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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren und eine Ziehvorrichtung für Einkristalle, welche dafür verwendet werden soll, und insbesondere ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren und eine Ziehvorrichtung dafür, die in der Lage sind, Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall zu verbessern.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Siliziumeinkristalle, die für Halbleitersubstrate verwendet werden sollen, zu erzeugen, und Beispiele dafür beinhalten ein Czochralski-Verfahren (im Folgenden „CZ-Verfahren” genannt), welches verbreitet als ein Rotationsziehverfahren verwendet wird.
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5 ist eine schematische Ansicht des grundlegenden Aufbaus einer Ziehvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren, das auf dem CZ-Verfahren basiert, durchzuführen.
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Die Ziehvorrichtung weist ein äußeres Erscheinungsbild auf, das von einer Kammer (nicht gezeigt) gebildet wird, und in der Mitte der Vorrichtung ist ein Tiegel angeordnet. Der Tiegel weist eine doppelte Struktur auf, welche aus einem inneren Haltegefäß (im Folgenden einfach „Quarztiegel 11a” genannt), das aus Quarz gefertigt ist und einen Boden mit zylindrischer Form aufweist, und einem äußeren Haltegefäß (im Folgenden einfach „Graphittiegel 11b” genannt), das aus Graphit gefertigt ist und einen Boden mit zylindrischer Form aufweist, die ausgelegt ist, um eine äußere Oberfläche des Quarztiegels 11a festzuhalten, aufgebaut ist.
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Diese Tiegel sind an einem oberen Ende eines Trägerstabs (support shaft) 16 befestigt, um die drehende/hebende Bewegung der Tiegel zu ermöglichen. Weiterhin ist ein Widerstandsheizgerät 12 außerhalb der Tiegel und im Wesentlichen konzentrisch zu den Tiegeln angeordnet, und ein Siliziumrohmaterial mit einem vorbestimmten Gewicht, das in den Tiegel abgegeben wurde, wird durch das Heizgerät 12 geschmolzen, um eine Schmelze 13 zu bilden.
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Ein Ziehdraht 15 (oder Ziehstab, und diese können ein „Ziehelement” genannt werden), der so konfiguriert ist, dass dieser mit dem Trägerstab 16 bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit und in einer Richtung, welche dieselbe oder entgegengesetzt zu der des Trägerstabs ist, um dieselbe Achse rotiert, ist oberhalb einer zentralen Achse des Tiegels, welcher mit der Schmelze 13 gefüllt ist, angeordnet, und ein Impfkristall 17 wird an einem unteren Ende des Ziehelements 15 festgehalten.
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Bei einer solchen Ziehvorrichtung wird ein Siliziumrohmaterial in den Quarztiegel abgegeben, und das Siliziumrohmaterial wird von dem Heizgerät, das um den Tiegel herum angeordnet ist, in einer Inertgasatmosphäre unter vermindertem Druck geschmolzen, worauf das Eintauchen des Impfkristalls, der an dem unteren Ende des Ziehelements festgehalten wird, in eine obere Oberfläche der gebildeten Schmelze folgt, und worauf die Anhebung des Ziehelements, während der Tiegel und das Ziehelement gedreht werden, folgt, um einen Kristall ausgehend von einer Oberfläche des unteren Endes des Impfkristalls zu züchten.
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Bei dem CZ-Verfahren wird, um Versetzungen, die inhärent in einem Impfkristall enthalten sind, wie auch Versetzungen, die durch einen thermischen Schock bei Kontakt mit der Schmelze entstehen, zu eliminieren, nach einem Einschnürungsprozess zur Eingrenzung des Kristallwachstums von der Oberfläche des unteren Endes des Impfkristalls aus zu einem Durchmesser von ca. 3 mm eine Schulter gebildet, die zu einem Körper (Abschnitt mit konstantem Durchmesser) mit einem vorbestimmten Durchmesser gezüchtet werden soll, und ein Siliziumeinkristall 14 wird anschließend mit einem vorbestimmten Durchmesser gezüchtet. Währenddessen wird der Quarztiegel mit dem Impfkristall in gleicher Richtung oder in entgegengesetzter Richtung gedreht. Nach Erreichen einer angestrebten Länge des Einkristalls wird ein einschürender Arbeitsgang mit dem Ende des Einkristalls durchgeführt, wodurch die Zucht des Einkristalls abgeschlossen wird.
