 oder weniger beträgt, die Drehgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls während des Wachsens 7 min–1 oder weniger beträgt, und der Siliciumeinkristall unter einer Bedingung gezüchtet wird, die die Beziehung Gc/Ge ≥ 1 erfüllt, wenn, wobei die Temperaturgradienten in der Zugrichtung des Siliciumeinkristalls in einem Temperaturbereich sind, in dem die Temperatur des Zentrum des Siliciumeinkristalls während des Wachstums vom Schmelzpunkt bis zu 1370°C beträgt, der Temperaturgradient in dem Zentrum des Siliciumeinkristalls während des Wachstums Gc ist, und der Temperaturgradient an dem Rand des Siliciumeinkristalls während des Wachstums Ge ist, und wobei die Konzentration an Zwischengitter-Sauerstoff in dem Siliciumeinkristall 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder darunter beträgt, und die Variation des spezifischen Widerstands radial in der Ebene des Siliciumeinkristalls 5% oder weniger beträgt, und der Siliciumeinkristall einen Bereich enthält, in dem COPs aufgetreten sind, wobei die COPs eine Größe von 100 nm oder weniger und eine Dichte von 3 × 10⁶ cm^–3 oder darunter haben. Außerdem beschreiben wir ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers, bei dem COPs überall in einem gesamten Bereich des Siliciumwafers beseitigt werden durch Durchführen einer Wärmebehandlung an dem Siliciumwafer, der erhalten wurde durch In-Scheiben-Schneiden eines Siliciumeinkristalls, der durch das obengenannte Verfahren gezüchtet wurde, wobei der der Siliciumwafer bei der Wärmebehandlung in einer Sauerstoffgas-Atmosphäre auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Bereich von 1100 bis 1300°C erhitzt wird und 2 bis 5 Stunden lang bei der vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Die US 2007/0 193 501 A1 beschreibt einen Siliciumeinkristallwafer für IGBT, umfassend einen Siliciumeinkristall, gezüchtet durch das Czochralski-Verfahren, wobei COP-Defekte und Versetzungscluster aus der gesamten Region in radialer Richtung des Kristalls eliminiert sind, die interstitielle Sauerstoffkonzentration 8,5 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger beträgt, und die Variation im spezifischen Widerstand innerhalb der Waferoberfläche 5% oder weniger beträgt. Außerdem beschreiben werden: (1) Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallwafers für IGBT, erhalten durch Züchten eines Siliciumeinkristalls durch das Czochralski-Verfahren, wobei das Verfahren umfasst: Einführen einer wasserstoffatomhaltigen Substanz in das Atmosphärengas in einem CZ-Ofen bei einem äquivalenten Wasserstoffgas-Partialdruck von 40 bis 400 Pa, Züchten des Einkristalls mit einer interstitiellen Sauerstoffkonzentration von 8,5 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger bei einer Siliciumeinkristall-Zuggeschwindigkeit, die das Ziehen eines Siliciumeinkristalls frei von eingewachsenen Defekten erlaubt, und Bestrahlen des gezogenen Siliciumeinkristalls mit Neutronen, um so mit Phosphor zu dotieren; (2) Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallwafers für IGBT, erhalten durch Züchten eines Siliciumeinkristalls durch das Czochralski-Verfahren, wobei das Verfahren umfasst: Zugeben eines Dotierungsmittels vom n-Typ zu einer Siliciumschmelze, Einführen einer wasserstoffatomhaltigen Substanz in das Atmosphärengas in einem CZ-Ofen bei einem äquivalenten Wasserstoffgas-Partialdruck von 40 bis 400 Pa, und Züchten eines Einkristalls mit einer interstitiellen Sauerstoffkonzentration von 8,5 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger bei einer Siliciumeinkristall-Zuggeschwindigkeit, die das Ziehen von Siliciumeinkristallen, die frei von eingewachsenen Defekten sind, ermöglicht; und (3) Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristallwafers für IGBT, erhalten durch Züchten eines Siliciumeinkristalls durch das Czochralski-Verfahren, wobei das Verfahren umfasst: Zugeben von Phosphor zu einer Siliciumschmelze, so dass die Phosphorkonzentration im Siliciumeinkristall 2,9 × 10¹³ bis 2,9 ×10¹⁵ Atome/cm³ beträgt, Zugeben eines Dotierungsmittels vom p-Typ mit einem kleineren Segregationskoeffizienten als derjenige des Phosphors zur Siliciumschmelze, so dass die Konzentration in dem Siliciumeinkristall 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ beträgt, entsprechend des Segregationskoeffizienten davon, Einführen einer wasserstoffatomhaltigen Substanz in das Atmosphärengas in einem CZ-Ofen bei einem äquivalenten Wasserstoffgas-Partialdruck von 40 bis 400 Pa und Züchten des Einkristalls mit einer interstitiellen Sauerstoffkonzentration von 8,5 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger bei einer Einkristall-Zuggeschwindigkeit, die das Ziehen eines Siliciumeinkristalls, der frei von eingewachsenen Defekten ist, ermöglicht.
Die EP 1 598 452 A1 beschreibt ein Czochralski-Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, der frei von eingewachsenen Defekten ist, wobei der Kristall mit einer Geschwindigkeit herausgezogen wird, die nahe der kritischen Geschwindigkeit ist, bei der der ringförmige OSF-Bereich in dem zentralen Bereich des Kristall verschwindet, und zwar unter Verwendung einer Heiß-Zonen-Struktur, bei der der Temperaturgradient Gc im Zentrum des Kristalls gleich dem oder größer als der Temperaturgradient Ge im peripheren Bereich des Kristalls ist, und wobei dem Inneren des Ziehofens ein wasserstoffhaltiges inertes Gas zugeführt wird. Dadurch wird die kritische Geschwindigkeit, bei der der ringförmige OSF-Bereich in dem zentralen Bereich des Kristall verschwindet, erhöht und es können von eingewachsenen Defekten freie Siliciumeinkristalle erhalten unmittelbar bei erhöhter Ziehgeschwindigkeit erhalten werden.
Demgegenüber soll ein Siliciumeinkristallwafer für einen IGBT bereitgestellt werden, bei dem die Sauerstoffkonzentration auf ein niedrigeres Niveau als je zuvor reduziert ist und die Verteilung des spezifischen Widerstands in der Radialebene einheitlich ist. Als Methode zur Reduzierung der Sauerstoffkonzentration in einem Siliciumeinkristall war von früher her bekannt, dass die von der Siliciumschmelze aus dem Schmelztiegel aufgenommene Sauerstoffmenge durch Einwirkenlassen eines horizontalen Magnetfeldes auf die Siliciumschmelze und Herabsetzen der Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels reduziert werden kann, wodurch die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff in einem Einkristall herabgesetzt wird.
