DE10259588A1 - Einkristall aus Silicium und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Einkristall aus Silicium, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge ein einheitliches Defektbild und enge radiale Dotierstoff- und Sauerstoffvariationen besitzt, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. DOLLAR A Das Verfahren gemäß der Czochralski-Methode beinhaltet das Herbeiführen einer Temperaturverteilung in der Schmelze im Bereich der Erstarrungsfront, die von der Rotationssymmetrie abweicht.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Einkristall aus Silicium und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei der Einkristall aus einer Schmelze nach der Czochralski-Methode gezogen wird. Diese Methode ist lange bekannt und wird in industriellem Maßstab eingesetzt, um Halbleiterscheiben zu erzeugen, die wiederum das Grundmaterial für die Herstellung elektronischer Bauelemente sind.
  • Es ist weiterhin bekannt, dass die Herstellung von Einkristallen, die einen Durchmesser von 200 mm oder größer haben, eine besondere Herausforderung darstellt, insbesondere, weil es große Schwierigkeiten bereitet, die radialen Kristalleigenschaften in einem möglichst engen Bereich gezielt einzustellen. Im Wesentlichen betrifft das die Konzentration von Fremd- oder Dotierstoffen und Kristalldefekten beziehungsweise deren Agglomerate. Die radialen Kristalleigenschaften werden im wesentlichen durch die thermischen Verhältnisse an der Erstarrungsfront und den dort vorliegenden Stoffkonzentrationen bestimmt. Wärmequellen sind die eingesetzten Heizer und die bei der Erstarrung abgegebene Kristallisationswärme. Letztere bewirkt beispielsweise bei einem Einkristall aus Silicium mit einem Durchmesser von 300 mm bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0.4 mm/min bereits etwa 2 kW zusätzliche Wärmeleistung an der Erstarrungsfront. Neben der direkten Strahlung und Wärmeleitung sind die von den Schmelzenströmen vermittelten Wärmetransporte von wesentlicher Bedeutung. Die Wärmeabfuhr im Bereich der Erstarrungsfront wird maßgeblich von der abgestrahlten Wärme und der Wärmeableitung im Einkristall bestimmt. Insgesamt lässt sich der Wärmehaushalt daher durch den Aufbau der Ziehanlage, das heißt über die geometrische Anordnung der wärmeleitenden Teile, der Wärmeschilder und durch zusätzliche Wärmequellen einstellen. Es tragen jedoch auch die Prozessbedingungen wie beispielsweise Wachstumsgeschwindigkeit, Druck, Menge, Art und Führung von Spülgasen durch die Ziehanlage wesentlich zur Wärmebilanz bei. Mit einer Erhöhung des Druckes oder der Spülgasmenge wird beispielsweise eine Temperaturverringerung erreicht. Größere Ziehgeschwindigkeiten steigern die erzeugte Kristallisationswärme.
  • Die wärmetransportierenden Schmelzenströme einzustellen erweist sich häufig als schwierig, da eine vollständige theoretische Vorausberechnung sehr kompliziert ist. Die Schmelzenströme sind abhängig von Betrag und Richtung der Drehungen des Tiegels und des Einkristalls. Eine gleichsinnige Drehung ergibt beispielsweise ein völlig anderes Konvektionsmuster als eine Gegensinnige. In der Regel wird eine gegensinnige Drehung. bevorzugt, die im Vergleich zu weniger sauerstoffreichem Material führt und stabiler über die gezogene Länge des Einkristalls ist. Die Schmelzenströme können auch durch die Kraftwirkung von angelegten elektromagnetischen Feldern beeinflusst werden. Statische Magnetfelder werden zur Verlangsamung verwendet, während dynamische Felder sowohl Betrag als auch Richtung der Schmelzenströme gezielt ändern und erhöhen können.