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Wie oben beschrieben wird im Falle des nach oben Ziehens eines Siliziumeinkristalls gemäß dem CZ-Verfahren die Schmelze, die durch das Schmelzen des Siliziumrohmaterials erhalten wird, in dem Quarztiegel des Tiegels mit der doppelten Struktur festgehalten. Wenn der Quarztiegel die Siliziumschmelze festhält, wird die Oberfläche des Quarztiegels einer hohen Temperatur bei 1.500°C oder höher ausgesetzt, und die Dauer des Aussetzens beläuft sich typischerweise bis auf mehrere zehn Stunden oder länger, auch wenn die Dauer abhängig von Bedingungen wie z. B. der Füllmenge des Siliziumrohmaterials, der Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls und dergleichen variiert.
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Weiterhin ist vor kurzem, um die Produktivität des Einkristallziehens zu erhöhen, ein Nachfüllziehverfahren (RCCZ-Verfahren; siehe z. B. „Semiconductor silicon crystal engineering”, Seiten 72–73, Fumio Shimura, MARUZEN Co., Ltd.) entwickelt worden, das so ausgelegt ist, dass es eine Mehrzahl von Einkristallen in demselben Tiegel erzeugt. Bei einem solchen Nachfüllziehverfahren kann die Dauer, während welcher der Quarztiegel einer Siliziumschmelze ausgesetzt ist, 100 Stunden übersteigen.
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Typischerweise wird braunes Cristobalit, „bräunlicher Ring” genannt, während des Kontakts des Quarztiegels mit einer Siliziumschmelze in einem Zustand bei hoher Temperatur an einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels gebildet, und die bräunlichen Ringe wachsen schrittweise. Wenn solche bräunlichen Ringe während eines Ziehprozesses des Einkristalls von dem Quarztiegel abgetrennt werden, behindern die bräunlichen Ringe die Zucht des Kristalls, was so Versetzungen in dem Kristall erzeugt.
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Um zu verhindern, dass solche Versetzungen durch den Abbau einer inneren Oberfläche eines Tiegels verursacht werden, ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Devitrifikation (Kristallisation) an einer inneren Wandoberfläche eines Quarztiegels offenbart worden, indem man den Quarztiegel eine Art oder zwei oder mehr Arten von Alkalimetallionen von Na, K und Li enthalten lässt und indem man eine DC-Spannung (Gleichstromspannung) mit einem konstanten Wert zwischen dem Quarztiegel und dem Impfkristall anlegt, so dass eine Außenwandseite des Quarztiegels als eine positive Elektrode fungiert und die Impfkristallseite (Siliziumeinkristallseite) als eine negative Elektrode fungiert (siehe z. B.
JP2006-36568A ).
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Jedoch hat sogar die Anwendung des obigen Verfahrens manchmal darin versagt, einen ausreichenden Grad an Devitrifikation an einer Tiegeloberfläche zu erzeugen, so dass das Verfahren unzureichend ist, um das Auftreten von Versetzungen in einem Siliziumeinkristall zu verhindern. Weiterhin bleibt ein derartiges Problem bestehen, dass, wenn eine thermische Oxidationsbehandlung für Wafer durchgeführt wird, die aus dem erhaltenen Einkristall herausgeschnitten wurden, deutliche Variationen bei der Dicke der Oxidfilme, die auf den Oberflächen der Wafer gebildet werden, verursacht werden.
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Die
JP 2006-036568 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kristallisation von Silizium nach dem CZ-Verfahren. Zwischen dem wachsenden Kristall und der Außenseite des Tiegels kann eine Gleichspannung angelegt werden. Diese Druckschrift verweist auch auf die
JP 2003-212690 A , aus der hervorgeht, dass Quarztiegel eingesetzt werden können, die über eine Innenschicht aus synthetischen Quarz verfügen.