Die von den Erfindern durchgeführten Versuche haben jedoch gezeigt, dass es unmöglich ist, allein durch die Herabsetzung der Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels bei gleichzeitigem Einwirkenlassen eines horizontalen Magnetfeldes auf die Siliciumschmelze, Siliciumeinkristalle zu züchten, die eine sehr niedrige Sauerstoffkonzentration, z. B. eine Konzentration an interstitiellem Sauerstoff von 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger enthalten. Die Erfinder haben zusätzlich gefunden, dass die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff durch Herabsetzung der Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls auf ein niedrigeres Niveau reduziert werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls und eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumwafers, wobei diese Verfahren durch eine oxidierende Hitzebehandlung eines durch Inscheibenschneiden eines Siliciumeinkristalls erhaltenen Siliciumwafers die COPs über den gesamten Bereich des Wafers in radialer Richtung und über die Dicke entfernen können. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, wobei das Verfahren die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff über beinahe die gesamte Länge von mehr als einem Siliciumeinkristall herabsetzen kann. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, welches Verfahren durch Herabsetzung der Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff in einem Siliciumeinkristall herabsetzen kann. Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, welches Verfahren den Bereich der Ausziehgeschwindigkeit eines Einkristalls stark erweitern kann und welches im Siliciumeinkristall die Schwankung des spezifischen Widerstands in der Radialebene herabsetzen kann.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers gemäß Anspruch 3.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls bereitgestellt, bei dem eine Siliciumschmelze in einem Schmelztiegel vorgehalten wird, der in einer Kammer untergebracht ist, wobei nach Eintauchen eines Impfkristalls in die Siliciumschmelze und Herausziehen eines Siliciumeinkristalls nach oben unter Drehen des Siliciumeinkristalls, der Siliciumeinkristall durch Bestrahlen des Siliciumeinkristalls mit Neutronen mit Phosphor dotiert wird, wobei, nachdem in einem Siliciumeinkristall, in dem die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff 6,0 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger beträgt, und der einen Bereich enthält, in dem COPs entstanden sind, wobei die Größe der COPs 100 nm oder weniger und deren Dichte 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger beträgt, aus dem Schmelztiegel nach oben herausgezogen wurde, wird die Schwankung des spezifischen Widerstands des Siliciumeinkristalls in der Radialebene durch Bestrahlen des Siliciumeinkristalls mit Neutronen auf 5% oder weniger eingestellt, wobei der Siliciumeinkristall unter der Bedingung nach oben herausgezogen wird, die der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügt, wenn die Temperaturgradienten in Richtung des Ziehschafts des Siliciumeinkristalls in einem Temperaturbereich liegen, in dem die Temperatur im Zentrums des Siliciumeinkristalls während des Herausziehens nach oben zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C liegt, und der Temperaturgradient im Zentrum des Siliciumeinkristalls, der nach oben herausgezogen wird Gc ist, und der Temperaturgradient an der Außenseite des Siliciumeinkristalls während des Herausziehens nach oben Ge ist, und wobei man auf die Siliciumschmelze im Schmelztiegel ein horizontales Magnetfeld von 0,2 T oder stärker einwirken lässt, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 1,5 U/min oder weniger und die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls, der nach oben herausgezogen wird, 7 U/min oder weniger beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dem Schmelztiegel Siliciumrohmaterial zugeführt und dieses geschmolzen, nachdem ein Siliciumeinkristall nach oben herausgezogen worden ist, so dass die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff in dem Siliciumeinkristall über dessen gesamte Länge 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger beträgt, worauf erneut ein Siliciumeinkristall aus der Siliciumschmelze im Schmelztiegel nach oben herausgezogen wird, wodurch eine Mehrzahl von Siliciumeinkristallen nach oben heraus gezogen wird, und wobei jeder Siliciumeinkristall, der nach oben herausgezogen worden ist, mit Phosphor dotiert wird, indem der Siliciumeinkristall mit Neutronen bestrahlt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers bereitgestellt, wobei die COPs über den gesamten Bereich des Siliciumwafers durch Hitzebehandlung eines Siliciumwafers entfernt werden, welcher erhalten wird durch Inscheibenschneiden eines erfindungsgemäß hergestellten Siliciumeinkristalls, indem der Siliciumwafer bei der Hitzebehandlung in einer Atmosphäre von Sauerstoffgas auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von 1100 bis 1300°C erhitzt und bei der vorbestimmten Temperatur 2 bis 5 Stunden gehalten wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls wird nach dem Herausziehen des Siliciumeinkristalls ohne Zugabe eines Dotierungsmittels wie Phosphor zur Einstellung des spezifischen elektrischen Widerstands zu der Siliciumschmelze, der Siliciumeinkristall mit Phosphor dotiert, indem ein Teil der Siliciumatome durch nukleare Transmutation mittels Bestrahlen des Siliciumeinkristalls mit Neutronen in Phosphoratome umgewandelt wird. Als Folge davon ist es möglich, die Phosphorkonzentration im Siliciumeinkristall in radialer und axialer Richtung einheitlich einzustellen. Dadurch kann die Schwankung des spezifischen Widerstands in der Radialebene im Siliciumeinkristall über beinahe die gesamte Länge des geraden Körpers des Siliciumeinkristalls herabgesetzt werden. Nachdem das Verfahren darüber hinaus auf einen Kristallbereich ausgelegt ist, einschließend einen Bereich, in dem COPs eine vorbestimmte Größe und Dichte aufweisen, kann das nachstehende Problem, das mit einem Defekt-freien Einkristall verbunden ist, gelöst werden, d. h., dass ein Defekt-freier Einkristall mit geringerer Leistung erzeugt wird, oder dass es infolge des engen Bereichs der zulässigen Ziehgeschwindigkeit schwierig wird, beim Ziehen des Einkristalls eine kontrollierte Geschwindigkeit einzuhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, bei dem ein Siliciumeinkristall in einer solchen Weise nach oben herausgezogen wird, dass COPs unter der Bedingung entstehen, dass sie der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügen, kann ein Einkristall erhalten werden, in dem die COPs eine geringe Größe aufweisen und ihre Dichte niedrig ist. Wird ein Einkristall auf eine solche Weise nach oben herausgezogen, dass unter den Bedingungen des herkömmlichen Ziehverfahren COPs auftreten und die Bedingung Gc/Ge < 1 erfüllt ist, das heißt, wenn ein Einkristall in einer heißen Zone nach oben herausgezogen wird, wobei die Kühlung durch Erhöhen der Ziehgeschwindigkeit bei hoher Geschwindigkeit erfolgt, so ist die heiße Zone zur Herabsetzung der COP-Größe geeignet, wodurch die Größe der COPs im Einkristall zwar abnimmt, deren Dichte jedoch zunimmt. Als Folge davon ist es unmöglich, die COPs über den gesamten Bereich des Wafers in axialer Richtung und über die Dicke durch eine abschließende oxidierende Hitzebehandlung zu eliminieren, wenn ein Einkristall in der herkömmlichen heißen Zone nach oben herausgezogen wird. Wird im Gegensatz dazu der Einkristall in einer erfindungsgemäßen heißen Zone nach oben herausgezogen, können die COPs durch die nachfolgende oxidierende Hitzebehandlung über beinahe den gesamten Bereich des Wafers in radialer Richtung und über die Dicke entfernt werden.
Beim Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Siliciumrohmaterial dem Schmelztiegel zugeführt und geschmolzen, aus dem gerade ein Siliciumeinkristall herausgezogen worden ist, und ein anderer Siliciumeinkristall wird aus dem Schmelztiegel nach oben herausgezogen, wobei dieser Siliciumeinkristall die gleichen Qualitätskriterien aufweist, wie der bereits vorher herausgezogene, wodurch es bei diesem so genannten Mehrfach-Ausziehen möglich wird, eine Mehrzahl von Siliciumeinkristallen nach oben aus einem Schmelztiegel herauszuziehen. Als Folge davon kann die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff über die gesamte Länge des geraden Körpers bei mehr als einem Siliciumeinkristall herabgesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, bei dem man ein horizontales Magnetfeld auf die Siliciumschmelze einwirken lässt, und die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels und die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls herabsetzt, wird ein Siliciumeinkristall in einem Zustand nach oben herausgezogen, bei der die Gestalt der fest-flüssig Grenzfläche zwischen dem Siliciumeinkristall und der Siliciumschmelze abgeflacht wird. Als Folge davon ist es selbst dann möglich, die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall über beinahe die gesamte Länge des geraden Körpers zu reduzieren, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls herabgesetzt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers, weisen die COPs in einem Siliciumwafer, der wie vorstehend beschrieben, durch das Inscheibenschneiden des Siliciumeinkristalls erhalten wurde, eine Größe von 100 nm oder weniger und eine Dichte von 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger auf. Daher ist es durch Durchführung einer vorbestimmten oxidierenden Hitzebehandlung des Wafers möglich, die COPs über den gesamten Bereich des Wafers in radialer Richtung und über die Dicke zu entfernen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein konstruktives Schaubild, welches den Längsschnitt eines Geräts wiedergibt, wie es bei einem Verfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wird.
2 ist ein schematisches Schaubild, welches auf seiner linken Seite das Bildungsverhalten eines Kristalldefekts zeigt, wie er in einem Siliciumeinkristall auftritt, der aus einer heißen Zone bei Kühlung mit hoher Geschwindigkeit nach oben herausgezogen wird, und auf seiner rechten Seite das Bildungsverhalten eines Kristalldefekts, wie er in einem Siliciumeinkristall auftritt, der in einer heißen Zone nach oben herausgezogen wird, die für das Herausziehen eines Defekt-freien Einkristalls geeignet ist.
3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Größe und Dichte von Lichtstreumaterialien (COPs) in Wafern des zweiten und dritten Vergleichsbeispiels zeigt.
4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Größe und Dichte von Lichtstreumaterialien (COPs) in Wafern des vierten Vergleichsbeispiels und zweiten Beispiels zeigt.
5 ist ein Diagramm, welches die Ausbeute von GOI vor und nach der oxidierenden Hitzebehandlung bei Wafern des zweiten und dritten Vergleichsbeispiels zeigt.
6 ist ein Diagramm, welches die Ausbeute von GOI vor und nach der oxidierenden Hitzebehandlung bei Wafern des vierten Vergleichsbeispiels und zweiten Beispiels zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches die Ausbeute von GOI vor und nach der oxidierenden Hitzebehandlung bei Wafern des fünften und sechsten Vergleichsbeispiels zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches die Ausbeute von GOI vor und nach der oxidierenden Hitzebehandlung bei Wafern des dritten und fünften Beispiels zeigt.
9 ist ein Diagramm, das die horizontale Verteilung des spezifischen Widerstands vor und nach dem Bestrahlen von Siliciumeinkristallen der siebten und achten Vergleichsbeispiele und sechsten und siebten Beispiele mit Neutronen zeigt, wenn die Siliciumeinkristalle nach oben in einer heißen Zone herausgezogen werden, welche für das Herausziehen Defekt-freier Einkristalle geeignet ist.