  • Die radiale Temperaturverteilung im Erstarrungsbereich des Einkristalls wird wesentlich durch die am Rand abgestrahlte Wärme bestimmt. Deshalb beobachtet man in der Regel einen viel stärkeren Temperaturabfall am Rand des Einkristalls, als in dessen Zentrum. Der axiale Temperaturabfall wird meistens mit G (axialer Temperaturgradient) bezeichnet. Seine radiale Variation G(r) bestimmt ganz wesentlich die Kristalleigenpunktdefektverteilung und damit auch die weiteren Kristalleigenschaften. Die sich aus dem Wärmehaushalt ergebende radiale Änderung des Temperaturgradienten G wird in der Regel aus numerischen Simulationsrechnungen bestimmt. Zur Kontrolle der Berechnungen werden dazu axiale Längsschnitte des Einkristalls erstellt und durch geeignete Präparationsmethoden der radiale Verlauf der Erstarrungsfront sichtbar gemacht. In der Regel zeigt sich eine deutlich nach oben durchgebogene Erstarrungsfront. Ein flachere Form deutet auf einen homogeneren Temperaturgradienten hin. Die radiale Variation des Temperaturgradienten kann aus dem Verhalten der radialen Kristalldefektverteilung für verschieden Wachstumsgeschwindigkeiten genauer abgeleitet werden.
  • Im Hinblick auf die Entstehung von Kristalldefekten ist das Verhältnis v/G(r) von herausragender Bedeutung, wobei G(r) der axiale Temperaturgradient an der Erstarrungsfront des Einkristalls in Abhängigkeit von der radialen Position im Einkristall und v die Geschwindigkeit ist, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird. Liegt das Verhältnis v/G über einem kritischen Wert k1, so treten überwiegend Leerstellendefekte (vacancies) auf, die agglomerieren können und dann beispielsweise als COPs (crystal originated particles) identifiziert werden können. Sie werden je nach Nachweismethode gelegentlich auch als LPD (light point defects) oder LLS bezeichnet. Aufgrund des meist abfallenden radialen Verlaufes von v/G treten die COPs am häufigsten im Zentrum des Einkristalls auf. Im allgemeinen haben sie Durchmesser von etwa 100 nm und können bei der Bauelementeherstellung Probleme bereiten. Größe und Anzahl der COPs bestimmen sich aus der Ausgangskonzentration, den Abkühlraten und der Anwesenheit von Fremdstoffen bei der Agglomeration. Die Anwesenheit von Stickstoff führt beispielsweise zu einer Verschiebung der Größenverteilung zu kleineren COPs mit größerer Defektdichte.
  • Liegt das Verhältnis von v/G unter einem kritischen Wert k2, der kleiner als k1 ist, so treten überwiegend Siliciumeigenpunktdefekte in Form von Zwischengitteratomen (silicon selfinterstitials) in Erscheinung, die ebenfalls Agglomerate bilden können und sich makroskopisch als Versetzungsschleifen zeigen. Diese werden häufig als A-Swirl, die kleinere Form als B-Swirl, oder kurz aufgrund ihrer Erscheinung als Lpit-Defekte (large etch pits) bezeichnet. In ihrer Größe liegen Lpits im Bereich von über 10 μm. In der Regel können selbst epitaktische Schichten diese Defekte nicht mehr fehlerlos überdecken. Auch diese Defekte können daher die Ausbeute bei Bauelemente beeinträchtigen.
  • Im weitesten Sinne wird der Bereich, in dem weder eine Agglomeration von Leerstellen noch von Zwischengitteratomen stattfindet, in dem also v/G zwischen k1 und k2 liegt, als neutrale Zone oder perfekt bezeichnet. Man unterscheidet jedoch weiter einen Bereich, in dem sich noch freie nicht agglomerierte Leerstellen befinden, und ein von Zwischengitteratomen bestimmtes Gebiet. Der Leerstellenbereich, auch v-Gebiet (vacancies) genannt, zeichnet sich dadurch aus, dass bei genügend hohem Sauerstoffgehalt des Einkristalls dort sauerstoffinduzierte Stapelfehler entstehen, während der i-Bereich (interstitials) völlig fehlerfrei bleibt. Im engeren Sinne ist daher nur das i-Gebiet ein wirklich perfekter Kristallbereich.