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Aus der
US 6,228,162 B1 ist ein CZ-Verfahren zur Herstellung von Si-Einkristallen bekannt, bei dem zwischen dem wachsenden Kristall und dem Tiegel eine elektrische Spannung angelegt wird. Dabei kann vorteilhaft seine, eine Gleichspannung so anzulegen, dass der Tiegel die positive Elektrode darstellt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren und eine Ziehvorrichtung dafür bereitzustellen, die in der Lage sind, geeignet kristallisierte Schichten, d. h. eine Devitrifikation an einer Innenwandoberfläche eines Quarztiegels während eines Siliziumeinkristall-Zuchtprozesses zu erzeugen, und in der Lage sind, gleichzeitig die Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls so zu steuern, dass die Erzeugung von Versetzungen bei dem Einkristall-Zuchtprozess verhindert wird, wodurch Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall verbessert werden, während gleichzeitig Variationen bei der Dicke jener Oxidfilme von geschnittenen Wafern, wobei diese Oxidfilme durch anschließende thermische Oxidbehandlungen gebildet werden, begrenzt werden.
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Um das obige Problem zu lösen stellt die vorliegende Erfindung ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren zum nach oben Ziehen und Züchten eines Einkristalls aus einer Schmelze eines Siliziumrohmaterials in einem Quarztiegel auf der Grundlage eines Czochralski-Verfahrens bereit, wie in näheren Einzelheiten in Anspruch 1 ausgeführt.
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Auf diesem Wege kann durch das Beibehaltendes konstanten elektrischen Stroms, der durch einen Siliziumeinkristall fließt, über einen Zeitraum zum nach oben Ziehen des Einkristalls eine geeignete Devitrifikation an einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels erzeugt werden, um die Erzeugung von Versetzungen bei dem Einkristall-Zuchtprozess zu verhindern, um dadurch Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall zu verbessern; und die Menge an Alkalimetallionen, die während der Zucht von dem Einkristall aufgenommen werden, kann gleichmäßig verteilt werden, wodurch Variationen der Dicken jener Oxidfilme der geschnittenen Wafer, wobei die Oxidfilme durch anschließende thermische Oxidationsbehandlungen gebildet werden, begrenzt werden.
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Bei dem Zuchtverfahren der vorliegenden Erfindung wird der Quarztiegel aus einer Außenwand, die aus natürlichem Quarz gefertigt ist, welcher Alkalimetallionen enthält, und einer Innenwand, die aus synthetischem Quarz gefertigt ist, welcher einen Alkalimetallionengehalt aufweist, der niedriger ist als der des natürlichen Quarzes, aufgebaut.
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Dieses ermöglicht eine weitere Verbesserung des obigen Effekts, und insbesondere kann die Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls gesenkt werden.
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Weiterhin wird bei dem Zuchtverfahren der vorliegenden Erfindung der elektrische Strom, welcher durch den Siliziumeinkristall fließt, innerhalb eines Bereichs zwischen 0,1 mA und 15 mA gehalten.
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Wenn der anzuwendende elektrische Strom aus einem solchen Bereich des elektrischen Stroms entsprechend einer Alkalimetallionenkonzentration des gewählten Quarztiegels ausgewählt wird, wird es möglich, die Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls so zu steuern, dass diese gleichmäßig und niedrig ist, während ein geeigneter Grad an Devitrifikation erzeugt wird.
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Weiterhin umfasst bei dem Zuchtverfahren der vorliegenden Erfindung der Schritt des Beibehaltens des konstanten elektrischen Stroms vorzugsweise einen Schritt des Festsetzens des elektrischen Stroms auf einen konstanten Wert, um ein Devitrifikationsflächenverhältnis Vc/Vi von 20% oder mehr während des nach oben Ziehens des Einkristalls bereitzustellen, um dadurch das Einkristallsilizium zu züchten, wobei Vc eine Fläche ist, die an einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels devitrifiziert wird, und Vi eine Fläche ist, auf welcher die Innenwandoberfläche des Quarztiegels zu Beginn des nach oben Ziehens des Einkristalls mit der Schmelze in Kontakt steht.
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Dieses ermöglicht eine verlässlichere Beschränkung der Erzeugung von Versetzungen in dem Kristall.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Ziehvorrichtung für Siliziumeinkristalle zur Verfügung, um einen Einkristall aus einer Schmelze eines Siliziumrohmaterials in einem Quarztiegel auf der Grundlage eines Czochralski-Verfahrens nach oben zu ziehen und zu züchten, wie in näheren Einzelheiten in Anspruch 3 ausgeführt.
