DE102018210286A1

DE102018210286A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls und Halbleiterscheibe aus Silizium

Info

Publication number: DE102018210286A1
Application number: DE102018210286.4A
Authority: DE
Inventors: Dieter Knerer
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2020-01-02
Also published as: TWI707992B; TW202001010A; WO2020001939A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (150) unter Verwendung einer Vorrichtung (100) mit einem Tiegel, die zum Ziehen des Einkristalls (150) aus einer Schmelze in dem Tiegel (130) dient, wobei als Tiegel (130) ein Tiegel verwendet wird, der wenigstens teilweise aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht, und wobei in der Vorrichtung (100) ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und/oder wobei auf Höhe des Tiegels (130) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121) vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und/oder wobei auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und/oder wobei mittels einer Heizvorrichtung (135) das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben und/oder der Tiegel (130) von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt werden, sowie eine solche Vorrichtung (100).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Tiegel, eine solche Vorrichtung sowie eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium.
Stand der Technik
Einkristalle aus Halbleitermaterial wie Silizium können durch Ziehen aus einer Schmelze des Halbleitermaterials hergestellt werden. Hierzu wird in der Regel ein sog. Impfling in die Schmelze eingebracht und dann hochgezogen. Dieser Vorgang ist auch als die sog. Czochralski-Methode bekannt. Die Schmelze selbst wird durch Aufschmelzen von in der Regel polykristallinem, also festem, Halbleitermaterial gewonnen, das meist als Schüttung in den Tiegel eingebracht wird.
Generell ist es nun gewünscht, den Sauerstoffgehalt solcher Einkristalle möglichst niedrig zu halten. Verunreinigungen in der Vorrichtung bzw. in den Komponenten können dabei meist dadurch gering gehalten werden, indem geeignete Materialien verwendet werden.
Allerdings sind Halbleitermaterialien wie das erwähnte Silizium selbst in aller Regel auch von einem Oxid überzogen bzw. das Halbleitermaterial oxidiert an Luft. Im Falle von Silizium entsteht dabei Siliziumdioxid. Aus der JP 2196082 A ist beispielsweise bekannt, eine solche Oxidschicht zu entfernen, indem das Halbleitermaterial in der Vorrichtung für einen vorgegebenen Zeitraum auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird. Dann wird die Vorrichtung evakuiert oder es wird eine InertgasAtmosphäre darin gebildet.
Außerdem ist es beispielsweise aus der US 2005/0118461 A1 bekannt, bei solchen Vorrichtungen zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium einen Tiegel aus Siliziumnitrid zu verwenden, wodurch die Gefahr, Verunreinigungen durch Sauerstoff aus dem Tiegel, wie dies bei herkömmlichen Tiegeln aus Siliziumdioxid bzw. Quarz der Falls ist, zu vermeiden. Allerdings kann es bei der Verwendung eines Tiegels aus Siliziumnitrid oder entsprechend anderen Nitriden bei mitunter sehr hohen Temperaturen, wie sie beim Ziehen von Einkristallen oftmals nötig sind, zu verschiedenen Problemen bzw. Nachteilen kommen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, bei Verwendung eines Tiegels aus einem Nitrid eines Halbleitermaterials zum Ziehen eines Einkristalls aus diesem Halbleitermaterial, den Herstellungsprozess bzw. Ziehprozess zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls sowie ein Einkristall mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem Tiegel, die zum Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze in dem Tiegel dient. Als Tiegel wird dabei ein Tiegel verwendet, der wenigstens teilweise, vorzugsweise aber auch vollständig, aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht. Im besonders bevorzugten Fall von Silizium als Halbleitermaterial handelt es sich dabei um Siliziumnitrid (Si₃N₄).
Das Halbleitermaterial, aus dem der Einkristall gebildet werden soll, vorzugsweise Silizium, wird dabei in der Regel in fester Form, insbesondere in polykristalliner Form, in den Tiegel eingebracht. Dies kann insbesondere auch als Schüttung erfolgen, d.h. es werden einzelne, kleinere und/oder größere Stücke des Halbleitermaterials in den Tiegel eingebracht bzw. eingeschüttet. Eine solche Vorrichtung weist hierzu neben dem Tiegel in aller Regel auch eine geeignete Zieheinrichtung auf, um den Einkristall aus der Schmelze, die - wie später noch erläutert - aus dem Halbleitermaterial gewonnen wird, zu ziehen. Zudem ist meist ein Hitzeschild vorgesehen, dessen unteres Ende als eine Art Topfkrempe ausgebildet ist. Für eine detailliertere Beschreibung der Vorrichtung sei an dieser Stelle auf die noch folgenden Ausführungen, insbesondere auch die Figurenbeschreibung, verwiesen. Das im Tiegel befindliche Halbleitermaterial wird vor dem Ziehen des Einkristalls erhitzt, sodass das Halbleitermaterial schmilzt. Üblich oder zweckmäßig ist hierbei beispielsweise eine Temperatur von über 1410 °C.