  • Große Sauerstoffausscheidungen mit einem Durchmesser von über etwa 70 nm können als sauerstoffinduzierte Stapelfehler (OSF) sichtbar gemacht werden. Dazu werden die aus dem Einkristall geschnittenen Halbleiterscheiben durch eine spezielle Temperaturbehandlung präpariert, die als feuchte Oxidation bezeichnet wird. Das Größenwachstum der beim Kristallwachstumsprozess entstandenen Sauerstoffpräzipitate, die gelegentlich auch als as grown BMD (bulk micro defects) bezeichnet werden, wird durch die Leerstellen des Siliciumgitters gefördert. Daher findet man OSF nur im v-Bereich.
  • Praktisch defektfrei wird der Einkristall, wenn es gelingt, die Ziehbedingungen so einzustellen, dass der radiale Verlauf der Defektfunktion V/G(r) innerhalb der kritischen Grenzen der COP- oder Lpit-Bildung liegt. Das ist jedoch insbesondere dann nicht einfach zu realisieren, wenn Einkristalle mit einem vergleichsweise großen Durchmesser gezogen werden, weil dann der Wert von G deutlich vom Radius abhängt. In diesem Fall ist der Temperaturgradient am Kristallrand aufgrund von Wärmestrahlungsverlusten sehr viel höher als im Zentrum.
  • Der radiale Verlauf der Defektfunktion v/G(r) beziehungsweise des Temperaturgradienten G(r) führt dazu, dass auf einer, aus dem Einkristall geschnittenen Halbleiterscheibe, mehrere Defektbereiche vorhanden sein können. Im Zentrum treten bevorzugt COPs auf. Die Größenverteilung der agglomerierten Leerstellen ergibt sich aus der Abkühlrate des Einkristalls im Bereich der Erstarrungsfront. Durch eine hohe Abkühlrate oder mittels Stickstoffdotierung der Schmelze kann die Größenverteilung der COPs von wenigen großen zu vielen kleinen, weniger störenden COPs gezielt verändert werden. An das COP-Gebiet schließt sich der sauerstoffinduzierte Stapelfehlerkranz (OSF) an, als Ergebnis der Wechselwirkungen von Siliciumleerstellen und Sauerstoffausscheidungen. Nach außen folgt ein völlig defektfreies Gebiet, das wiederum von einem Bereich mit Kristalldefekten bestehend aus Siliciumzwischengitteragglomeraten (LPITs) begrenzt wird. Am Rand des Einkristalls diffundieren die Zwischengitteratome abhängig von den thermischen Verhältnissen aus, sodass dort wiederum ein zentimeterbreiter, defektfreier Ring entstehen kann.
  • Die auftretenden Kristalldefektbereiche im Zusammenhang mit dem radialen v/G-Verlauf sind bei Eidenzon/Puzanov in Inorganic Materials, Vol. 33, No3, 1997, pp. 219–255 ausführlich dargestellt. In diesem Beitrag wird auch bereits auf Möglichkeiten verwiesen, defektfreies Material herzustellen. Dabei wird sowohl auf die notwendigen Abkühlraten im Temperaturbereich der Agglomeration, auf die Einflussnahme mittels Stickstoffdotierung und auf Methoden wie der oszillierenden Wachstumsgeschwindigkeit verwiesen. Bis zu einem gewissen Grad kann eine Homogenisierung von v/G(r) über den Kristalldurchmesser durch den Einsatz von passiven oder aktiven Hitzeschildern in Bereich der Erstarrungsfront erreicht werden, wie es beispielsweise in der Patentliteratur EP 866150 B1 oder US 6153008 dargestellt wurde. Jedoch wird die Homogenisierung des Temperaturgradienten mit diesen Methoden bei großen Einkristallen immer schwieriger.
  • In Anbetracht der bisherigen Kenntnisse stellt sich, insbesondere im Hinblick auf Kristalldurchmesser von 200 mm und größer, die Herausforderung, neue wirtschaftliche Methoden zur Einstellung der erforderlichen Wachstumsbedingungen zu finden, damit das vom Kunden verlangte Defektprofil erhalten wird. Halbleiterscheiben, die nur COPs, insbesondere solche mit einer vorgegebenen Größen- und Dichteverteilung aufweisen und Halbleiterscheiben, die keine Agglomerate von Punktdefekten haben, sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse. Aber auch Halbleiterscheiben mit Stapelfehlerkranz (ring-wafer), mit beiden oder mit nur einem Punktdefekttyp können vom Kunden spezifiziert sein. Die Herausforderung besteht insbesondere darin, die Wachstumsbedingungen so einzustellen, dass möglichst viele Halbleiterscheiben mit den spezifizierten Defekteigenschaften vom Einkristall abgetrennt werden können.