10 ist ein Diagramm, welches die horizontale Verteilung des spezifischen Widerstands vor und nach dem Bestrahlen von Siliciumeinkristallen der neunten und zehnten Vergleichsbeispiele und achten und neunten Beispiele mit Neutronen zeigt, wenn die Siliciumeinkristalle nach oben in einer heißen Zone herausgezogen werden, welche für das Herausziehen Defekt-freier Einkristalle geeignet ist;
11 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Ausziehgeschwindigkeit und der Konzentration an interstitiellem Sauerstoff von zwei Siliciumeinkristallen (zehntes und elftes Beispiel) zeigt, welche nach einem Mehrfach-Ziehverfahren in einer heißen Zone nach oben herausgezogen werden, die für das Herausziehen Defekt-freier Einkristalle geeignet ist, und
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels, der Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls und der Konzentration an interstitiellem Sauerstoff wiedergibt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Zunächst wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Wie in 1 gezeigt, schließt ein Gerät zum Herausziehen eines Siliciumeinkristalls 1 nach oben eine evakuierbare Hauptkammer 12 und einen in der Mitte der Hauptkammer 12 vorgesehenen Schmelztiegel 13 ein. Die Hauptkammer 12 besteht aus einem zylindrischen Vakuumkessel. Des Weiteren besteht der Schmelztiegel 13 aus einem zylindrischen inneren Gehäuse 13a mit einem Boden, wobei das innere zylindrische Gehäuse 13a aus Quarz gefertigt ist und worin die Siliciumschmelze 15 vorgehalten wird, sowie aus dem zylindrischen äußeren Gehäuse 13b mit einem Boden, wobei das äußere Gehäuse 13b aus Graphit gefertigt ist und an den äußeren Umfang des inneren Gehäuses 13a angepasst ist. Das obere Ende des Schafts 14 ist mit dem Boden des äußeren Gehäuses 13b verbunden. Am unteren Ende des Schafts 14 ist eine Antriebseinheit 16 für den Schmelztiegel vorgesehen, die den Schmelztiegel 13 dreht und den Schmelztiegel 13 über den Schaft 14 auf und ab bewegt. Des Weiteren ist die den Schmelztiegel 13 umgebende äußere Oberfläche von einem zylindrischen Heizelement 17 umgeben, wobei zwischen der den Schmelztiegel 13 umgebenden äußeren Oberfläche und dem Heizelement 17 ein vorbestimmter Zwischenraum gelassen wird und die das Heizelement 17 umgebende Oberfläche von einem zylindrischen Rohr 18 zur Wärmeisolierung umgeben ist, wobei zwischen der das Heizelement 17 umgebenden Oberfläche und dem Rohr 18 zur Wärmeisolierung ein vorbestimmter Zwischenraum gelassen wird.
Andererseits ist das obere Ende der Hauptkammer 12 mit einer zylindrischen Ausziehkammer 19, deren Durchmesser kleiner ist als derjenige der Hauptkammer 12, in einer solchen Weise verbunden, dass deren Innenseite mit der Innenseite der Hauptkammer 12 in Verbindung steht. Am oberen Ende der Ausziehkammer 19 ist eine Zieh/Rotations-Einheit 20 vorgesehen. Die Zieh/Rotations-Einheit 20 bewegt den Ausziehschaft 22 nach oben und unten, wobei an den Ausziehschaft 22 am unteren Ende eine Impfkristallhalterung angebracht ist, und dreht den Ausziehschaft 22 um eine Schaftlinie desselben. Des Weiteren ist an die Impfkristallhalterung 21 ein Impfkristall 23 abtrennbar angebracht. Nachdem das untere Ende des Impfkristalls 23 in die Siliciumschmelze 15 eingetaucht worden ist, wird der Impfkristall 23 gedreht und mittels der Auszieh/Rotations-Einheit 20 nach oben herausgezogen und der Schmelztiegel 13 gleichzeitig gedreht und durch die Antriebseinheit 16 für den Schmelztiegel nach oben bewegt, wodurch der Siliciumeinkristall 11 vom unteren Ende des Impfkristalls 23 nach oben gezogen wird.
In der Hauptkammer 12 wird ein Inertgas wie Argon zirkuliert. Ein Ende einer Gaszuführungsleitung 24 ist mit der Seitenwand der Ausziehkammer 19 verbunden, während das andere Ende der Gasversorgungsleitung 24 mit einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) verbunden ist, in dem das Inertgas gelagert wird. Außerdem ist ein Ende der Abgasleitung 26 mit der unteren Wand der Hauptkammer 12 verbunden, während das andere Ende der Abgasleitung 26 mit der Absaugöffnung einer Vakuumpumpe 27 verbunden ist. Das Inertgas wird aus dem Tank über die Gasversorgungsleitung 24 in die Ausziehkammer 19 eingeleitet, durchströmt die Hauptkammer 12 und wird dann aus der Hauptkammer 12 über die Abgasleitung 26 entsorgt. Zusätzlich sind die Gaszuführungsleitung 24 und die Abgasleitung 26 jeweils mit Durchflussmengenregelventilen 41 bzw. 42 ausgerüstet, welche die Durchflussrate an Inertgas durch diese Leitungen regeln.
In der Hauptkammer 12 ist darüber hinaus ein Hitzeschutzschild 28 vorgesehen, um zu verhindern, dass die äußere Oberfläche des Siliciumeinkristalls 11 vom Heizelement 17 durch Strahlungswärme bestrahlt wird, sowie als Führung für den Inertgasstrom. Der Hitzeschild 28 besitzt einen zylindrischen Körper 28a in Form eines runden Kegelstumpfes, wobei der zylindrische Körper 28a einen von oben nach unten abnehmenden Durchmesser aufweist und die äußere Oberfläche des Siliciumeinkristalls 11 umgibt, der aus der Siliciumschmelze 15 unter Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Abstands zwischen der äußeren Oberfläche des Siliciumeinkristalls 11 und dem zylindrischen Körper 28a nach oben herausgezogen wird, und einen Flanschteil 28b, welches ausgehend vom oberen Rand des zylindrischen Körper 28a kontinuierlich gebildet wird und in fast horizontaler Richtung vorspringt. Der Hitzeschutzschild 28 ist in der Hauptkammer 12 so befestigt, dass sich die untere Kante des zylindrischen Körpers 28a oberhalb der Oberfläche der Siliciumschmelze 15 befindet und dass ein vorbestimmter Zwischenraum zwischen der Unterkante des zylindrischen Körpers 28a und der Oberfläche der Siliciumschmelze 15 bleibt, indem der Flanschteil 28b auf dem Wärmeisolierrohr 18 dadurch aufgebracht wird, dass eine ringförmige Platte 28c zwischen dem Flanschteil 28b und dem Wärmeisolierrohr 18 sandwichartig angeordnet wird. Das Gerät ist weiterhin darauf ausgelegt, den Siliciumeinkristall 11 nach oben zu ziehen, während ein horizontales Magnetfeld 29 auf die Siliciumschmelze 15 einwirkt. Das horizontale Magnetfeld 29 wird erzeugt, indem erste und zweite Spulen 31 und 32, welche den gleichem Durchmesser aufweisen, an die den Schmelztiegel 13 umgebenden äußeren Oberflächen unter Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Abstands zwischen der äußeren Oberfläche des Schmelztiegels 13 und deren Seiten in horizontaler Richtung in einer solchen Weise angebracht werden, das beide Spulen 31 und 32, welche den Schmelztiegel 13 einschließen, einander gegenüber liegen und Strom in der gleichen Richtung durch die Spulen 31 und 32 geschickt wird. Analog 1, ist zudem eine Rohmaterialzuführungsleitung 51 vorgesehen, um den Schmelztiegel 13 mit Siliciumrohmaterial 52 zu beschicken. Die Rohmaterialzuführungsleitung 51 wird beim Mehrfach-Ausziehverfahren verwendet, bei dem eine Mehrzahl von Siliciumeinkristallen 11 aus einem Schmelztiegel 13 nach oben herausgezogen wird.
Es wird ein Verfahren zum Herausziehen eines Siliciumeinkristalls 11 unter Verwendung eines Ausziehgeräts der vorstehend beschriebenen Konstruktion, beschrieben: Zuerst wird das horizontale Magnetfeld 29 erzeugt, indem Strom in gleicher Richtung durch die Spulen 31 und 32 geschickt wird. Die Magnetfeldstärke des horizontalen Magnetfeldes 29 wird am Schnittpunkt der Oberfläche der Siliciumschmelze 15 und der Mittelachse des Schmelztiegels 13 gemessen, wobei der durch die Spulen 31 und 32 fließende Strom so gesteuert wird, dass die Magnetfeldstärke 0,2 T (Tesla) oder mehr beträgt. Die Magnetfeldstärke wird hier auf 0,2 T oder mehr begrenzt, weil eine Magnetfeldstärke von weniger als 0,2 T die Wirkung der Verringerung der Sauerstoffaufnahme durch den Siliciumeinkristall 11 herabsetzt. Nachdem jedoch eine zu hohe Magnetfeldstärke die Degradation der inneren Oberfläche des inneren Gehäuses 13a des Schmelztiegels 13 beschleunigen und im Einkristall 11 Dislokation verursachen kann, ist es wünschenswert, die Magnetfeldstärke auf 0,5 T oder weniger einzustellen. Im Übrigen wird zur Siliciumschmelze 15 im Schmelztiegel 13 kein Dotierungsmittel wie P (Phosphor) zugegeben.
Als Nächstes wird der Siliciumeinkristall 11 in einer solchen Weise hoch gezogen, dass COPs unter der Bedingung auftreten, welche der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügt, wenn die Temperaturgradienten in Richtung des Ausziehschafts des Einkristalls 11 im Temperaturbereich liegen, in dem die Temperatur im Zentrum des Siliciumeinkristalls 11 beim Hochziehen unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Geräts zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C liegt, wobei der Temperaturgradient im Zentrum des Einkristalls 11 Gc ist und der Temperaturgradient an der Außenseite des Einkristalls 11 Ge ist. Der Grund dafür, dass hier der Siliciumeinkristall 11 unter Bedingungen so nach oben herausgezogen wird, dass COPs auftreten, welche der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügen, ist, einen Einkristall 11 zu erhalten, in dem COPs klein sind und ihre Dichte niedrig ist. Insbesondere wird ein Einkristall 11 nach oben herausgezogen, welcher einen Bereich einschließt, in dem die COPs im Einkristall 11 eine Größe von 100 nm oder weniger und eine Dichte von 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger, vorzugsweise 1 × 10⁶ cm^–3oder weniger, aufweisen. Die Größe der COPs im Einkristall 11 ist hier auf 100 nm oder weniger beschränkt, weil es, wenn die COPs diese Größe überschreiten, für die COPs schwieriger wird zu verschwinden, selbst dann, wenn eine oxidierende Wärmebehandlung bei hoher Temperatur erfolgt, und die Dichte der COPs im Einkristall auf 3 × 10⁶ cm^–3 oder kleiner beschränkt wird, weil die Zahl der COPs zunimmt, wenn die 3 × 10⁶ cm^–3 überschreitet, so dass diese selbst nach Durchführung einer oxidierenden Hitzebehandlung infolge der hohen Dichte der COPs nicht verschwinden.