Werden Einkristalle aus Silizium, das sich in herkömmlichen Tiegeln aus Quarz bzw. Siliziumdioxid befindet, gezogen, löst sich Sauerstoff aus dem Tiegelmaterial und kann durch Absenken des Druckes in der Vorrichtung in Form von Siliziummonoxid (SiO) aus der Schmelze entfernt werden. Wird jedoch beispielsweise Siliziumnitrid als Tiegelmaterial verwendet, so löst die Schmelze Stickstoff bis zur Sättigung der Lösung. Es gibt keine chemische Verbindung, die einen wirksam höheren Dampfdruck als Silizium hat und die damit herangezogen werden könnte, um den Stickstoff durch Anlegen eines Vakuums in der Vorrichtung wieder aus der Schmelze zu entfernen.
Zudem ist Siliziumnitrid schon bei Normaldruck bei den erwähnten Temperaturen chemisch nicht mehr stabil und zerfällt zu Silizium und Stickstoff. Bei Normaldruck beginnt dieser Zerfall theoretisch bei etwa 1380 °C, im Vakuum in etwa bei 1200°C. Damit ergibt sich für den üblichen Ziehprozess des Einkristalls bei der erwähnten Temperatur von etwa 1410°C das Problem eines chemisch instabilen Tiegels.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist nun vorgesehen, dass in der Vorrichtung ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar, vorzugsweise von wenigstens 1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird. Vorzugsweise wird zudem in der Vorrichtung ein Gesamtdruck der Atmosphäre auf einen Wert von wenigstens 50 mbar, bevorzugt wenigstens 200 mbar, eingestellt oder eingeregelt. Generell kann der Druck beliebig erhöht werden, jedoch kann beispielsweise bei Verwendung von eigentlich für Vakuum vorgesehenen Vorrichtungen eine zweckmäßige Obergrenze bei 800 mbar liegen, da solche Vorrichtungen nicht für höheren Druck geeignet sind.
Zweckmäßigerweise wird dabei in der Atmosphäre neben Stickstoff wenigstens ein Neutralgas, insbesondere Argon, vorgesehen. Ein solches Neutralgas dient dabei als Schutzgas.
Damit wird also nicht mehr versucht, die Vorrichtung möglichst zu evakuieren, sondern es wird gezielt ein gewisser Druck eingestellt, wobei insbesondere der Partialdruck für Stickstoff - d.h. das Vorhandensein von Stickstoff in der Atmosphäre - genutzt wird, um einen Zerfall des Nitrids aus dem Halbleitermaterial, aus dem der Tiegel besteht, zu reduzieren oder gar zu vermeiden. Die Evakuierung wird bei herkömmlichen Tiegeln aus Siliziumdioxid bzw. Quarz insbesondere deshalb verwendet, um Sauerstoff auszudampfen, was bei der Verwendung von Siliziumnitrid oder anderem Nitrid für Tiegel weder nötig noch zweckmäßig ist.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert zwischen 1 mbar und 10 mbar, bevorzugt zwischen 2 mbar und 5 mbar, eingestellt oder eingeregelt wird. Auf diese Weise kann möglichst nahe an einen Tripelpunkt zwischen - im Falle von Silizium als Halbleitermaterial - Siliziumnitrid, festem Stickstoff und flüssigem Stickstoff herangekommen werden. Für eine nähere Erläuterung sei an dieser Stelle auch auf die Figurenbeschreibung und das zugehörigen Diagramm bzw. Phasendiagramm verwiesen.
Ein weiterer Punkt bei der Verwendung von Tiegeln aus einem Nitrid des Halbleitermaterials ist, dass sich beim Ziehen des Einkristalls aus der Schmelze Kristalle aus dem Nitrid des Halbleitermaterials, also beispielsweise Siliziumnitridkristalle, entmischen. Das schmelzflüssige Halbleitermaterial löst Material des Tiegels bis zur Löslichkeitsgrenze in sich auf, wobei eine maximale Löslichkeit in der Regel stark temperaturabhängig ist.