  • Die gezielte Steuerung des radialen Verlaufes des axialen Temperaturgradienten G(r) an der Erstarrungsfront und der Wachstumsgeschwindigkeit v ermöglicht es nicht nur, bestimmte Defektverteilungen im Einkristall einzustellen. Da der Einbau von Sauerstoff und Dotierstoffen in den Einkristall ebenfalls stark von der Wachstumsgrenze abhängt, lassen sich durch eine gezielte Steuerung des Temperaturgradienten auch radiale Variationen von Dotierstoff- und Sauerstoffverteilungen reduzieren.
  • Eine Möglichkeit für eine solche Steuerung bietet die Anwendung von Magnetfeldern während des Ziehens des Einkristalls, weil mit Magnetfeldern Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und damit auf den Temperaturhaushalt, insbesondere im Bereich der Erstarrungsfront genommen werden kann. Beschreibungen finden sich zur Anwendung von statischen Magnetfeldern (horizontale, vertikale und CUSP Magnetfelder), ein- oder mehrphasigen Wechselfeldern, rotierenden Magnetfeldern und magnetischen Wanderfeldern. Gemäß den Patentanmeldungen EP-1225255 A1 und US-2002/0092461 A1 wird beispielsweise ein magnetisches Wanderfeld eingesetzt, um den Einbau von Sauerstoff in den Einkristall kontrollieren zu können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem die Konzentration von Eigendefekten und von Fremdstoffen wie Sauerstoff und Dotierstoff in radialer Richtung gezielt und in einem engen Bereich einstellbar ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls gemäß der Czochralski-Methode aus einer Schmelze, die in einem sich drehenden Tiegel vorgehalten wird, das dadurch gekenn zeichnet ist, dass in der Schmelze im Bereich einer Erstarrungsfront eine Temperaturverteilung bewirkt wird, die von der Rotationssymmetrie abweicht.
  • In der konventionellen Czochralski-Methode werden symmetrische physikalische Bedingungen eingehalten, das heißt, die Schmelzenströme und die Temperaturverteilung folgen der rotationssymmetrischen Anordnung beim Kristallziehen.
  • Die Erfinder des nachstehend beschriebenen Verfahrens haben herausgefunden, dass eine gezielte Störung der Rotationssymmetrie des Temperaturfeldes in der Schmelze, insbesondere im Bereich der Erstarrungsfront, eine auf den axialen Temperaturgradienten G(r) und die Stoffkonzentrationen von Sauerstoff und Dotierstoffen vergleichmäßigende Wirkung über den Kristalldurchmesser hat. Diese Wirkung äußert sich beispielsweise auch darin, dass die Krümmung der Erstarrungsfront wesentlich geringer ist, als das im Fall eines rotationssymmetrischen Temperaturfeldes zu beobachten ist.
  • Erfindungsgemäß wird dies zur Herstellung von Einkristallen ausgenützt, deren Konzentrationen an Defekten, Sauerstoff und Dotierstoffen in radialer Richtung in einem engen Toleranzbereich liegen, wobei diese Konzentrationen unter Berücksichtigung der v/G-Beziehung gezielt eingestellt werden können.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Einkristall aus Silicium, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge ein einheitliches Defektbild und enge radiale Dotierstoff- und Sauerstoffvariationen besitzt. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind ein Einkristall, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge auf 60 Prozent der Querschnittsfläche oder mehr frei von agglomerierten Eigenpunktdefekte ist, ein Einkristall, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge nur agglomerierte Leerstellen enthält, und ein Einkristall, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge nur agglomerierte Zwischengitteratome enthält. Die Einkristalle besitzen darüber hinaus vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 200 mm und weisen vorzugsweise radiale Dotierstoffvariationen von unter 10% über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge und radiale Sauerstoffvariationen von unter 10% über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge auf.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein, an die Schmelze angelegtes Magnetfeld, vorzugsweise ein magnetisches Wanderfeld (traveling field), teilweise abgeschirmt, so dass die Rotationssymmetrie der Feldlinien in Bezug auf die Rotationsachse des Tiegels gebrochen wird. Eine Wirkung auf die Temperaturverteilung im Bereich der Erstarrungsfront haben insbesondere die Form und das Material der eingesetzten Abschirmung, die Amplitude und die Frequenz des Magnetfelds und die Tiegeldrehung.