Darüber hinaus wird die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 13 beim Herausziehen des Siliciumeinkristalls 11 nach oben auf 1,5 U/min oder weniger eingestellt, vorzugsweise auf 0,3 U/min oder weniger, und die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls 11 beim Herausziehen auf 7 U/min oder weniger, vorzugsweise auf 5 U/min oder weniger eingestellt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 13 wird hier auf 1,5 U/min oder weniger und die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls 11 auf 7 U/min oder weniger beschränkt, um die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall 11 bei einer Konzentration von 6 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger zu halten. Im Übrigen ist es erwünscht, die Untergrenze der Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls 11 auf 0,5 U/min oder höher einzustellen. Beträgt die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls 11 weniger als 0,5 U/min, tritt im Siliciumeinkristall 11 Deformation auf. Die Gestalt der fest-flüssig Grenzfläche zwischen dem Einkristall 11 und der Siliciumschmelze 15 wird, wie vorstehend beschrieben, unter der Bedingung abgeflacht, dass die Beziehung Gc/Ge ≥ 1 erfüllt wird. Bei diesem Zustand ist es möglich, durch Einwirkenlassen des horizontalen Magnetfeldes 29 auf die Siliciumschmelze 15 und Herabsetzung der Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 13 sowie durch Herabsetzung der Rotationsgeschwindigkeit des Einkristalls 11, die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall 11 zu reduzieren. Selbst wenn jedoch der Siliciumeinkristall 11 unter der vorstehend beschriebenen Bedingung herausgezogen wird, nimmt die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall 11 zu, weil die Kontaktfläche zwischen der Siliciumschmelze 15 und dem aus Quarz gefertigten inneren Gehäuse 13a des Schmelztiegels 13 gegenüber der im Schmelztiegel 13 verbleibenden Menge Siliciumschmelze 15 zunimmt, wenn die verbleibende Menge Siliciumschmelze 15 abnimmt, wodurch die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall zunimmt. Als Folge davon wird ein gerader Körper gezüchtet, in dem die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im letzteren Teil des geraden Körpers des Siliciumeinkristalls 11 6 × 10¹⁷ Atome/cm³ übersteigt.
Aus diesem Grunde ist das Herausziehen einer Mehrzahl von Siliciumeinkristallen 11 aus einem Schmelztiegel 13 nach einem Mehrfach-Ausziehverfahren nützlich. Das heißt, das Herausziehen des Siliciumeinkristalls 11 ist in dem Bereich beendet, in dem die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall 11 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³, vorzugsweise 4 × 10¹⁷ Atome/cm³, nicht überschreitet, worauf der Siliciumeinkristall 11 aus dem Ofen entfernt wird, wobei die Innenseite des Ofens, einschließlich der Innenseite der Hauptkammer 12 unter Vakuum gehalten wird, der Schmelztiegel 13 über die Rohmaterialzuführungsleitung 51 mit Siliciumrohmaterial 52 beschickt und dieses geschmolzen wird ehe erneut ein Siliciumeinkristall 11 aus der Siliciumschmelze 15 im Schmelztiegel 13 nach oben herausgezogen wird. Beim Herausziehen nach dem Mehrfach-Ausziehverfahren wird die Länge vom oberen Ende des geraden Körpers des Siliciumeinkristalls 11, der nach oben herausgezogen werden soll, bis zu dessen unterem Ende von vornherein so festgelegt, dass eine Konzentration an interstitiellem Sauerstoff in dem hochzuziehenden Siliciumeinkristall 11 resultiert, die 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger, vorzugsweise 4 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger, beträgt. Die Einstellungen erfolgen zum Beispiel in einer solchen Weise, dass dann, wenn die Ausziehrate, die erhalten wird, wenn die gesamte Siliciumschmelze 15, bestehend aus dem Siliciumrohmaterial 52, mit dem der Schmelztiegel 13 beschickt und das geschmolzen wird, ehe der erste Siliciumeinkristall 11 nach oben herausgezogen wird oder nachdem ein Siliciumeinkristall 11 nach oben heraus gezogen worden ist, wenn der Siliciumeinkristall 11 nach oben herausgezogen wird 100% beträgt und das Herausziehen des Siliciumeinkristalls 11 beendet ist, wenn die Ausziehrate 60 bis 80% beträgt. Anschließend wird, nachdem der Siliciumeinkristall 11 nach oben herausgezogen worden ist, bis die Ausziehrate die vorher festgelegte Rate erreicht hat, der Schmelztiegel 13 über die im Ausziehgerät vorgesehene Rohmaterialförderleitung 51 mit Siliciumrohmaterial 52 beschickt und dieses geschmolzen, worauf erneut ein Impfkristall 23 in die Siliciumschmelze 15 eingetaucht wird und erneut ein Siliciumeinkristall 11 aus dem Schmelztiegel 13 nach oben herausgezogen wird, wodurch eine Mehrzahl von Siliciumeinkristallen 11 nach oben herausgezogen wird. Als Folge davon kann die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff über die beinahe gesamte Länge des geraden Körpers bei mehr als einem Siliciumeinkristall 11 herabgesetzt werden. Die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall 11 dieser Spezifikation stellt übrigens einen Wert dar, welcher mittels Fourie Transformationsinfrarotspektroskopie gemessen wurde, wie in ASTM F-121 (1979) spezifiziert. Die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Siliciumeinkristall 11 ist hier auf 6 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger beschränkt. Übersteigt die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff 6 × 10¹⁷ Atome/cm³, tritt ein Problem auf, wie die Abnahme der Rekombinationslebensdauer infolge der Bildung von Sauerstoffausscheidungsprodukten im Einkristall 11, oder durch die Bildung von Sauerstoffdonatoren verursachte Schwankungen des spezifischen Widerstands. Dies macht es zudem schwierig, die COPs durch oxidierende Hitzebehandlung zu entfernen.
Der auf diese Weise nach oben herausgezogene Siliciumeinkristall 11 wird nach dem Neutronendotierungsverfahren mit Neutronen bestrahlt. Das Neutronendotierungsverfahren ist ein Verfahren, durch welches der Siliciumeinkristall 11 durch Dotieren eines hoch reinen Siliciumeinkristalls 11 mit Phosphor in einen Halbleiter umgewandelt wird, indem eine Reaktion verwendet wird, bei der etwa 3% des im Siliciumeinkristall vorliegenden ³⁰Si durch Kernreaktion in ³¹P umgewandelt wird. Bei der nuklearen Transmutation durch Bestrahlen des Siliciumeinkristalls 11 mit Neutronen unter Verwendung des vorstehend beschriebnen Neutronendotierungsverfahrens wird ein Teil der Siliciumatome in Phosphoratome umgewandelt. Als Folge davon wird der Siliciumeinkristall 11 einheitlich mit Phosphor dotiert, wodurch es möglich wird, einen Siliciumeinkristall 11 zu erhalten, bei welchem der spezifische Widerstand in der Radialebene über dessen gesamte Länge einheitlich ist. Es ist mit anderen Worten möglich, im Siliciumeinkristall 11 die Schwankung des spezifischen Widerstands in der Radialebene auf 5% oder weniger, vorzugsweise auf 4% oder weniger, einzustellen. Die Schwankung des spezifischen Widerstands in der Radialebene im Siliciumeinkristall 11 wird hier auf 5% oder weniger eingestellt, weil dadurch die Qualität von IGBTs stabilisiert werden kann und dies dazu beiträgt, die Ausbeute bei einem Verfahren zur Herstellung von Vorrichtungen zu erhöhen.
Ein Siliciumwafer, der durch Inscheibenschneiden des vorstehend beschriebenen Siliciumeinkristalls 11 erhalten wurde, wird einer Hitzebehandlung unterworfen, bei welcher der Siliciumwafer in einer Atmosphäre von Sauerstoffgas auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von 1100 bis 1300°C, vorzugsweise von 1150 bis 1200°C, aufgeheizt und bei dieser vorbestimmten Temperatur 2 bis 5 Stunden, vorzugsweise 3 bis 4 Stunden, gehalten wird. Dies macht es möglich, die COPs über den gesamten Bereich des Wafers in radialer Richtung und über die Dicke zu eliminieren. Die Temperatur, bei welcher der Wafer hier durch die Hitzebehandlung gehalten wird, ist auf den Bereich von 1100 bis 1300°C beschränkt, weil es eine Temperatur von weniger als 1100°C für die COPs schwierig macht sich zu entfernen, bei einer Temperatur von über 1300°C aber andererseits die auf den Wafer einwirkende Wärmemenge zu groß ist, was zum Auftreten von Gleitversetzung oder dergleichen im Wafer führt. Darüber hinaus ist die Zeit, während welcher der Wafer der Hitzebehandlung unterworfen wird, auf den Zeitraum von 2 bis 5 Stunden beschränkt, weil es bei weniger als 2 Stunden unmöglich ist, die COPs angemessen zu entfernen, andererseits aber eine längere Hitzebehandlung als 5 Stunden die Effizienz der COP-Eliminierung nicht wesentlich erhöht.