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Durch die Bereitstellung einer solchen Vorrichtung mit konstantem Strom, um so in der Lage zu sein, den konstanten elektrischen Strom beizubehalten, der über einen Zeitraum zum nach oben Ziehen des Einkristalls durch einen Siliziumeinkristall fließt, kann eine angemessene Devitrifikation an einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels erzeugt werden, um die Erzeugung von Versetzungen bei dem Einkristall-Zuchtprozess zu verhindern, um dadurch Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall zu verbessern, und es wird möglich, Variationen der Dicken jener Oxidfilme von geschnittenen Wafern, wobei die Oxidfilme durch anschließende thermische Oxidationsbehandlungen gebildet werden, zu begrenzen.
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Der Quarztiegel ist aus einer Außenwand, die aus natürlichem Quarz gefertigt ist, welcher Alkalimetallionen enthält, und einer Innenwand, die aus synthetischem Quarz gefertigt ist, welcher einen Alkalimetallionengehalt aufweist, der niedriger ist als der des natürlichen Quarzes, aufgebaut.
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Dieses ermöglicht die Erzeugung eines geeigneten Grads an Devitrifikation und eine niedrige und konstante Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls.
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Die Vorrichtung mit konstantem Strom ist bei der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass diese den elektrischen Strom, welcher zwischen dem Impfkristall und der Außenwand des Quarztiegels fließt, so steuert, dass dieses ein konstanter Strom innerhalb eines Bereichs zwischen 0,1 mA und 15 mA ist.
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Wenn der anzuwendende elektrische Strom so gesteuert wird, dass dieser innerhalb eines solchen Bereichs des elektrischen Stroms entsprechend einer Alkalimetallionenkonzentration des Quarztiegels ausgewählt wird, wird es möglich, die Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls so zu steuern, dass diese gleichmäßig und niedrig ist, während ein geeigneter Grad an Devitrifikation erzeugt wird.
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Wie oben beschrieben wird bei der vorliegenden Erfindung beim Züchten eines Siliziumeinkristalls eine DC-Spannung zwischen einer Außenwand des Quarztiegels, die als eine positive Elektrode fungiert, und einem Ziehdraht oder Ziehstab zum nach oben Ziehen des Siliziumeinkristalls, welche als eine negative Elektrode fungieren, angelegt; und der elektrische Strom, welcher über einen Zeitraum zum nach oben Ziehen des Einkristalls durch den Siliziumeinkristall fließt, wird festgelegt, um den Siliziumeinkristall zu züchten. Dieses ermöglicht es: eine Innenwandoberfläche des Quarztiegels effizient zu devitrifizieren, um dadurch die Erzeugung von Versetzungen bei dem Einkristall-Zuchtprozess zu verhindern, um Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall zu verbessern; und die Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls so zu steuern, dass diese gleichmäßig ist, wodurch Variationen der Oxidfilmdicken bei der thermischen Oxidation von Wafern, die aus dem Siliziumeinkristall herausgeschnitten werden, zu begrenzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Konfiguration im Querschnitt einer Ziehvorrichtung für Siliziumeinkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein Diagramm der Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls im Beispiel und den Vergleichsbeispielen;
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3 ist ein Diagramm der Einkristallausbeute des Beispiels und der Vergleichsbeispiele;
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4 ist ein Diagramm der Dicke von Oxidfilmen, die durch eine thermische Oxidationsbehandlung bereitgestellt wurden, für Wafer, die aus einem Siliziumeinkristall herausgeschnitten wurden, in dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen;
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5 ist eine schematische Ansicht des grundlegenden Aufbaus einer Ziehvorrichtung, die ausgelegt ist, um ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren auf der Grundlage des CZ-Verfahrens durchzuführen; und
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6 ist ein Diagramm, welches einen fluktuierenden Zustand eines elektrischen Stroms über die jeweiligen Schritte bei einer Spannung von 12 V in Vergleichsbeispiel 2 zeigt.
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BESTE ART(EN) ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden konkreter erklärt.