Nicht nur aufgrund von Temperaturunterschieden kommt es zu einem Wachstum von solchen Kristallen aus dem Nitrid des Halbleitermaterials in der Schmelze, sondern auch durch eine Segregation während des Kristallziehens. Der wachsende Einkristall enthält wesentlich weniger Stickstoff als die Schmelze, weshalb der Stickstoff in der Schmelze angereichert wird. Insofern ist es zweckmäßig, diesen überschüssigen Stickstoff an einem passenden Ort aus dem System zu entfernen, damit Partikel aus dem Nitrid des Halbleitermaterials (sog. Entmischungen) nicht zum Versetzen des Einkristalls führen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist daher vorgesehen, dass auf Höhe des Tiegels (hierbei wird insbesondere auf die Schwerkraftrichtung Bezug genommen) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte und den Tiegel umgebenden Kühlvorrichtung steht. Bei einer solchen „Kühlplatte“ handelt es sich um eine Platte oder auch eine anders geformte Einheit aus einem besonders gut wärmeleitenden Material. Damit kann Wärme bzw. Hitze besonders gut von der Oberfläche der Schmelze bzw. vom Tiegel weggeführt werden. Bei der Kühlvorrichtung kann es sich dabei beispielsweise um eine Wasserkühlung des Anlagenmantels handeln. Auf diese Weise kann die Temperatur im Bereich des Tiegels möglichst niedrig gehalten werden, was einem Zerfall des Nitrids aus dem Halbleitermaterial verhindert bzw. reduziert. Insbesondere kann dabei die Oberfläche der Schmelze möglichst auf Höhe der Kühlplatte positioniert werden bzw. umgekehrt.
Besonders zweckmäßig ist dabei auch, wenn eine Kühlleistung der Kühlplatte mittels einer Kühlplattenheizvorrichtung eingestellt oder geregelt wird. Damit wird eine genauere Einstellung bzw. Regelung der abgeführten Wärme möglich. Eine hierzu nötige Temperatur kann an geeigneter Stelle gemessen werden, beispielsweise mittels eines Temperatursensors, insbesondere eines pyrometrischen Temperatursensors. Ohne eine solche Kühlplattenheizvorrichtung bzw. generell kann eine Kühlleistung der Kühlplatte auch durch deren Dicke (d.h. eine Ausdehnung in Schwerkraftrichtung gesehen) gewählt bzw. einmalig eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels Kristallnadeln aus dem Nitrid des Halbleitermaterials (also insbesondere aus Siliziumnitrid) gebildet bzw. gezüchtet werden. Ein solches Wachstum von Kristallen kann beispielsweise durch gezielte Änderung des Partialdrucks des erwähnten Schutzgases bzw. Neutralgases und/oder durch Änderung des Durchflusses des erwähnten Schutzgases bzw. Neutralgases durch die Vorrichtung variiert werden. Insbesondere bildet sich am Tiegel auf der Innenseite in etwa auf Höhe der Oberfläche der Schmelze eine Wulst aus dem Nitrid des Halbleitermaterials, an der dann gezielt weiter solche Kristalle angewachsen werden können.
Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels (d.h. auf dessen Innenseite) eine Beschichtung mit Kristallisationskeimen, insbesondere mit dreizähligen Kristallkanten, vorgesehen wird. Eine solche Schicht kann dabei mittels chemischer Gasphasenabscheidung (engl. „chemical vapor deposition“ bzw. CVD) erzeugt werden. Dies wird erreicht, indem CVD-Prozessbedingungen ein besonders starkes Kristallwachstum dieser Kristallrichtung erzeugen und sich so passend orientierte Keime durchsetzen. Damit ist es besonders gut und einfach zu erreichen, dass anschließend die Kristallnadeln in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Tiegels wachsen, und so insgesamt besonders viele Kristallnadeln gebildet werden können und besonders viel Stickstoff darin gebunden werden kann.
Zudem ist es dabei bevorzugt, wenn über dem Tiegel eine den zu ziehenden Einkristall umgebende, weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung vorgesehen und betrieben (d.h. aktiv zum Heizen verwendet) wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die erwähnten Kristallnadeln zu nahe an den zu ziehenden Einkristall heranwachsen, was zu unerwünschten Versetzungen im Einkristall führen könnte. Eine solche Heizvorrichtung kann dabei gezielt derart eingestellt bzw. geregelt werden, dass ein ausreichend breiter Bereich um den Einkristall frei von den Kristallnadeln bleibt. Ein zweckmäßig einzustellender Unterschied zwischen der Temperatur, insbesondere Strahlungstemperatur, der Oberfläche der Schmelze und der (niedrigeren) Umgebungstemperatur der Schmelze liegt bevorzugt zwischen 3°C und 8°C.
Ein weiterer Punkt bei der Verwendung von Tiegeln aus einem Nitrid des Halbleitermaterials ist, wie sich aus dem Vorstehenden auch ergibt, dass insgesamt möglichst wenig unnötige Wärme in das System, insbesondere den Tiegel, eingebracht werden sollte, um eine Degradation des Tiegels soweit als möglich zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass mittels einer Heizvorrichtung das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (das sich im Tiegel befindet) von oben (in Schwerkraftrichtung gesehen) und/oder der Tiegel von unten (ebenfalls in Schwerkraftrichtung gesehen) jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung direkt erwärmt werden. Unter einer direkten Erwärmung ist hierbei zu verstehen, dass die von der Heizvorrichtung erzeugte Wärmestrahlung ungehindert auf die betreffende, zu erwärmende Komponente trifft. Bei herkömmlichen Tiegeln aus Siliziumdioxid bzw. Quarz ist es üblich, mittels einer Heizvorrichtung, die den Tiegel seitlich bzw. umfänglich umgibt, das zu schmelzende Silizium indirekt zu erwärmen, nämlich indem mittels der Heizvorrichtung der Tiegel erwärmt wird. Ebenso sind in aller Regel andere Komponenten wie ein Suszpetor vorhanden, die dabei auch erwärmt werden und dann als unnötige bzw. unerwünschte Wärmequellen fungieren.