Beispiele
Als Nächstes werden Beispiele der Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen im Detail beschrieben.
Erstes Beispiel
Unter der Bedingung, welche der Beziehung Gc/Ge = 1,2 genügt und wenn die Temperaturgradienten in Richtung des Ausziehschafts des Einkristalls 11 in dem Temperaturbereich liegen, in dem die Temperatur im Zentrum des Siliciumeinkristalls 11, welcher unter Verwendung des in 1 dargestellten Ausziehgeräts nach oben gezogen werden soll, zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C betrugen, war der Temperaturgradient im Zentrum des Einkristalls 11 Gc und der Temperaturgradient an der Außenseite des Einkristalls 11 Ge, das heißt, sie in der heißen Zone B von 2 lagen, wurde der Einkristall 11 mit abnehmender Geschwindigkeit allmählich nach oben herausgezogen. Ein Siliciumeinkristall, in dem die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff 13 × 10¹⁷ Atome/cm³ betrug und ein Siliciumeinkristall, in dem die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff 3 × 10¹⁷ Atome/cm³ betrug, wurde hier unter Einwirken eines horizontalen Magnetfelds von 0,3 T auf die Siliciumschmelze 15 im Schmelztiegel 13 nach oben herausgezogen. Die vorstehenden Konzentrationen an interstitiellem Sauerstoff wurden mittels Fourier Transformationsinfrarotspektroskopie gemessen, wie in ASTM F-121 (1979) spezifiziert. Im Übrigen wurde zur Siliciumschmelze kein Dotierungsmittel wie Phosphor zugesetzt, und der Siliciumeinkristall 11 nach Abschluss des Ausziehens unter Verwendung eines Schwerwasserreaktors mit Neutronen bestrahlt.
Andererseits war es erforderlich die Häufigkeitsverteilung bei einem OSF-Ring zu untersuchen, um die Defektverteilung im Einkristall zu überprüfen. Um die Häufigkeitsverteilung bei einem OSF-Ring zu untersuchen, wurde daher ein Siliciumeinkristall mit einer hohen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffkonzentration: 13 × 10¹⁷ Atome/cm³) programmgemäß nach oben herausgezogen. Auf der Grundlage der dabei erhaltenen Ergebnisse wurde die Defektverteilung in einem Siliciumeinkristall abgeschätzt, welcher eine niedrige Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffkonzentration: 3 × 10¹⁷ Atome/cm³) aufwies. In diesem Fall waren die anderen Spezifizierungen gleich, außer was die unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen betraf. Insbesondere wurde der Durchmesser des Einkristalls auf 210 mm, die Kristallorientierung auf <100> und die Länge des geraden Körpers des Einkristalls auf 1700 mm eingestellt. Nachdem weiterhin ein Bereich, in dem ein OSF-Ring auftrat in der alleräußersten Peripherie des Einkristalls lag, konnte dieser nicht entfernt (eliminiert) werden, gleichgültig wie hoch die Ausziehgeschwindigkeit des Einkristalls wurde, wobei der Bereich, in dem der OSF-Ring auftrat, in der alleräußersten Peripherie des Einkristalls lag. Dieser OSF-Ring-Bereich würde aber durch anschließendes Runden des Einkristalls entfernt werden, das heißt, durch Abschneiden der äußeren Oberfläche des Einkristalls in einer Weise, dass der Durchmesser des Einkristalls von 210 mm auf 200 mm abnimmt. Der Durchmesser des Einkristalls, welcher tatsächlich nach oben herausgezogen wurde, war größer als der Zieldurchmesser.
Erstes Vergleichsbeispiel
Ein Siliciumeinkristall wurde unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Beispiel nach oben herausgezogen, außer dass ein Siliciumeinkristallausziehgerät (nicht dargestellt) verwendet wurde, welches eine heiße Zone aufwies, die durch Einstellung der Anordnung und Strukturen der konstruktiven Teile (wie Wärmeisoliermaterial und Hitzeschild) im Innern des Ofens erhalten wurde, um in dem Temperaturbereich, in dem die Temperatur im Innern des nach oben herauszuziehenden Einkristalls zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C lag, für Kühlung zu sorgen, das heißt, es wurde die heiße Zone A von 2 verwendet, wobei die heiße Zone A der Beziehung Gc < Ge, insbesondere der Beziehung Gc/Ge = 0,98, genügte.
Erste Vergleichsprüfung und Auswertung
Es wurden durch Spaltung von Einkristallen in der Längsrichtung Prüfmuster hergestellt, die eine hohe Sauerstoffkonzentration von 13 × 10¹⁷ Atome/cm³ enthielten, indem die Einkristalle der Siliciumeinkristalle unter Verwendung der Ausziehgeräte des ersten Beispiels und des ersten Vergleichsbeispiels herausgezogen und mit Neutronen bestrahlt wurden. An diesen Prüfmustern erfolgte dann die Hitzebehandlung, um sauerstoffhaltige Ausscheidungen zu evaluieren. Die Wärmebehandlung erfolgte speziell dadurch, dass die Prüfmuster 4 Stunden bei 800°C in oxidierender Atmosphäre gehalten und anschließend 16 Stunden bei 1000°C konditioniert wurden. Als Nächstes wurden die Defekte auf der äußeren Oberfläche der Prüfmuster der Hitzebehandlung nach der Kupferdekorationsmethode unterworfen. Insbesondere wurden Defekte auf der Oberflächen der Prüfmuster nach dem Eindiffundieren von Kupfer in die Prüfmuster durch Kontaminierung der Oberflächen der Prüfmuster der raschen Abkühlung ausgesetzt und anschließend der Hitzebehandlung unterworfen, bei der die Prüfmuster 1 Stunde bei 1000°C gehalten wurden. Die rasch abgekühlten Prüfmuster wurden weiterhin unter Verwendung leichter Flüssigkeiten selektiv geätzt, und auf der Oberfläche der Prüfmuster auftretende Vertiefungen (pits) unter dem Lichtmikroskop beobachtet. Die so erhaltenen Ergebnisse sind in 2 wiedergegeben.
Aus 2 war eindeutig ersichtlich, dass in der auf der rechten Seite von 2 dargestellten heißen Zone B des ersten Beispiels, der OSF-Ring in erster Näherung U-Form aufwies und mit kleiner werdendem V/G schnell gegen das Zentrum konvergierte. In der heißen Zone A des ersten Vergleichsbeispiels wies der OSF-Ring, wie auf der linken Seite von 2 dargestellt, in erster Näherung V-Form auf und konvergierte mit kleiner werdendem V/G allmählich in Richtung auf das Zentrum. Es wurde darüber hinaus gefunden, dass sich die heiße Zone B des ersten Beispiels und die heiße Zone A des ersten Vergleichsbeispiels bezüglich der Größen- und Dichteverteilung der COPs im COP-Bereich stark unterschieden, und dass die Dichte der COPs im Prüfmuster A des ersten Vergleichsbeispiels hoch war, während die Größe der COPs mit zunehmender Ausziehgeschwindigkeit abnahm. Demgegenüber nahm bei den Probemustern in der heißen Zone B des ersten Beispiels die Größe der COPs und die Dichte der COPs mit kleiner werdender Ausziehgeschwindigkeit ab.
Zweites Beispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-2]-Bereich in der heißen Zone B auf der rechten Seite von 2 entsprach und wobei die heiße Zone B bei der vorstehend beschriebenen Vergleichsprüfung 1 durch Spaltung eines eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthaltenden Einkristalls in Längsrichtung und Freilegen der Defekte auf der äußeren Oberfläche des Prüfmusters erhalten wurde. Der so erhaltene Wafer wurde als zweites Beispiel behandelt. [B-2]-Bereich bedeutet im Übrigen einen Bereich, in dem (unter der Bedingung einer niedrigen Ausziehgeschwindigkeit) ein COP nahe dem OSF-Ring auftrat.
Zweites Vergleichsbeispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [A-1]-Bereich in der heißen Zone A auf der linken Seite der 2 entsprach und wobei die bei der vorstehend beschriebenen Vergleichsprüfung 1 erhaltene heiße Zone durch Spaltung eines eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthaltenden Einkristalls in Längsrichtung und Freilegen der Defekte auf der äußeren Oberfläche des Prüfmusters erhalten wurde. Der so erhaltene Wafer wurde als zweites Vergleichsbeispiel behandelt. [A-1]-Bereich bedeutet im Übrigen einen Bereich, in dem (unter der Bedingung einer hohen Ausziehgeschwindigkeit) ein COP vom OSF-Ring entfernt auftrat.
Drittes Vergleichsbeispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [A-2]-Bereich in der heißen Zone A auf der linken Seite der 2 entsprach und wobei die bei der vorstehend beschriebenen Vergleichsprüfung 1 erhaltene heiße Zone A durch Spaltung eines eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthaltenden Einkristalls in Längsrichtung und Freilegen der Defekte auf der äußeren Oberfläche des Prüfmusters erhalten wurde. Der so erhaltene Wafer wurde als drittes Vergleichsbeispiel behandelt. [A-2]-Bereich bedeutet im Übrigen einen Bereich, in dem (unter der Bedingung einer niedrigen Ausziehgeschwindigkeit) ein COP nahe am OSF-Ring auftrat.