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Obwohl das Verfahren zur Erzeugung einer Devitrifikation an einer Innenwandoberfläche eines Quarztiegels, indem bewirkt wird, dass der Quarztiegel eine Art oder zwei oder mehr Arten von Alkalimetallen von Na, K und Li einschließt und indem eine DC-Spannung zwischen dem Quarztiegel und einem Impfkristall derart angelegt wird, dass eine Außenwandseite des Quarztiegels als eine positive Elektrode fungiert und die Impfkristallseite (Seite des Siliziumeinkristalls) als eine negative Elektrode fungiert, wodurch eine solche Erzeugung von Versetzungen, die durch Kristallisation einer inneren Oberfläche eines Tiegels verursacht werden, verhindert wird, wie oben beschrieben offenbart wurde, war ein solches Verfahren unzureichend, um die Erzeugung von Versetzungen zu verhindern. Somit haben die gegenwärtigen Erfinder erstmals versucht, den Grund dafür zu finden.
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Bei dem herkömmlichen Verfahren, das so konfiguriert ist, um das Anlegen einer DC-Spannung mit einem konstanten Wert zu ermöglichen, wurde dann erkannt, dass sich die Kontaktfläche zwischen einer Schmelze des Siliziumrohmaterials und einem Quarztiegel mit dem Fortschreiten des nach oben Ziehens eines Siliziumeinkristalls verkleinert, so dass der Schaltungswiderstand (circuit resistance) zwischen dem Siliziumeinkristall und einer Außenwand des Quarztiegels erhöht wird und der elektrische Strom, welcher durch den Siliziumeinkristall fließt, schrittweise verringert wird.
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Um jedoch eine Innenwandoberfläche eines Quarztiegels zu devitrifizieren, ist es erforderlich, einen Fluss eines elektrischen Stroms, der einem gewissen Wert entspricht oder darüber liegt, zu bewirken.
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Dieses erfordert das Anlegen einer DC-Spannung, die einem gewissen Wert entspricht oder darüber liegt, zur Devitrifikation einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels.
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Es wurde jedoch erkannt, dass, wenn ein elektrischer Strom zwischen einem Siliziumeinkristall und einer Außenwand eines Quarztiegels fließt, Li, das in dem Quarztiegel enthalten ist, dazu gebracht wird, sich auf der Seite der Schmelze auszubreiten und über die Schmelze in den Siliziumeinkristall aufgenommen wird. Es wurde ebenfalls erkannt, dass größere Mengen an Li, die in Siliziumkristallen aufgenommen werden, durch größere elektrische Ströme verursacht werden.
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Weiterhin wurde erkannt, dass bei Wafern, die aus Siliziumeinkristallen herausgeschnitten werden, in welche Li aufgenommen wurde, die Wachstumsrate eines Oxidfilms durch eine thermische Oxidationsbehandlung erhöht wird und größere Wachstumsraten durch höhere Li-Konzentrationen in Einkristallen verursacht werden. So wurde erkannt, dass nicht gleichmäßige Li-Konzentrationen in Siliziumeinkristallen zu Variationen der Li-Konzentrationen in Wafern, die aus den Siliziumkristallen herausgeschnitten werden, führen, wodurch sie unvermeidlich ein Problem mit fluktuierenden Oxidfilmdicken bei den Wafern verursachen.
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Somit ist es erforderlich, die Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls so zu begrenzen, dass diese gleich oder geringer ist als ein gewisser Wert, um die Variationen der Oxidfilmdicken bei den Wafern zu verringern; es ist aber dann erforderlich, den elektrischen Strom, welcher durch den Siliziumeinkristall fließt, zu verringern, wodurch es erforderlich wird, dass die DC-Spannung, die angelegt werden muss, verringert wird.
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Es wurde jedoch dann erkannt, dass verringerte DC-Spannungen, die angelegt werden müssen, statt dessen zu einer Schwierigkeit mit einer Devitrifikation an der Innenwandoberfläche eines Quarztiegels führen, wodurch es nicht gelingt, eine die Erzeugung von Versetzungen begrenzende Wirkung, indem man eine Korrosion oder einen Abbau der Innenwandoberfläche verhindert, zu erhalten, wodurch es nicht gelingt, Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall zu verbessern.