Durch die unmittelbare Erwärmung des zu schmelzenden Halbleitermaterials bzw. Siliziums im Tiegel durch die Wärmestrahlung wird also unerwünscht eingebrachte Wärme bzw. werden unerwünschte Wärmequellen weitgehend vermieden. Hierzu kann der Tiegel innerhalb der Vorrichtung zweckmäßigerweise in eine Heizposition verfahren werden. In dieser Heizposition ist bzw. wird die Heizvorrichtung dann insbesondere derart angeordnet, dass sie den Tiegel umgibt und an einem oberen Ende oberhalb des Tiegels, in Bezug auf die Schwerkraft, nach innen (insbesondere in radialer Richtung) gebogenen ist. Damit kann der Tiegel zum Schmelzen des Halbleitermaterials gezielt nach unten verfahren werden und durch die gebogene Heizvorrichtung kann das Halbleitermaterial gezielt direkt erwärmt und so geschmolzen werden. Anschließend kann der Tiegel wieder nach oben verfahren werden, sodass der Einkristall gezogen werden kann.
Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, wenn der Tiegel auf einem Tragmittel angeordnet wird, das wenigstens eine Öffnung aufweist, sodass mittels der Heizvorrichtung der Tiegel durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung, die durch die wenigstens eine Öffnung tritt, direkt erwärmt wird. Bei einem solchen Tragmittel kann es sich beispielsweis um ein Rohr mit Öffnungen bzw. Ausnehmungen in den Rohrwänden handeln, sodass die Wärmestrahlung weitestgehend ungehindert und damit direkt den Tiegel erwärmen kann, ohne unnötig andere Komponenten zu erwärmen, die dann wieder als unerwünschte Wärmequellen in der Vorrichtung dienen würden. Anzumerken ist an dieser Stelle, dass dies insbesondere dann zweckmäßig ist, wenn der Tiegel nach oben verfahren ist, um den Einkristall zu ziehen. Eine direkte Erwärmung des Halbleitermaterials im Tiegel ist dann in aller Regel nämlich nicht mehr möglich, sodass also eine indirekte Erwärmung des Halbleitermaterials über den Tiegel erfolgen muss. Durch die Verwendung des vorgeschlagenen Tragmittels kann jedoch auch in diesem Fall unnötiger Wärmeeintrag weitestgehend vermieden werden.
Um die vorgeschlagenen Schritte, die ein Einstellen oder Regeln von Werten bzw. Parametern erfordern, durchzuführen, kann insbesondere eine geeigneten Recheneinheit bzw. Steuereinheit verwendet werden.
Jeder der erwähnten Aspekte trägt zur Lösung des erwähnten Problems bei Verwendung eines Tiegels aus Nitrid des Halbleitermaterials bei, indem eine Degradation des Tiegels bzw. von dessen Material reduziert wird. Wenngleich diese verschiedenen Aspekte auch separat verwendet werden können, kann mit der Verwendung mehrere dieser Aspekte, insbesondere auch aller dieser Aspekte, die Degradation deutlich besser reduziert werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls, die einen Tiegel aufweist, in dem eine Schmelze vorhaltbar ist, aus der der Einkristall ziehbar ist, wobei der Tiegel wenigstens teilweise aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht. Gemäß einem ersten Aspekt ist dabei die Vorrichtung derart eingerichtet, dass darin während eines Betriebs ein Partialdruck für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar, vorzugsweise von wenigstens 1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird. Hierzu kann beispielsweise eine Recheneinheit bzw. Steuereinheit vorgesehen sein. Gemäß einem weiteren Aspekt ist auf Höhe des Tiegels eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte vorgesehen, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte und den Tiegel umgebenden Kühlvorrichtung steht. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Vorrichtung derart eingerichtet, dass während eines Betriebs auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels Kristallnadeln aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden. Auch hier kann die erwähnte bzw. eine weitere Recheneinheit bzw. Steuereinheit vorgesehen sein. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial von oben und/oder der Tiegel von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung direkt erwärmbar sind.