  • Als magnetische Abschirmung können metallische Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Kupferplatten mit einer Dicke von einem bis mehreren Zentimetern, welche innerhalb der Magnetspulen angeordnet sind. Die Eindringtiefe von dynamischen Magnetfeldern ist von der verwendeten Frequenz abhängig. Es werden daher Frequenzen von 10 Hz bis etwa 1000 Hz eingesetzt. Bei der Verwendung von magnetischen Wanderfeldern mit teilweiser Abschirmung in Form von rechteckigen Kupferplatten ist eine Frequenz im Bereich von 30 Hz besonders geeignet. Die Stärke des Magnetfeldes bestimmt ebenfalls dessen Wirkung. Es werden für die Erzeugung von Wechselfeldern Stromstärken von vorzugsweise bis zu 500 A bei bis zu 50 Spulenwindungen benutzt. Hohe Tiegeldrehungen, insbesondere Drehungen von 3 U/min und höher reduzieren den Einfluss des Magnetfeldes, d.h. die gewünschte nichtrotationssymmetrische Wirkung auf die Schmelzenströme nimmt dann deutlich ab. Zu Berücksichtigen ist ferner auch die jeweils im Tiegel vorliegende Schmelzenmenge, weil sich davon abhängig verschiedene Schmelzenstrommuster ausbilden können. Die notwendigen Bedingungen, das heißt das Verhältnis von Magnetfeld, Abschirmung und Ziehprozessparameter, wie beispielsweise der Tiegeldrehung werden durch Experiment und abschätzenden Simulationsrechnungen jeweils näher bestimmt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Einkristall außeraxial gezogen, mit anderen Worten, beim Ziehen des Einkristalls liegen die Rotationsachsen von Einkristall und Tiegel nicht deckungsgleich, was zu ähnlichen vorteilhaften Ergebnissen insbesondere was die Verringerung der radialen Variationen der Fremd- oder Dotierstoffkonzentrationen führt. Allerdings sind bei dieser Ausführungsform die im Ziehprozess steuerbaren Eingriffsmöglichkeiten begrenzt. In einzelnen Versuchen konnten die radialen Variation insbesondere des Sauerstoffgehaltes um bis zu ein Prozent verbessert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren weiter erläutert. In 1 ist das konventionelle Kristallziehverfahren schematisch dargestellt. Im Vergleich dazu wird in 2 die Anordnung für außeraxiales Kristallziehen gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens dargestellt. 3 zeigt eine für den Stand der Technik typische rotationssymmetrische Anordnung, bei der ein magnetisches Wanderfeld eingesetzt wird. Die Anordnung gemäß 4 unterscheidet sich davon durch eine zusätzlich vorgesehene magnetische Abschirmung, die die rotationssymmetrischen Verhältnisse bricht. 5 zeigt eine bevorzugte Anordnung mit zwei geteilten magnetischen Abschirmungen. In 6 bis 10 sind Ergebnisse von Messungen und von Simulationsrechnungen wiedergegeben, die die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung verdeutlichen.
  • In 1 ist das konventionelle Kristallziehverfahren schematisch dargestellt. Es zeigt die Anordnung von Einkristall 1, Erstarrungsfront 2, Tiegel, Schmelzenströme 3 und Tiegelheizung 4. Im Vergleich dazu ist in 2 eine Anordnung für außeraxiales Kristallziehen gemäß der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, verdeutlicht durch die unterschiedliche Lage von Tiegeldrehachse 5 und Kristalldrehachse 6. Drehachsenabstände von über einen Zentimeter führen bereits zu deutlich veränderten, nicht mehr rotationssymmetrischen Verhältnissen an der Erstarrungsfront.
