DE10207284A1

DE10207284A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochdotierten Einkristalls aus Silicium

Info

Publication number: DE10207284A1
Application number: DE10207284A
Authority: DE
Inventors: Martin Weber; Erich Gmeilbauer; Robert Vorbuchner
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-09-11
Also published as: TW200303377A; US20030154906A1; CN1439746A; JP2003246695A; KR20030069822A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines hoch dotierten Einkristalls aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze, die Dotierstoff enthält und in einem rotierenden Tiegel enthalten ist. Wachstumsschwankungen werden beim Ziehen des Einkristalls auf einen Betrag von -0,3 mm/min bis 0,3 mm/min begrenzt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines hochdotierten Einkristalls aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze, die Dotierstoff enthält und in einem rotierenden Tiegel enthalten ist.

Für die Herstellung hochreiner Einkristalle, insbesondere einkristalliner Siliciumstäbe, sind das Tiegelziehen nach Czochralski (CZ-Tiegelziehverfahren) und das Zonenziehverfahren üblicherweise angewendete Methoden. Beim Tiegelziehen wird in der Regel der zur Erzeugung der Schmelze vorgesehene mono- oder polykristalline Halbleiterbruch in einem Schmelztiegel vorgelegt. Durch Beheizung wird dann die Tiegeltemperatur gesteigert, bis der Tiegelinhalt nach und nach in den geschmolzenen Zustand übergeht. An die Schmelze wird schließlich ein Impfkristall angesetzt und ein abschnittsweise zylindrisch wachsender Einkristall aus der Schmelze gezogen, wobei der Tiegel und der Einkristall im Allgemeinen gedreht werden. Der Einkristall umfasst den Impfkristall, einen zunächst gezogenen Impflingsdünnhals (Dash neck), einen anschließend gezogenen Anfangskonus als Übergang zum zylindrischen Abschnitt, den zylindrischen Abschnitt selbst und einen Endkonus. Der zylindrische Abschnitt des Einkristalls wird in der Regel zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet.

Ein hochdotierter Einkristall enthält den Dotierstoff in einer Konzentration, die nahe der Sättigungskonzentration liegt. Der Einkristall und davon herausgetrennte Halbleiterscheiben besitzen wegen der hohen Dotierstoffkonzentration niederohmige elektrische Eigenschaften. Die Herstellung eines solchen Einkristalls aus Silicium ist schwierig, weil der Einbau einer vergleichsweise hohen Konzentration von Dotierstoff die Gefahr der Versetzungsbildung beim Ziehen des Einkristalls deutlich erhöht. Andererseits besteht ein wachsender Bedarf an niederohmigen Halbleiterscheiben mit Durchmessern von 200 mm und darüber. Diese können jedoch wegen des genannten Problems im Gegensatz zu hochohmigen (niedrigdotierten) Halbleiterscheiben kaum noch wirtschaftlich hergestellt werden. Versetzungen können sich im Einkristall ausbreiten und ihn unbrauchbar machen. Der gezogene Stab muss dann zurückgeschmolzen und ein neuer, aufwendiger Ziehversuch gestartet werden. Die Zahl der möglichen Ziehversuche ist jedoch beispielsweise durch die Standzeit des Schmelztiegels begrenzt, so dass gegebenenfalls kein defektfreier Einkristall mehr gezogen werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem versetzungsfreie Einkristalle aus Silicium, die hochdotiert sind, wirtschaftlich hergestellt werden können. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines hoch dotierten Einkristalls aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze, die Dotierstoff enthält und in einem rotierenden Tiegel enthalten ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Wachstumsschwankungen beim Ziehen des Einkristalls auf einen Betrag von -0,3 mm/min bis 0,3 mm/min begrenzt werden.

Überraschenderweise gelingt es, die Versetzungshäufigkeit deutlich zu reduzieren, wenn die Wachstumsschwankungen im vorgeschlagenen Bereich gehalten werden. Die Grenzen des Bereichs stellen maximal erlaubte Abweichungen von einer vorgegebenen Wachstumsgeschwindigkeit dar. Durch das gezielte Vermeiden von Schwankungen der Wachstumsgeschwindigkeit wird vermutlich ein homogenerer Einbau des Dotierstoffes ermöglicht, so dass Versetzungen auslösende, lokale Spannungen im wachsenden Einkristall wesentlich seltener auftreten.