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So haben die gegenwärtigen Erfinder im Detail einen Ziehprozess für Siliziumeinkristalle unter Anlegung einer DC-Spannung im Hinblick auf den Devitrifikationszustand an einer Innenwandoberfläche eines Quarztiegels und im Hinblick auf eine Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls und Oxidfilmdicken von Wafern, die dann anschließend aus dem Einkristall herausgeschnitten wurden, untersucht.
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Als ein Ergebnis wurden gefunden, dass der elektrische Strom, welcher durch einen Einkristall fließt, mit dem Fortschreiten des nach oben Ziehens des Siliziumeinkristalls abnimmt (in anderen Worten, mit der Abnahme der Kontaktfläche zwischen einer Schmelze und einem Quarztiegel) und die Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls ebenfalls in Richtung des nach oben Ziehens abnimmt.
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Weiterhin wurde gefunden, dass höhere Li-Konzentrationen von Wafern, die aus einem Siliziumeinkristall herausgeschnitten wurden, bei thermischer Oxidation zu größeren Oxidfilmdicken führen und dass eine Begrenzung der Li-Konzentrationen auf gleich oder weniger als einen bestimmten Wert ermöglicht, dass die Oxidfilmdicken gleichwertig sind zu jenen von Wafern, die aus einem Siliziumeinkristall herausgeschnitten wurden, welcher durch ein herkömmliches Verfahren ohne das Anlegen einer DC-Spannung nach oben gezogen wurde.
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Dann wieder wurde eine Untersuchung von elektrischen Strömen durchgeführt, die erforderlich waren, um eine Innenwandoberfläche eines Quarztiegels wirksam zu devitrifizieren, um das Vorliegen eines Bereichs des elektrischen Stroms herauszufinden, welcher in der Lage war, gleichzeitig eine Li-Konzentration, welche die Oxidfilmdicke von Wafern nicht beeinflusst, und eine effiziente Devitrifikation an einer Innenwandoberfläche eines Quarztiegels zu ermöglichen.
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Dann wurde erkannt, dass durch ein Steuern des elektrischen Stroms während des nach oben Ziehens eines Siliziumeinkristalls, so dass dieser bei dem oben erwähnten elektrischen Strom konstant gehalten wird, eine gleichmäßige Li-Konzentration über den gesamten Bereich des Siliziumeinkristalls in der Richtung des nach oben Ziehens erhalten werden kann.
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Weiterhin wurde erkannt, dass in dem Fall der Wahl eines Quarztiegels mit einer Außenwand, die eine kleine Menge an Alkalimetallionen enthält, und einer Innenwand, die Alkalimetallionen in einer Menge enthält, die kleiner ist als die der Außenwand, der Erhalt einer gleichmäßigen Li-Konzentration in der Richtung des nach oben Ziehens in einer Weise erleichtert werden kann, so dass die Innenwandoberfläche des Quarztiegels wirksam devitrifiziert werden kann, während die Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls begrenzt wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage oder oben beschriebenen Funde und Erkenntnisse abgeschlossen, und die vorliegende Erfindung wird detaillierter mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist.
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1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Konfiguration im Querschnitt einer Ziehvorrichtung für Siliziumeinkristalle gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ziehvorrichtung, die für ein Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, wird wie folgt beschrieben.
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Die Ziehvorrichtung weist ein äußeres Erscheinungsbild auf, das von einer Kammer in der Form eines Hohlzylinders gebildet wird, und die Kammer ist aus einer Hauptkammer 19a, welche als ein unterer Zylinder fungiert, und einer Ziehkammer 19b, welche mit der Hauptkammer 19a verbunden ist und daran befestigt ist und welche als ein oberer Zylinder fungiert, aufgebaut, und die Ziehvorrichtung ist mit einem Tiegel in der Mitte der Kammer versehen. Der Tiegel weist eine doppelte Struktur auf, welche aus einem inneren Haltegefäß (im Folgenden einfach „Quarztiegel 11a” genannt), das aus Quarz gefertigt ist und eine Form mit zylindrischem Boden aufweist, und einem äußeren Haltegefäß (im Folgenden einfach „Graphittiegel 11b” genannt), das aus Graphit gefertigt ist und eine Form mit zylindrischem Boden aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie die Außenoberfläche des Quarztiegels 11a festhält, aufgebaut ist.