Viertes Vergleichsbeispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-1]-Bereich in der heißen Zone B auf der rechten Seite der 2 entsprach und wobei die bei der vorstehend beschriebenen Vergleichsprüfung 1 erhaltene heiße Zone durch Spaltung eines eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthaltenden Einkristalls, in Längsrichtung und Freilegen der Defekte auf der äußeren Oberfläche des Prüfmusters erhalten wurde. Der so erhaltene Wafer wurde als viertes Vergleichsbeispiel behandelt. [B-1]-Bereich bedeutet im Übrigen einen Bereich, in dem (unter der Bedingung einer hohen Ausziehgeschwindigkeit) ein COP vom OSF-Ring entfernt auftrat.
Zweite Vergleichsprüfung und Auswertung
Es wurde die Größe und Dichte der COPs in den Wafern des zweiten Beispiels und in den zweiten bis vierten Vergleichsbeispiele gemessen. Es wurde insbesondere die Größe und die Dichteverteilung der COPs der einzelnen Wafer unter Verwendung eines Infrarotstreuungstomograph (MO441, hergestellt von Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.) gemessen. Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind in 3 und 4 dargestellt. Die COPs wurden in Form von Lichtstreuungsmaterialien mittels Infrarotstreuungstomograph gemessen. Das bedeutet, dass die Dichte des Lichtstreuungsmaterials in der senkrechten Achse von 3 und 4 der Dichte der COPs entspricht.
Wie 3 eindeutig zeigt, war die Größe des COP im Wafer des zweiten Vergleichsbeispiels (der Wafer im [A-1]-Bereich unter Ausziehen nach oben mit hoher Ausziehgeschwindigkeit) gering, die Dichte jedoch hoch. Im Wafer des dritten Vergleichsbeispiels (der Wafer im [A-2]-Bereich unter Ausziehen nach oben mit geringer Ausziehgeschwindigkeit) war die Dichte der COPs niedrig, ihre Größe jedoch eine große. Weiterhin war, über die Hälfte der COPs des Wafers des zweiten Vergleichsbeispiels größer als 100 nm, obwohl die Größe des COP des Wafers des zweiten Vergleichsbeispiels niedriger war als diejenige des Wafers des dritten Vergleichsbeispiels. Wie 4 eindeutig zeigt, war demgegenüber im Wafer des vierten Vergleichsbeispiels (der Wafer im [B-1]-Bereich unter Ausziehen nach oben mit hoher Ausziehgeschwindigkeit) die Dichte der COPs niedrig, ihre Größe groß, während im Gegensatz dazu im Wafer des zweiten Beispiels (der Wafer im [B-2]-Bereich unter Ausziehen nach oben mit geringer Ausziehgeschwindigkeit) die COPS eine geringe Größe aufwiesen und keine COPs größer als 100 nm enthielten, und ihre Dichte 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger betrug.
Dritte Vergleichsprüfung und Auswertung
Es wurde der V/G-Bereich untersucht, wenn ein Siliciumeinkristall unter Verwendung der Ausziehgeräte des ersten Beispiels und des ersten Vergleichsbeispiels nach oben herausgezogen wurde. Es wurde insbesondere die Bedingung untersucht, unter welcher der [B-2]-Bereich des zweiten Beispiels erhalten werden konnte, d. h. der V/G-Bereich (mm²/min·°C), in dem ein Kristallbereich erhalten werden konnte, in dem die Größe des COP 100 nm oder weniger und seine Dichte 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger beträgt. Hier ist V die Ziehgeschwindigkeit (mm/min) und G der Temperaturgradient (°C/mm) in Richtung des Ausziehschafts nahe der Fest-Flüssig-Grenzfläche. Das Ergebnis war, dass der V/G-Bereich, in dem beim zweiten Beispiel der [B-2]-Bereich erhalten werden konnte, zwischen 0,23 und 0,33 (mm²/(min·°C)) lag. Der obige V/G-Bereich wurde durch Berechnung des Wärmeübergangs unter Verwendung eines Computers erhalten. Der Bereich, der in 2 von einer unterbrochenen Linie eingegrenzt wird, ist im Übrigen der schematische Bereich des Kristallbereichs, der die gleichen charakteristischen COP-Eigenschaften aufweist, wie der [B-2]-Bereich des zweiten Beispiels, d. h. des Kristallbereichs, in dem die Größe des COP 100 nm oder weniger und seine Dichte 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger beträgt. Demgegenüber ist der Bereich, welcher in 2 durch eine doppelt gestrichelte Linie eingegrenzt wird, der schematische Bereich des Kristallbereichs, welcher die gleichen charakteristischen COP-Eigenschaften aufweist, wie der [B-1]-Bereich des vierten Vergleichsbeispiels, d. h. des Kristallbereichs, in dem die Größe des COP 100 nm oder weniger beträgt, seine Dichte jedoch nicht 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger beträgt.
Vierte Vergleichsprüfung und Auswertung
Mit dem Wafer des zweiten Beispiels und den Wafern der zweiten bis vierten Vergleichsbeispiele erfolgte eine oxidierende Hitzebehandlung, bei der die Wafer 4 Stunden bei 1100°C in einer Atmosphäre aus 100% Sauerstoffgas gehalten wurden. Die GOI-Ausbeute vor und nach der oxidierenden Hitzebehandlung wurde mittels TZDB (dielektrische Nullzeitdurchschlagsmessung) erhalten. Nach Fertigung einer MOS(Metalloxidhalbleiter)-Struktur durch Bildung eines Gitteroxidfilms (ein Oxidfilm) und einer Elektrode auf dem Siliciumwafer, wurde der Gitteroxidfilm durch Anlegen einer Spannung an die Elektrode zerstört und die Durchschlagsspannung gemessen, wodurch die GOI-Ausbeute erhalten wurde. Hierbei wird in einem defekten Teil des Wafers ein elektrischer Durchschlag des Gitteroxidfilms erzeugt. Die Stehspannung des Gitteroxidfilms wurde übrigens mittels TZDB, wie folgt, gemessen: Als Erstes wurde ein Gitteroxid-film (SiO₂) mit einer Dicke von 25 nm auf der vorderen Oberfläche des Wafers gebildet. Als Nächstes wurde auf dem Gitteroxidfilm eine Polysiliciumelektrode mit einem Gitterelektrodenbereich von 10 mm² gebildet. Anschließend wurde zwischen dem Wafer und der Polysiliciumelektrode stufenweise eine Spannung angelegt und unter Umständen eine Spannung mit einer definierten Feldstärke von 11 MV/cm angelegt. Die Prüftemperatur wurde auf Raumtemperatur (25°C) eingestellt. Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind in 5 und 6 wiedergegeben.
Wie 5 und 6 eindeutig zeigen, betrug die GOI-Ausbeute in den Wafern der zweiten bis vierten Vergleichsbeispiele nach der oxidierenden Hitzebehandlung in jedem dieser Wafer etwa 80%, obwohl die GOI-Ausbeute sich durch die oxidierende Hitzebehandlung leicht verbessert hatte. Im Gegensatz dazu stieg die GOI-Ausbeute im Wafer des zweiten Beispiels auf 100%. Wurden die Wafer des vierten Vergleichsbeispiels und des zweiten Beispiels nach der oxidierenden Hitzebehandlung unter Verwendung eines Infrarotstreuungstomograph (MO441, hergestellt von Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.) auf COPs überprüft, wurden im Wafer des vierten Vergleichsbeispiels COPs beobachtet, aber keine COPs im Wafer des zweiten Beispiels.
Drittes Beispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-2-1]-Bereich der heißen Zone B auf der rechten Seite von 2 entsprach und wobei die heiße Zone B bei der vorstehend beschriebenen ersten Vergleichsprüfung durch Spaltung eines, eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthaltenden Einkristalls, in Längsrichtung und Freilegen der Defekte auf der äußeren Oberfläche des Prüfmusters erhalten wurde. Der auf diese Weise erhaltene Wafer wurde als drittes Beispiel behandelt. Unter dem [B-2-1]-Bereich versteht man übrigens einen Bereich, in dem der Reihe nach in Richtung vom Zentrum zur Außenseite des Einkristalls in radialer Richtung ein COP, ein OSF-Ring und ein Defekt-freier Bereich auftraten.
Viertes Beispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-2-2]-Bereich der heißen Zone B auf der rechten Seite von 2 entsprach und wobei die heiße Zone B, welche bei der vorstehend beschriebnen ersten Vergleichsprüfung durch Spaltung des Einkristalls, welcher eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, und Aussetzen der an der Außenseite der Oberfläche befindlichen Defekte des Prüfmusters erhalten wurde. Der auf diese Weise erhaltene Wafer wurde als viertes Beispiel behandelt. Unter dem [B-2-2]-Bereich ver-steht man übrigens, dass im Zentrum des Einkristalls in radialer Richtung ein Bereich vorliegt, in dem ein COP entstanden ist, und an dessen Außenseite in radialer Richtung ein OSF-Ring vorliegt.
Fünftes Beispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-2-3]-Bereich der heißen Zone B auf der rechten Seite von 2 entsprach und wobei die heiße Zone B, welche bei der vorstehend beschriebnen ersten Vergleichsprüfung durch Spaltung des Einkristalls, welcher eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, in Längsrichtung und Aussetzen der an der Außenseite der Oberfläche befindlichen Defekte des Prüfmusters erhalten wurde. Der auf diese Weise erhaltene Wafer wurde als viertes Beispiel behandelt. Unter dem [B-2-3]-Bereich versteht man übrigen, dass über den gesamten Einkristall in radialer Richtung ein COP-Bereich vorliegt.