Die Erfindung wird vorteilhafterweise zur Herstellung von Einkristallen aus Silicium eingesetzt, insbesondere solche, die mit Arsen, Antimon oder Phosphor dotiert sind und die im Fall einer Dotierung mit Arsen einen spezifischen Widerstand von vorzugsweise höchstens 3 mOhm.cm, besonders bevorzugt höchstens 2 mOhm.cm, im Fall einer Dotierung mit Antimon einen spezifischen Widerstand von vorzugsweise höchstens 20 mOhm.cm, besonders bevorzugt höchstens 15 mOhm.cm, und im Fall einer Dotierung mit Phosphor einen spezifischen Widerstand von vorzugsweise höchstens 2 mOhm.cm, besonders bevorzugt höchstens 1.5 mOhm.cm aufweisen. Werden die Wachstumsschwankungen wie vorgeschlagen begrenzt, ist ein versetzungsfreies Kristallwachstum selbst im hochdotierten Bereich, nahe der Sättigungsgrenze des Dotierstoffes möglich.

Die angestrebten hohen Dotierstoffkonzentrationen, die zu den niedrigen spezifischen Widerständen führen, werden aufgrund der Segregation in der Regel erst im hinteren Bereich des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls erreicht. Der besondere Vorteil der Erfindung macht sich daher insbesondere in dieser Phase des Ziehvorgangs bemerkbar. Das gezielte Unterdrücken von Wachstumsschwankungen ist jedoch auch für das versetzungsfreie Ziehen von Impflingsdünnhals, Anfangskonus oder Endkonus von Vorteil.

Unerwünschte Wachstumsschwankungen können beispielsweise durch Regelung der Zufuhr von Wärmeenergie zur Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem wachsenden Einkristall begrenzt werden. Dies kann beispielsweise durch eine feinjustierte Heizleistungsvorgabe erreicht werden. Die Wärmezufuhr zum wachsenden Einkristall lässt sich auch über die Tiegelrotation effizient regeln. Wachstumsschwankungen können auch durch Anlegen eines Magnetfelds begrenzt werden, das die Konvektion in der Schmelze beeinflusst. Vorteilhaft sind auch niedrige Ziehgeschwindigkeiten, bei denen der Kristallhub beim Ziehen des Einkristalls vorzugsweise nicht mehr als 0.8 mm/min, besonders bevorzugt nicht mehr als 0.6 mm/min beträgt. Schließlich kann der Kristallhub selbst auch als Parameter zur Regelung der Wachstumsgeschwindigkeit und zur Verminderung von Wachstumsschwankungen herangezogen werden. Besonders bevorzugt ist es, zwei oder mehrere der genannten Einflussmöglichkeiten zur Begrenzung von Wachstumsschwankungen und gegebenenfalls zur Regelung des Durchmessers des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls zu kombinieren.

Beispiel

Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren verdeutlicht. Sie zeigen das Ergebnis von Ziehversuchen, bei denen mit Arsen dotierte Einkristalle mit einem Durchmesser von 200 mm nach der Czochralski-Methode hergestellt wurden.
Fig. 1 zeigt eine vergleichende Betrachtung des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit der Länge des Einkristalls. Es ist zu erkennen, dass bei einem konventionell (a) gezogenen Einkristall nach dem Erreichen eines bestimmten spezifischen Widerstands kein weiteres, versetzungsfreies Wachstum mehr möglich war. Wurde hingegen bei ansonsten gleichen Bedingungen so gezogen, dass Wachstumsschwankungen im beanspruchten Bereich blieben (b), waren auch Stabanteile mit niedrigem spezifischen Widerstand von unter 2,0 mOhm.cm versetzungsfrei ziehbar.
In Fig. 2 ist für die gleichen Ziehversuche die Wachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Länge des Einkristalls aufgetragen. Es wird deutlich, dass bereits eine geringfügige Missachtung der empfohlenen Begrenzung der Wachstumsschwankungen nachteilige Folgen hat. Die vorgesehene volle einkristalline Stablänge konnte nicht mehr erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines hoch dotierten Einkristalls aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze, die Dotierstoff enthält und in einem rotierenden Tiegel enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass Wachstumsschwankungen beim Ziehen des Einkristalls auf einen Betrag von -0,3 mm/min bis 0,3 mm/min begrenzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsschwankungen durch Regelung der Zufuhr von Wärmeenergie zur Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem wachsenden Einkristall begrenzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsschwankungen durch die Wahl einer niedrigen Ziehgeschwindigkeit begrenzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsschwankungen durch Anlegen eines Magnetfelds begrenzt werden, das die Konvektion in der Schmelze beeinflusst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsschwankungen durch Regelung der Tiegelrotation begrenzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsschwankungen durch Regelung des beim Ziehen des Einkristalls erfolgenden Kristallhubs begrenzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit Arsen, Antimon oder Phosphor dotiert wird.