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Ein Heizgerät 12 ist außerhalb des Tiegels mit der doppelten Struktur angeordnet, ein Wärme isolierender Zylinder 18a ist um eine äußere Peripherie des Heizgeräts 12 in einer dazu konzentrischen Weise angeordnet, und eine Wärme isolierende Platte 18b ist unter dem Wärme isolierenden Zylinder an dem Boden der Vorrichtung angeordnet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen DC-Netzanschluß 20, welcher eingerichtet ist, um eine DC-Spannung anzulegen, um einen konstanten DC-Strom zwischen einem Impfkristall 17, welcher an einem Ende eines Ziehelements 15 festgehalten wird, und dem Tiegel, welcher von einem Trägerstab 16 getragen wird, zu bewirken.
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Weiterhin wird ein Siliziumrohmaterial mit einem vorbestimmten Gewicht in den Tiegel abgegeben, und das Siliziumrohmaterial wird geschmolzen, um eine Schmelze 13 zu bilden. Der Impfkristall 17 wird in eine Oberfläche der gebildeten Schmelze 13 eingetaucht, und dann wird das Ziehelement 15 nach oben gezogen, während der Tiegel und das Ziehelement 15 gedreht werden, um dadurch einen Siliziumeinkristall 14 ausgehend von einer unteren Endoberfläche des Impfkristalls 17 zu züchten.
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Auf diesem Wege kann durch die Verwendung einer Vorrichtung mit konstantem Strom, um einen elektrischen Strom, welcher durch einen Siliziumeinkristall fließt, über einen Zeitraum zum nach oben Ziehen des Einkristalls festzulegen, eine geeignete Devitrifikation an einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels erzeugt werden, um die Erzeugung von Versetzungen bei dem Einkristall-Zuchtprozess zu verhindern, um dadurch Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall zu verbessern, und die Konzentration an Li, die von dem Einkristall aufgenommen wird, kann gleichmäßig gemacht werden, um dadurch Variationen der Dicken von jenen Oxidfilmen von geschnittenen Wafern, wobei die Oxidfilme durch anschließende thermische Oxidationsbehandlungen gebildet werden, zu begrenzen.
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Weiterhin ist es im diesem Fall möglich, als den Quarztiegel einen solchen zu verwenden, welcher aus einer äußeren Wand, die aus natürlichem Quarz gefertigt ist, welcher Alkalimetallionen enthält, und einer inneren Wand, die aus synthetischem Quarz gefertigt ist, welcher einen Alkalimetallionengehalt aufweist, der niedriger ist als der des natürlichen Quarzes, aufgebaut ist.
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Dieses ermöglicht es, eine Konzentration von Alkalimetallionen, die in dem gesamten Quarztiegel enthalten sind, zu verringern, wodurch das Erreichen einer niedrigen und konstanten Li-Konzentration des Siliziumeinkristalls ermöglicht wird. So wird es möglich, einen geeigneten Grad an Devitrifikation und gleichmäßige Charakteristika zu erhalten.
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Die Alkalimetallionen in dem natürlichen Quarz beziehen sich auf eine Art oder zwei oder mehr Arten von Na, K und Li, und der Gesamtgehalt von Alkalimetallionen des synthetischen Quarzes liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,01 ppm bis 10 ppm und insbesondere 0,01 ppm bis 5 ppm.
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Weiterhin ist die Vorrichtung mit konstantem Strom in der Lage, einen elektrischen Strom, welcher zwischen dem Impfkristall und dem Quarztiegel fließt, so zu steuern, dass dieses ein konstanter Strom innerhalb eines Bereichs zwischen 0,1 mA und 15 mA, vorzugsweise eines Bereichs zwischen 0,1 mA und 3 mA ist.
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Wenn der anzulegende elektrische Strom so gesteuert wird, dass dieser innerhalb eines solchen Bereichs des elektrischen Stroms entsprechend einer Alkalimetallionenkonzentration des Quarztiegels ausgewählt wird, wird es möglich, die Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls so zu steuern, dass diese gleichmäßig und niedrig ist, während ein geeigneter Grad an Devitrifikation erzeugt wird.