Hinsichtlich der weiteren bevorzugten Ausgestaltungen sowie der Vorteile der Vorrichtung, insbesondere auch hinsichtlich der einzelnen Aspekte, sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten. Es sei jedoch auch an dieser Stelle nochmals angemerkt, dass diese verschiedenen Aspekte separat verwendet werden können, jedoch auch Verwendung mehrere dieser Aspekte, insbesondere auch aller Aspekte, möglich und bevorzugt ist.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die von einem erfindungsgemäß hergestellten Einkristall, beispielsweise mittels einer Drahtsäge, abgetrennt wird. Die Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium hat einen Durchmesser von vorzugsweise mindestens 300 mm und einen Sauerstoffanteil von weniger als 1×10¹⁶ Atome pro cm³, wobei der Sauerstoffanteil gemäß der Norm new ASTM zu verstehen ist. Durch die Verwendung eines Tiegels aus einem Nitrid des Halbleitermaterials ist ein besonders geringer Sauerstoffanteil im Einkristall erreichbar.
Typisch für einkristallines Halbleitermaterial aus Silizium, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, ist ein Stickstoffgehalt von über 1×10¹⁵ Atome pro cm³.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt schematisch die Vorrichtung aus 1 in einer anderen Position.
3 zeigt ein Phasendiagramm für Silizium bzw. Siliziumnitrid in Abhängigkeit von Temperatur und Stickstoffpartialdruck.
4 zeigt schematisch einen Teil eines Tiegels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform.
5 zeigt schematisch eine Beschichtung einer Oberfläche eines Tiegels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform.

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 in bevorzugter Ausführungsform dargestellt, die zum Ziehen eines Einkristalls dient. Mit dieser Vorrichtung 100 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar, welches in bevorzugter Ausführungsform im Folgenden anhand der Vorrichtung 100 näher erläutert werden soll.
In 2 ist die Vorrichtung 100 aus 1 in einer anderen Position während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Im Folgenden sollen die 1 und 2 übergreifend beschrieben werden.
In der Vorrichtung 100 ist ein Tiegel 130 angeordnet, in den festes Halbleitermaterial eingebracht werden kann. Im gezeigten Beispiel in 1 ist Halbleitermaterial mit dem Bezugszeichen 153 angedeutet und es handelt sich beispielsweise um Silizium, hier in Form einer Schüttung, d.h. in Form vieler einzelner Stücke, hier polykristalliner Stücke. Der Tiegel 130 besteht hierbei zumindest teilweise, insbesondere aber vollständig, aus einem Nitrid des Halbleitermaterials, also beispielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄).
Dieses feste Halbleitermaterial wird geschmolzen, sodass sich in dem Tiegel 130 eine Schmelze bzw. geschmolzenes Halbleitermaterial 154 ergibt, wie in 2 gezeigt ist. Hierzu ist eine Heizvorrichtung 135 vorgesehen, die den Tiegel 130 umgibt. Bei dieser Heizvorrichtung 135 kann es sich beispielsweise um einen Ofen oder dergleichen handeln.
Über dem Halbleitermaterial 153 bzw. der Schmelze 154 und dem Tiegel 130 ist ein Hitzeschild 136 angebracht, das dazu dienen kann, die später von der Schmelze 154 abgegebene Wärme zurückzuhalten, um so den Energieverbrauch zu senken.
Aus der Schmelze kann dann später unter Verwendung einer Ziehvorrichtung 140 ein Einkristall 150, wie er in 1 teilweise zu sehen bzw. andeutet ist, gebildet werden. Eine detailliertere Beschreibung des Ziehens des Kristalls soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht erfolgen, da diese sich im Grunde nicht von bekannten Verfahren unterscheidet.
In der in 1 dargestellten Position des Tiegels 130, einer Heizposition PH, kann mittels der Heizvorrichtung 135 erzeugte Wärmestrahlung, hier mit einem Pfeil W angedeutet, direkt das feste Halbleitermaterial 153 erwärmen. Die Heizvorrichtung 135 ist hierzu an einem oberen Ende bzw. Bereich radial nach innen gebogen, sodass die Wärmestrahlung W das feste Halbleitermaterial 153 direkter und großflächiger erreichen kann. Auf diese Weise kann eine indirekte Erwärmung des festen Halbleitermaterial 153 über den Tiegel 130 bzw. dessen Wandung reduziert werden, was zu unerwünschten Wärmequellen innerhalb der Vorrichtung führen würde und damit zur Degradation des Tiegels 130 beitragen würde. Es versteht sich, dass der Tiegel 130 hierzu in geeigneter Weise in die Heizposition PH verfahren werden können muss.
Nachdem das feste Halbleitermaterial 153 geschmolzen wurde und die Schmelze 154 gebildet wurde, kann der Tiegel in eine Ziehposition PZ verfahren werden, in welcher der Einkristall 150 aus der Schmelze 154 gezogen werden kann, wie dies in 2 gezeigt ist.