Fünftes Vergleichsbeispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-1-1]-Bereich der heißen Zone B auf der rechten Seite von 2 entsprach und wobei die heiße Zone B, welche bei der vorstehend beschriebenen ersten Vergleichsprüfung durch Spaltung des Einkristalls, welcher eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, in Längsrichtung und Aussetzen der an der Außenseite der Oberfläche befindlichen Defekte des Prüfmusters erhalten wurde. Der auf diese Weise erhaltene Wafer wurde als fünftes Vergleichsbeispiel behandelt. Unter dem [B-1-1]-Bereich versteht man übrigens einen Bereich, in dem ein COP entstanden ist, d. h. den Bereich, auf der Seite mit hoher Ziehgeschwindigkeit des [B-1]-Bereichs (Bereich mit einer COP-Dichte von mehr als 3 × 10⁶ cm^–3).
Sechstes Vergleichsbeispiel
Aus einem Teil eines Siliciumeinkristalls, der eine niedrige Sauerstoffkonzentration (3 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, wurde ein Wafer ausgeschnitten, wobei das Teil dem [B-1-2]-Bereich der heißen Zone B auf der rechten Seite von 2 entsprach und wobei die heiße Zone B, welche bei der vorstehend beschriebenen ersten Vergleichsprüfung durch Spaltung des Einkristalls, welcher eine hohe Sauerstoffkonzentration (13 × 10¹⁷ Atome/cm³) enthielt, in Längsrichtung und Aussetzen der an der Außenseite der Oberfläche befindlichen Defekte des Prüfmusters erhalten wurde. Der auf diese Weise erhaltene Wafer wurde als sechstes Vergleichsbeispiel behandelt. Unter dem [B-1-2]-Bereich versteht man übrigens einen Bereich, in dem ein COP entstanden ist, d. h. den Bereich, auf der Seite mit der niedrigen Ziehgeschwindigkeit des [B-1]-Bereichs (dem näher am [B-2]-Bereich liegenden Bereich).
Fünfte Vergleichsprüfung und Auswertung
Für die Wafer der Beispiele 3 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 5 und 6 wurde die GOI-Ausbeute auf die gleiche Weise erhalten, wie bei der vorstehend beschriebenen vierten Vergleichsprüfung. Die Vergleichsprüfung 5 erfolgte, um die Wirksamkeit der einzelnen Kristallbereiche zu verifizieren. Die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse sind in 7 und 8 wiedergegeben. Wie 7 und 8 eindeutig zeigen, war in den beiden Vergleichsbeispielen 5 und 6 die GOI-Ausbeute nach der oxidierenden Hitzebehandlung gering und betrug etwa 80%. Im Gegensatz dazu war in den Wafern des dritten bis fünften Beispiels die GOI-Ausbeute nach der oxidierenden Wärmebehandlung auf 100% angestiegen. Wurden die Wafer des dritten bis fünften Beispiels nach der oxidierenden Hitzebehandlung mittels eines Infrarotstreuungstomograph (MO441, hergestellt von Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.) auf COPs überprüft, wurden in keinem der Wafer dieser Beispiele COPs beobachtet.
Sechstes und siebtes Beispiel
Nachdem ein Siliciumeinkristall unter der gleichen V/G-Bedingung wie bei der Herstellung des Wafers im zweiten Beispiel nach oben herausgezogen worden war, wurde der Siliciumeinkristall mit Neutronen bestrahlt. Nachdem dann zwei Wafer durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers des Siliciumeinkristalls hergestellt worden waren, wurden auf diese Weise davon Wafer vom oberen und unteren Ende erhalten, welche 10 Minuten bei 1000°C in einer oxidierenden Atmosphäre konditioniert wurden. Der Wafer, welcher durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers am oberen Ende erhalten wurde, wurde als sechstes Beispiel behandelt, während der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen unterem Ende erhalten wurde, als siebtes Beispiel behandelt wurde. Die beiden Wafer wurden übrigens unter den gleichen Bedingungen hergestellt wie jene, unter denen der Wafer des zweiten Beispiels durch Inscheibenschneiden des Siliciumeinkristalls erhalten wurde, welcher unter Verwendung des Geräts des ersten Beispiels nach oben gezogen wurde, außer dass V/G konstant gehalten wurde.
Achtes und neuntes Beispiel
Ein Siliciumeinkristall wurde unter den gleichen Bedingungen nach oben herausgezogen wie im sechsten und siebten Beispiel, der so erhaltene Siliciumeinkristall mit Neutronen bestrahlt, zwei Wafer durch Inscheibenschneiden am oberen und unteren Ende des geraden Körpers des so erhaltenen Siliciumeinkristalls hergestellt, und diese Wafer 10 Minuten bei 1000°C in einer oxidierenden Atmosphäre konditioniert. Der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen oberem Ende erhalten wurde, wurde als achtes Beispiel behandelt, und der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen unterem Ende erhalten wurde, wurde als neuntes Beispiel behandelt.
Siebtes und achtes Vergleichsbeispiel
Zwei Wafer wurden auf die gleiche Weise erhalten, wie beim sechsten und siebten Beispiel, außer dass der Siliciumeinkristall nicht mit Neutronen bestrahlt wurde. Der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen oberem Ende erhalten wurde, wurde als siebtes Vergleichsbeispiel behandelt, und der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen unterem Ende erhalten wurde, wurde als achtes Vergleichsbeispiel behandelt.
Neuntes und zehntes Vergleichsbeispiel
Zwei Wafer wurden auf die gleiche Weise erhalten, wie beim achten und neunten Beispiel, außer dass der Siliciumeinkristall nicht mit Neutronen bestrahlt wurde. Der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen oberem Ende erhalten wurde, wurde als neuntes Vergleichsbeispiel behandelt, und der Wafer, der durch Inscheibenschneiden des geraden Körpers an dessen unterem Ende erhalten wurde, wurde als erstes Vergleichsbeispiel behandelt.
Sechste Vergleichsprüfung und Auswertung
Es wurde die horizontale Verteilung des radialen spezifischen Widerstands der Siliciumwafer des sechsten bis neunten Beispiels und des siebten bis zehnten Vergleichsbeispiels gemessen und die Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands auf der Grundlage der so erhaltenen Werte berechnet. Der spezifische Widerstand wurde übrigens an einer Stelle 5 mm innerhalb vom äußersten linken Rand des Wafers, an einer Mittelstellung zwischen dem linken äußersten Rand und dem Mittelpunkt des Wafers, im Mittelpunkt des Wafers, in einer Mittelstellung zwischen dem äußersten rechten Rand und dem Mittelpunkt des Wafers und an einer Stelle 5 mm innerhalb vom äußersten rechten Rand des Wafers gemessen, der Streubereich der gemessenen Werte berechnet und der Streubereich durch den kleinste der gemessenen Werte dividiert und mit 100 multipliziert und dadurch die Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands berechnet. Der spezifische Widerstand wurde übrigens nach der Vierprobenmethode gemessen. Die Ergebnisse sind in 9 und zehn wiedergegeben. Wie 9 klar zeigt, betrug der Streubereich des radialen spezifischen Widerstands bei den Wafern des siebten und achten Vergleichsbeispiels, bei denen keine Neutronenbestrahlung erfolgte, etwa 1400 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 36%) sowie etwa 2400 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 85%), was außerordentlich hoch ist. Im Gegensatz dazu betrug der Streubereich des radialen spezifischen Widerstands bei den Wafern des sechsten und siebten Beispiels, bei denen eine Neutronenbestrahlung erfolgte, etwa 1,6 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 3,2%) bzw. etwa 1,2 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 2,5%), was außerordentlich niedrig ist. Wie aus 10 darüber hinaus klar ersichtlich ist, betrug bei den Wafern des neunten und zehntens Vergleichbeispiels, bei denen keine Neutronenbestrahlung erfolgte, der Streubereich des radialen spezifischen Widerstands etwa 2300 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 10%) bzw. etwa 1400 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 36%), was außerordentlich hoch ist. In den Wafern des achten und neunten Beispiels, bei denen eine Neutronenbestrahlung erfolgte, betrug der Streubereich des radialen spezifischen Widerstands etwa 2,2 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 4,5%) bzw. etwa 2,1 Ω·cm (Schwankung des horizontalen spezifischen Widerstands: etwa 4,2%), was außerordentlich gering ist. Das heißt, dass in den Wafern der sechsten bis neunten Beispiele die Schwankungsbreite innerhalb eines radialen, horizontalen Zielbereichs für die Schwankung des spezifischen Widerstands lag, d. h innerhalb von 5%.