  • In den nachfolgenden Abbildungen ist die Erfindung am Beispiel eines angewendeten magnetischen Wanderfeldes erläutert. Die jeweils schematisch dargestellten Schmelzenströme resultieren aus begleitenden Simulationsberechnungen. 3 zeigt eine für den Stand der Technik typische rotationssymmetrische Anordnung unter Verwendung eines magnetisches Wanderfeldes, aufgrund der Kraftwirkung auf die Schmelzströme auch als TMF- bezeichnet, umfassend einem Einkristall 1, eine Erstarrungsfront 2 und einen Heizer 4. Die Wirkung des magnetisches Wanderfeldes, welches durch Magnetspulen 8 erzeugt und mit magnetischen Feldlinien 7 verdeutlicht ist, zeigt sich in den resultierenden Schmelzenströmen 3. Die Anordnung gemäß 3 mit einem axial aus einem Tiegel gezogen Einkristall 1, konzentrisch zum Einkristall und dem Tiegel liegender Tiegelheizung 4 und magnetischer Einrichtung 8 erzeugt einen konventionell benutzten Schmelzenfluss 3 und ist typisch für die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren. Die schematisch dargestellten magnetischen Spulen 8 haben eine Windungszahl von bis zu 50 und können elektrische Ströme bis zu 500 A führen bei einem Spulendurchmesser über 500 mm.
  • 4 repräsentiert eine Anordnung zur Durchführung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und weist deshalb im Vergleich zur Anordnung gemäß 3 zusätzlich eine magnetische Abschirmung 9 auf, die die rotationssymmetrischen Verhältnisse bricht. Es stellen sich völlig veränderte wärmetransportierende Schmelzenströme 3 ein, die beispielsweise zu einer deutlichen Abflachung der Erstarrungsfront 2 führen und zur radialen Homogenisierung des Temperaturgradienten G(r) benutzt werden können. Die verwendete metallische Abschirmung führt dazu, dass die Rotationssymmetrie des auf die Schmelze und den Einkristall wirkenden Magnetfelds verloren geht und ein asymmetrisches magnetisches Wanderfeld resultiert (ATMF-), welches den von der Rotationssymmetrie abweichenden Schmelzenfluss 3 bewirkt. Simulationsrechnungen weisen darauf hin, dass zwei oder mehrere Abschirmungen, die insgesamt bis zu 2/3 der dem Einkristall zugewandten Magnetspulenfläche abschirmen und symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind, noch deutlich günstigere Schmelzenströme erzeugen, so dass eine hervorragende Homogenisierung des Temperaturgradienten G(r) an der Erstarrungsfront zu erwarten ist. In 5 ist zur Veranschaulichung eine besonders bevorzugte Anordnung mit zwei geteilten magnetischen Abschirmungen 9 und 10, die zwischen der magnetfelderzeugenden Einrichtung 8 und dem Tiegel angebracht sind dargestellt.
  • Beispiele:
  • Im Nachfolgenden wird anhand von Beispielen die Wirkung erfindungsgemäßer Anordnungen im Vergleich zu konventionellen Anordnungen näher erläutert.
  • 6 zeigt den axialen Längsschnitt eines Einkristalls, der unter konventionellen Bedingungen mit rotationssymmetrischen magnetischen Wanderfeld, entsprechend der in 3 dargestellten Anordnung, gezogen wurde. Aus im Längsschnitt dargestellten Lebensdauermessungen (lifetime measurement μPCD) wird der stark gekrümmte radiale Verlauf der Erstarrungsfront 11 sehr deutlich. In 7 ist zum Vergleich eine Lebensdauermessung dargestellt, die die Wirkung einer teilweisen Abschirmung eines magnetischen Wanderfelds deutlich macht. Bei der Kristallherstellung wurde eine in 4 schematisch dargestellte Anordnung mit asymmetrischem Wanderfeld (ATMF-) benutzt, bei im übrigen gleichen Kristallziehbedingungen. Die am Längsschnitt des Einkristalls gemessene Lebensdauer weist im Unterschied zu 6 eine viel geringere Krümmung der Erstarrungsfront auf. Die flachere Erstarrungsfront, deutlich gemacht in der hervorgehobenen Kurve 12, lässt auf eine Vergleichmäßigung des axialen Temperaturgradienten G(r) im Bereich der Erstarrungsfront schließen.