Der Tiegel 130 ist auf einem Tragmittel 161, beispielsweise in Form eines Rohres oder dergleichen, angeordnet, welches wiederum in bzw. auf einer Auffangwanne 160 angeordnet ist. In dem Tragmittel 161 sind nun Öffnungen vorgesehen, hier beispielhaft mit 162 bezeichnet. Diese Öffnungen 162 erstrecken sich vorzugsweise um wenigstens 50 % des Umfanges (bezogen auf eine Achse in Schwerkraftrichtung) des Tragmittels 161. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass Wärmestrahlung W, die mittels der Heizvorrichtung 135 erzeugt wird, insbesondere in der Ziehposition PZ, direkt den Tiegel 130 bzw. dessen Wandung erreichen kann, und zwar insbesondere auch an Stellen bzw. Bereichen, die bei Verwendung herkömmlicher Tragmittel verdeckt wären.
Auf diese Weise können unerwünschte Wärmequellen innerhalb der Vorrichtung vermieden bzw. reduziert werden, was andernfalls zur Degradation des Tiegels 130 beitragen würde.
Weiterhin ist in der Vorrichtung 100 eine Kühlvorrichtung 120 vorgesehen, die den Tiegel 130 umgibt und bei der es sich beispielsweise um eine Wasserkühlung handeln kann. Weiterhin ist eine ringförmige Kühlplatte 121 vorgesehen, die ebenfalls den Tiegel 130 umgibt (zumindest in der in 2 dargestellten Position) und die mit der Kühlvorrichtung 120 in thermischem Kontakt steht.
Die Kühlplatte weist dabei insbesondere ein thermisch gut leitfähiges Material auf, beispielsweise Platten aus isostatisch gepresstem Grafit. Oberhalb der Kühlplatte 121 sind mehrere Platten 122 aus thermisch isolierendem Material, beispielsweise Kohlenstoff-Filz bzw. Kohlenstoff-Hartfilz, vorgesehen. Auf diese Weise kann in dem Tiegel 130 bzw. der Schmelze 154 entstehende bzw. vorhandene Wärme besonders effektiv und schnell abgeführt werden, wie dies mittels eines Pfeiles F, der einen Wärmefluss darstellt, angedeutet ist. Durch die Verwendung der Platten 122 kann der Wärmefluss gezielt nach außen geführt werden.
Zudem ist eine Kühlplattenheizvorrichtung 125 vorgesehen, mittels welcher die Kühlleistung der Kühlplatte 121 eingestellt bzw. geregelt werden kann. Insbesondere kann damit eine maximale Leistung, auf welche die Kühlplatte in Verbindung mit der Kühlvorrichtung 120 ausgelegt ist, gezielt reduziert werden, falls nötig.
Weiterhin ist in der Vorrichtung 100 eine weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung 138 vorgesehen, die einer Oberfläche der Schmelze 154 zugewandt ist und den zu ziehenden Einkristall 150 umgibt. Mittels dieser weiteren Heizvorrichtung 138 kann erreicht werden, dass Kristallnadeln, die in der Schmelze und an der der Schmelze zugewandten Oberfläche des Tiegels gebildet werden, nicht zu weit an den Einkristall 150 heranwachsen. Hierzu sei auch noch auf die Ausführungen zu den 4 und 5 verwiesen.
In 3 ist ein Phasendiagramm für Silizium bzw. Siliziumnitrid dargestellt, wobei ein Druck p in mbar und logarithmischer Darstellung für einen Partialdruck von Stickstoff über einer Temperatur T in °C aufgetragen ist. Dabei sind drei Phasen gezeigt, wobei P1 eine Phase festen Siliziumnitrids (Si₃N₄), P2 eine Phase festen Siliziums und P3 eine Phase flüssigen Siliziums zeigen.
Anhand dieses Phasendiagramms sind Abhängigkeiten der Umwandlung von Silizium zu Siliziumnitrid sowohl von der Temperatur T als auch dem Partialdruck von Stickstoff P erkennbar.
Anhand dieses Phasendiagramms ist zu erkennen, dass bei einer Temperatur höher als der Schmelztemperatur von Silizium (hier in etwa 1420°C), ein gewisser Partialdruck für Stickstoff zweckmäßig ist, um in einem Bereich (möglichst nahe dem Tripelpunkt) zu bleiben, in dem alle beteiligten Phasen stabil sind, oder die Umwandlung technisch irrelevant langsam verlauft. Besonders die Umwandlungen von Siliziumnitrid zu Silizium und Stickstoff, sowie die Umwandlung von flüssigem Silizium in Siliziumnitrid sind unerwünscht. Allein die Umwandlung von flüssigem Silizium in kristallines, also festes Silizium ist der erwünschte Vorgang.