Zehntes und elftes Beispiel
Es wurde das in 1 dargestellte Ausziehgerät und ein Schmelztiegel 13 mit einem Innendurchmesser von 24 inches (etwa 600 mm) verwendet, dieser mit 170 kg polykristallinem Siliciumrohmaterial beschickt und das polykristalline Siliciumrohmaterial geschmolzen. Aus dieser Siliciumschmelze 15 wurden Siliciumeinkristalle 11 mit unterschiedlicher Ausziehlänge (Ausziehgeschwindigkeit), einer Kristallorientierung <100> und einem Durchmesser von 210 mm nach oben herausgezogen. Der mit einer Ausziehrate von 80% nach oben herausgezogene Siliciumeinkristall wurde dann als erstes Beispiel behandelt und der Siliciumeinkristall, welcher mit einer Ausziehrate von 95% nach oben herausgezogen wurde, wurde als erstes Beispiel behandelt. Nachdem diese Siliciumeinkristalle nach oben herausgezogen worden sind, wurden die Siliciumeinkristalle mit Neutronen bestrahlt, so dass ein horizontaler spezifischer Widerstand von 50 Ω·cm resultierte. Die anderen Ausziehbedingungen waren im Übrigen wie folgt: Es wurde die heiße Zone B von 2 verwendet, wobei die heiße Zone B der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügte, insbesondere der Beziehung Gc/Ge = 1,2, wobei bezüglich der Temperaturgradienten in Richtung des Ausziehschafts des Einkristalls 11 in einem Temperaturbereich, in dem die Temperatur im Zentrum des Siliciumeinkristalls 11, der nach oben herausgezogen wurde, zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C lag, und der Temperaturgradient im Zentrum des Einkristalls 11 Gc war und der Temperaturgradient an der Außenseite des Siliciumeinkristalls 11 Ge war. Darüber hinaus wurde die Ausziehgeschwindigkeit so eingestellt, dass V/G in den Bereich von 0,23 bis 0,33 fiel und man ein horizontales Magnetfeld von 0,3 T auf die Siliciumschmelze 15 im Schmelztiegel 13 einwirken ließ. Außerdem wurde die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels auf 0,3 U/min eingestellt.
Siebte Vergleichsprüfung und Auswertung
Es wurden die Konzentrationen an interstitiellem Sauerstoff in einer Mehrzahl von Wafern gemessen, welche durch Schneiden der geraden Körper der Siliciumeinkristalle des zehnten und elften Beispiels in regelmäßigen Abständen in der Ausziehrichtung, so dass die Wafer eine vorbestimmte Dicke aufwiesen, erhalten wurden. Die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff wurde mittels Fourie Infrarottransformationsspektroskopie gemessen, wie in ASTM F-121 (1979) spezifiziert. Die Ergebnisse sind in 11 wiedergegeben. Wie 11 eindeutig zeigt, ist im elften Beispiel in letzterem der beiden Teile des geraden Körpers des Siliciumeinkristalls (Auszugsrate: 80% oder größer) ein Kristallteil mit einer Konzentration an interstitiellem Sauerstoff von mehr als 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ entstanden. Im Gegensatz dazu war beim zehnten Beispiel die Sauerstoffkonzentration in Ausziehrichtung im Siliciumeinkristall nahezu einheitlich, unabhängig von der Lage im Siliciumeinkristall. Das heißt, es wurde gefunden, dass unter diesen Ausziehsbedingungen beim Ausziehen eines Siliciumeinkristalls in dem Bereich, in dem die Ausziehrate 80% oder weniger betrug, ein Siliciumeinkristall mit einer Konzentration an interstitiellem Sauerstoff von 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger über die gesamte Länge des geraden Körper gezüchtet werden kann. Nachdem der Siliciumeinkristall übrigens nach dem vollständigen Herausziehen des Siliciumeinkristalls des zehnten Beispiels entfernt worden war, wurde erneut polykristallines Siliciumrohmaterial der im Schmelztiegel verbleibenden Siliciumschmelze in einer dem zehnten Beispiel entsprechenden Menge zugesetzt und unter den gleichen Bedingungen (gezüchtet nach dem Mehrfach-Ausziehverfahren) wie beim zehnten Beispiel erneut ein Siliciumeinkristall gezüchtet. Es wurde gefunden, dass der auf diese Weise gezüchtete Siliciumeinkristall die beinahe gleiche Verteilung der Sauerstoffkonzentration aufwies wie der Siliciumeinkristall des zehnten Beispiels.
Achte Vergleichsprüfung und Auswertung
Ein Siliciumeinkristall 11 wurde unter Verwendung des in 1 dargestellten Ausziehgeräts nach oben herausgezogen. Es wurde die heiße Zone B von 2 verwendet, wobei die heiße Zone B der Beziehung Gc/Ge ≥ 1, insbesondere Gc/Ge = 1,2, genügte, wenn die Temperaturgradienten in Richtung des Ausziehschafts des Einkristalls 11 im Temperaturbereich, in dem die Temperatur im Zentrum des Siliciumeinkristalls 11 beim Ziehen nach oben zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C lag, wobei der Temperaturgradient im Zentrum des Einkristalls 11, der herausgezogen wird, Gc war, und der Temperaturgradient an der Außenseite des Siliciumeinkristalls 11, der nach oben heraus gezogenen wird, Ge war. Zusätzlich wurde die Ausziehgeschwindigkeit so eingestellt, dass V/G in den Bereich von 0,23 bis 0,33 fiel. Außerdem wurde der Siliciumschmelze 15 vor dem Schmelzen des Siliciumrohmaterials durch Zugabe von Phosphor zum Siliciumrohmaterial Phosphor so zugesetzt, so dass der radiale horizontale spezifische Widerstand am oberen Ende des geraden Körpers des nach oben heraus gezogenen Einkristalls 11 100 Ω·cm betrug, und es wurde auf die Siliciumschmelze 15 im Schmelztiegel 13 ein horizontales Magnetfeld von 0,2 T einwirken gelassen. Weiterhin betrug der Durchmesser des Einkristalls 210 mm, die Kristallorientierung des Einkristalls <100> und die Länge des geraden Körpers des Einkristalls 1700 mm. Andererseits wurde der Siliciumeinkristall nach oben unter Drehen des Schmelztiegels heraus gezogen und der Einkristall in Gegenrichtung gedreht, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels in sechs Stufen, nämlich 0,1 Upm, 0,3 Upm, 0,7 Upm, 1,0 Upm, 1,7 Upm und 2,0 Upm und die Rotationsgeschwindigkeit des Einkristalls in acht Stufen von 1 Upm bis 8 Upm eingestellt wurde. Es wurden die Konzentrationen an interstitiellem Sauerstoff in den Wafern gemessen, die aus den so erhaltenen Einkristallen im Abstand von 200 mm vom oberen Ende des geraden Körpers des Siliciumeinkristalls heraus geschnitten worden waren. Die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff wurde mittels Fourie Infrarottransformationsspektroskopie gemessen, wie in ASTM F-121 (1979) spezifiziert. Die so erhaltenen Ergebnisse sind in 12 dargestellt. Wie 12 klar zeigt, konnte die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff im Wafer auf 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger herabgesetzt werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 1,5 Upm oder weniger betrug und die Rotationsgeschwindigkeit des Einkristalls 7 Upm oder weniger betrug.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls, wobei in einem Schmelztiegel, der sich in einer Kammer befindet, eine Siliciumschmelze vorgehalten wird, ein Impfkristall in die Siliciumschmelze getaucht und daraus herausgezogen wird, um einen Siliciumeinkristall zu erzeugen, wobei der Impfkristall und der Siliciumeinkristall rotiert werden und danach der Siliciumeinkristall mit Phosphor dotiert wird, indem der Siliciumeinkristall mit Neutronen bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem ein Siliciumeinkristall mit einer Konzentration an interstitiellem Sauerstoff von 6,0 × 10¹⁷ Atomen/cm³ oder weniger, der einen Bereich enthält, in dem COPs mit einer Größe von 100 nm oder weniger und einer Dichte von 3 × 10⁶ cm^–3 oder weniger entstanden sind, aus dem Schmelztiegel herausgezogen ist, und zwar unter Bedingungen, die der Beziehung Gc/Ge ≥ 1 genügen, wobei, bezüglich der Temperaturgradienten in der Richtung des Ziehens des Siliciumeinkristalls in einem Temperaturbereich, in dem die Temperatur im Zentrum des herausgezogenen Siliciumeinkristalls zwischen dem Schmelzpunkt und 1370°C liegt, Gc der Temperaturgradient im Zentrum des Siliciumeinkristalls ist, der herausgezogen wird, und Ge der Temperaturgradient an der Außenseite des Siliciumeinkristalls ist, der herausgezogen wird, und wobei ein horizontales Magnetfeld von 0,2 T oder mehr auf die Siliciumschmelze in dem Schmelztiegel einwirken gelassen wird, die Rotationsgeschwindigkeit des Schmelztiegels 1,5 U/min oder weniger beträgt, die Rotationsgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls, der herausgezogen wird, 7 U/min oder weniger beträgt, die Variation des spezifischen Widerstands in der Radialebene des Siliciumeinkristalls durch Bestrahlen des Siliciumeinkristalls mit Neutronen auf 5% oder weniger eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Siliciumrohmaterial dem Schmelztiegel zugeführt und geschmolzen wird, nachdem ein Siliciumeinkristall herausgezogen worden ist, so dass die Konzentration an interstitiellem Sauerstoff in dem Siliciumeinkristall über dessen gesamte Länge 6,0 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder weniger beträgt, erneut ein Siliciumeinkristall aus der Siliciumschmelze in dem Schmelztiegel herausgezogen wird, wodurch eine Mehrzahl an Siliciumeinkristallen herausgezogen wird und wobei jeder Siliciumeinkristall, der herausgezogen worden ist, mit Phosphor dotiert wird, indem der Siliciumeinkristall mit Neutronen bestrahlt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Siliciumwafers, wobei COPs über die gesamte Fläche des Wafers eliminiert sind, indem eine Hitzebehandlung durchgeführt wird an einem Siliciumwafer, der erhalten wurde durch Inscheibenschneiden eines Siliciumeinkristalls, der hergestellt wurde durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Hitzebehandlung des Siliciumwafers in der Weise durchgeführt wird, dass dieser in einer Atmosphäre aus Sauerstoffgas auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von 1100 bis 1300°C erhitzt wird und 2 bis 5 Stunden bei dieser vorbestimmten Temperatur gehalten wird.