  • In 8 sind die Resultate mehrerer Lebensdauermessungen zusammengefasst, um die verschiedenen Krümmungsverläufe der Erstarrungsfront (solidification interface) von symmetrischen Wanderfeld (TMF-) und asymmetrischen Wanderfeld (ATMF-) in der Anordnung wie sie in 3 beziehungsweise 4 schematisch dargestellt wurden, gegenüber zu stellen.
  • Aus den Untersuchungsergebnissen wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen, der in 9 dargestellte radiale Verlauf des axialen Temperaturgradienten abgeschätzt. Analog zur flacheren Erstarrungsfront ist eine Homogenisierung des Temperaturgradienten und damit von v/G(r) zu erwarten. Die flachere Erstarrungsfront macht sich auch in der radialen Verteilung der Fremdstoffe, insbesondere der Sauerstoffkonzentration bemerkbar. Die statistische Gegenüberstellung von radialen Sauerstoffvariationen (radial oxygen variations) in 10 von Einkristallen gezogen unter symmetrischen Wanderfeld (TMF-) und asymmetrischen Wanderfeld (ATMF-) weist auf einen gleichmäßigeren Einbau des Sauerstoffes über den Durchmesser des Einkristalls bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung hin.

Claims (20)

  1. Einkristall aus Silicium, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge ein einheitliches Defektbild und enge radiale Dotierstoff- und Sauerstoffvariationen besitzt.
  2. Einkristall nach Anspruch 1, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge auf 60 Prozent der Querschnittsfläche oder mehr frei von agglomerierten Eigenpunktdefekte ist.
  3. Einkristall nach Anspruch 1, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge nur agglomerierte Leerstellen enthält.
  4. Einkristall nach Anspruch 1, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge nur agglomeriert e Zwischengitteratome enthält.
  5. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge radiale Dotierstoffvariationen von unter 10% aufweist.
  6. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der über eine Stablänge von über 10 Prozent der Gesamtstablänge radiale Sauerstoffvariationen von unter 10% aufweist.
  7. Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm.
  8. Halbleiterscheibe aus Silicium, die aus einem Einkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erhalten wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silicium durch Ziehen des Einkristalls gemäß der Czochralski-Methode aus einer Schmelze, die in einem sich drehenden Tiegel vorgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmelze im Bereich einer Erstarrungsfront eine Temperaturverteilung bewirkt wird, die von der Rotationssymmetrie abweicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Temperaturverteilung durch Anlegen eines teilweise abgeschirmten magnetischen Wanderfeldes bewirkt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das teilweise abgeschirmte magnetische Wanderfeld zur Steuerung von Schmelzenströmen-benutzt-wird, um eine Vergleichmäßigung des axialen Temperaturgradienten über den Kristalldurchmesser zu erreichen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Temperaturverteilung durch die Amplitude des magnetischen Wanderfelds beeinflusst wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Temperaturverteilung durch die Frequenz des magnetischen Wanderfelds beeinflusst wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Temperaturverteilung durch die Form und die Materialeigenschaften der Abschirmung beeinflusst wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Temperaturverteilung durch die Tiegeldrehung beeinflusst wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Temperaturverteilung durch außeraxiales Ziehen des Einkristalls bewirkt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das außeraxiale Ziehen des Einkristalls eine Vergleich mäßigung des axialen Temperaturgradienten über den Kristalldurchmesser erreicht wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Krümmung der Erstarrungsfront verringert wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vergleichmäßigung des axialen Temperaturgradienten an der Erstarrungsfront bewirkt wird.
  20. Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Silicium nach der Czochralski-Methode, umfassend einen Tiegel mit einer im Tiegel vorgehaltenen Schmelze, eine Heizvorrichtung und eine, ein magnetisches Wanderfeld erzeugende magnetische Einrichtung, die um den Tiegel herum angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Abschirmung oder auf mehrere Teilabschirmungen, die die Rotationssymmetrie des von der magnetischen Einrichtung erzeugten Magnetfelds aufheben.
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