Insbesondere ein Bereich zwischen 1 mbar und 10 mbar, besonders bevorzugt zwischen 2 mbar und 5 mbar, eignet sich hierfür besonders gut. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Temperatur der Schmelze, beispielsweise durch die anderen, im Rahmen der Erfindung vorgestellten Maßnahmen, möglichst knapp über der Erstarrungstemperatur von Silizium gehalten wird.
Der hierzu nötige Stickstoff kann beispielsweise über die in den 1 und 2 gezeigten Öffnungen 101 in die Vorrichtung 100 eingebracht und mittels einer als Steuer- bzw. Regeleinheit ausgebildeten Recheneinheit 110 eingestellt bzw. geregelt werden. Im Übrigen kann die Atmosphäre in der Vorrichtung ein Neutralgas wie Argon enthalten, wie dies eingangs bereits näher erläutert wurde.
In 4 ist schematisch ein Teil eines Tiegels 130 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform dargestellt, wie sie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist.
Hierbei ist zu sehen, dass sich auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche 131 des Tiegels 130 auf Höhe der Oberfläche 151 der Schmelze eine Wulst 155 bildet. Hintergrund ist hierzu, dass durch die Entnahme von Silizium aus der Schmelze zur Bildung des Einkristalls der Anteil an Stickstoff in der Schmelze erhöht wird. Damit bildet sich ein Ungleichgewicht, das sich in der Bildung von kristallinem Siliziumnitrid n iedersch lägt.
Frei in der Schmelze und frei auf der Schmelzoberfläche treibende Kristalle aus Siliziumnitrid sind unerwünscht, da diese zum Versetzen des Einkristalls führen können.
Deshalb werden nun gezielt - an dieser Wulst 155 - Kristallnadeln aus Siliziumnitrid an der Oberfläche 131 gebildet. Dies geschieht dadurch, dass die Tiegelwand an dieser Stelle durch die Kühlplatte an der Außenseite gekühlt wird und dadurch auch die Innenseite und lokal die daran anliegende Schmelze aus Halbleitermaterial gekühlt wird. Durch diese Kühlung wird nur die Kristallisation von Siliziumnitrid ermöglicht. Indem die Temperatur höher bleibt als die Erstarrungstemperatur von Silizium kann an dieser Stelle nur das Siliziumnitrid an bereits bestehenden Keimen kristallisieren. Diese Kristallnadeln bilden darüber hinaus ein Geflecht in dem sich eventuell doch sporadisch entstehende frei treibende Kristalle verfangen und dadurch unschädlich werden.
Die Kühlposition bleibt immer auf Höhe des Schmelzenspiegels, da der Tiegel während des Kristallziehens stetig weiter nach oben gefahren werden muss. Deshalb entstehen Kristallnadeln über die gesamte Höhe der von der Schmelzoberfläche bestrichenen Tiegelinnenwand. Solche Kristallnadeln sind beispielhaft mit 156 bezeichnet.
Damit kann insgesamt erreicht werden, dass der Bereich der Schmelze, in dem der Einkristall gebildet bzw. gezogen wird, möglichst frei von solchen frei treibenden Kristallen ist, sodass möglichst keine Versetzungen im Einkristall auftreten.
In 5 ist eine Beschichtung 170 einer Oberfläche eines Tiegels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform, wie sie beispielsweise in 4 gezeigt ist, dargestellt.
Bei dieser Beschichtung 170 handelt es sich insbesondere um eine CVD-Schicht mit Kristallisationskeimen 171, die besonders bevorzugt dreizählige Kristallecken aufweisen, wie beispielhaft mit 172 bezeichnet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die an der Oberfläche des Tiegels zu bildenden Kristallnadeln möglichst senkrecht zur Tiegelwand an der Schmelzoberfläche nach innen wachsen.
Durch die Verwendung der in Bezug auf die 1 und 2 erläuterten, weiteren, insbesondere ringförmigen Heizvorrichtung, die den Einkristall umgibt, kann zudem erreicht werden, dass diese Kristallnadeln nicht zu nahe an den Einkristall heranwachsen, sodass etwaige Versetzungen im Einkristall vermieden werden.
Insgesamt kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Vorrichtung ein besonders sauerstoffarmer Einkristall, vorzugsweise ein Einkristall aus Silizium gebildet werden, da trotz der Verwendung von beispielsweise Siliziumnitrid als Material für den Tiegel die dabei auftretenden Probleme bzw. Nachteile, wie sie eingangs erwähnt wurden, weitgehend reduziert bzw. vermieden werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2196082 A [0004]
US 2005/0118461 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls (150) unter Verwendung einer Vorrichtung (100) mit einem Tiegel, die zum Ziehen des Einkristalls (150) aus einer Schmelze (154) in dem Tiegel (130) dient, wobei als Tiegel (130) ein Tiegel verwendet wird, der wenigstens teilweise aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (100) ein Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und/oder dass auf Höhe des Tiegels (130) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121) vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und/oder dass auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und/oder dass mittels einer Heizvorrichtung (135) das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben und/oder der Tiegel (130) von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der Vorrichtung (100) der Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert zwischen 1 mbar und 10 mbar, bevorzugt zwischen 2 mbar und 5 mbar, eingestellt oder eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Vorrichtung (100) der Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und wobei in der Vorrichtung (100) ein Gesamtdruck der Atmosphäre auf einen Wert von wenigstens 50 mbar, bevorzugt wenigstens 200 mbar, eingestellt oder eingeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in der Atmosphäre neben Stickstoff wenigstens ein Neutralgas, insbesondere Argon, vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf Höhe des Tiegels (130) die den Tiegel umgebende Kühlplatte (121) vorgesehen wird, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und wobei eine Kühlleistung der Kühlplatte mittels einer Kühlplattenheizvorrichtung (125) eingestellt oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, indem auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels eine Beschichtung mit Kristallisationskeimen (171), insbesondere mit dreizähligen Kristallkanten (172), vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und wobei über dem Tiegel (130) eine den zu ziehenden Einkristall (150) umgebende, weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung (138) vorgesehen und betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels der Heizvorrichtung (135) das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt wird, indem der Tiegel (130) innerhalb der Vorrichtung (100) in einer Heizposition (PH) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Heizvorrichtung (135) derart angeordnet wird, dass sie den Tiegel (130) umgibt und in der Heizposition (PH) an einem oberen Ende oberhalb des Tiegels, nach innen gebogenen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels der Heizvorrichtung (135) der Tiegel von unten durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmt wird, indem der Tiegel auf einem Tragmittel (161) angeordnet wird, das wenigstens eine Öffnung (162) aufweist, sodass mittels der Heizvorrichtung der Tiegel durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W), die durch die wenigstens eine Öffnung (162) tritt, direkt erwärmt wird.
Vorrichtung (100) zum Ziehen eines Einkristalls (150), mit einem Tiegel (130), in dem eine Schmelze (154) vorhaltbar ist, aus der der Einkristall (150) ziehbar ist, wobei der Tiegel (130) wenigstens teilweise aus einem Nitrid des Halbleitermaterials besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass darin während eines Betriebs ein Partialdruck (p) für Stickstoff auf einen Wert von wenigstens 0,1 mbar eingestellt oder eingeregelt wird, und/oder dass auf Höhe des Tiegels (130) eine den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121) vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und/oder dass die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass während eines Betriebs auf einer der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und/oder dass eine Heizvorrichtung (135) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben und/oder der Tiegel (130) von unten jeweils wenigstens teilweise durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmbar sind.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei auf Höhe des Tiegels (130) die den Tiegel umgebende, insbesondere ringförmige, Kühlplatte (121) vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt mit einer die Kühlplatte (121) und den Tiegel (130) umgebenden Kühlvorrichtung (120) steht, und wobei eine Kühlplattenheizvorrichtung (125) zur Einstellung oder Regelung einer Kühlleistung der Kühlplatte (121) vorgesehen ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und wobei auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels eine Beschichtung mit Kristallisationskeimen (171), insbesondere mit dreizähligen Kristallkanten (172), vorgesehen ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Vorrichtung (100) derart eingerichtet ist, dass auf der der Schmelze zugewandten Oberfläche (131) des Tiegels Kristallnadeln (156) aus dem Nitrid des Halbleitermaterials gebildet werden, und wobei über dem Tiegel (130) eine den zu ziehenden Einkristall (150) umgebende, weitere, insbesondere ringförmige, Heizvorrichtung (138) vorgesehen ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Heizvorrichtung (135) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass das feste und zu schmelzende Halbleitermaterial (153) von oben durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmbar ist, und wobei der Tiegel hierzu innerhalb der Vorrichtung in einer Heizposition (PH) positionierbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei die Heizvorrichtung (135) derart angeordnet ist, dass sie den Tiegel (130) umgibt und in der Heizposition (PH) an einem oberen Ende oberhalb des Tiegels nach innen gebogenen ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Heizvorrichtung (135) derart angeordnet ist, dass der Tiegel von unten durch mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W) direkt erwärmbar ist, und wobei der Tiegel auf einem Tragmittel (161) angeordnet ist, das wenigstens eine Öffnung (162) aufweist, sodass mittels der Heizvorrichtung der Tiegel durch mittels er Heizvorrichtung erzeugter Wärmestrahlung (W), die durch die wenigstens eine Öffnung (162) tritt, direkt erwärmbar ist.
Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die einen Sauerstoffanteil von weniger als 1×10¹⁶ Atome pro cm³ und einen Stickstoffanteil von mehr als 1×10¹⁵ Atome pro cm³ aufweist.