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Ein Beispiel eines Siliziumeinkristall-Zuchtverfahrens der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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Bei einem Einkristall-Zuchtverfahren des nach oben Ziehens und Züchtens eines Siliziumeinkristalls aus einer Schmelze eines Siliziumrohmaterials in einem Quarztiegel auf der Grundlage eines Czochralski-Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
beim nach oben Ziehen und Züchten des Siliziumeinkristalls das Anlegen einer DC-Spannung zwischen einer Außenwand des Quarztiegels, welche als eine positive Elektrode fungiert, und einem Ziehdraht oder Ziehstab zum nach oben Ziehen des Einkristalls, welche als eine negative Elektrode fungieren; und
das Festlegen eines elektrischen Stroms, welcher durch den Siliziumeinkristall fließt, über einen Zeitraum zum nach oben Ziehen des Einkristalls, um den Siliziumeinkristall zu züchten.
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Ein solches Zuchtverfahren der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch die oben beschriebene Vorrichtung ausgeführt werden.
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Durch die Benutzung der Vorrichtung mit konstantem Strom, um einen elektrischen Strom, welcher durch einen Siliziumeinkristall fließt, über einen Zeitraum zum nach oben Ziehen eines Siliziumeinkristalls in der obigen Weise festzulegen, wird es möglich, sicher einen elektrischen Strom mit einem vorbestimmten Wert durch den Einkristall fließen zu lassen, selbst wenn der Schaltungswiderstand aufgrund einer Veränderung einer Kontaktfläche der Schmelze mit dem Quarztiegel variiert und/oder selbst wenn die Alkalimetallionenkonzentration des verwendeten Quarztiegels variiert, wodurch es ermöglicht wird, Alkalimetallionen zu der Innenwandoberfläche des Quarztiegels diffundieren zu lassen, um dadurch einen geeigneten Grad an Devitrifikation zu erzeugen. Dieses ermöglicht es, zu verhindern, dass Versetzungen bei einem Einkristall-Zuchtprozess erzeugt werden, wodurch Ausbeute und Produktivität bei einem Einkristall verbessert werden. Weiterhin ermöglicht der konstante Strom, dass eine festgelegte Konzentration an Alkalimetall von einem Einkristall aufgenommen wird, wodurch Variationen der Dicken jener Oxidfilme von geschnittenen Wafern, wobei die Oxidfilme durch anschließende thermische Oxidationsbehandlungen gebildet werden, begrenzt werden.
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In diesem Fall kann der Quarztiegel aus einer Außenwand, die aus natürlichem Quarz gefertigt ist, welcher Alkalimetallionen enthält, und einer Innenwand, die aus synthetischem Quarz gefertigt ist, welcher einen Alkalimetallionengehalt aufweist, der niedriger ist als der des natürlichen Quarzes, aufgebaut sein.
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Dieses ermöglicht, wie oben beschrieben wurde, das Erreichen eines geeigneten Grads an Devitrifikation und eine gleichmäßige und niedrige Konzentration von Li in dem Siliziumeinkristall.
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Weiterhin wird der elektrische Strom, welcher durch den Siliziumeinkristall fließt, innerhalb eines Bereichs zwischen 0,1 mA und 15 mA gehalten werden.
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Wenn auf diesem Weg der elektrische Strom, der durch den Siliziumeinkristall fließen gelassen werden soll, innerhalb des obigen Bereichs entsprechend einer Alkalimetallionenkonzentration des Quarztiegels ausgewählt wird, wird es möglich, die Li-Konzentration eines Siliziumeinkristalls so zu steuern, dass diese gleichmäßig und niedrig ist, während ein geeigneter Grad an Devitrifikation an einer Innenwand des Quarztiegels erzeugt wird.
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In diesem Fall wird der elektrische Strom, der ausgewählt werden muss, vorzugsweise auf einen konstanten Wert gesetzt, um ein Devitrifikationsflächenverhältnis Vc/Vi von 20% oder mehr während des nach oben Ziehens des Siliziumeinkristalls bereit zu stellen, um dadurch das Einkristallsilizium zu züchten, wobei Vc eine Fläche ist, die an einer Innenwandoberfläche des Quarztiegels devitrifiziert wird, und Vi eine Fläche ist, auf welcher die Innenwandoberfläche des Quarztiegels mit der Schmelze in einem Anfangsstadium des Schmelzens in Kontakt steht.
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Dieses ermöglicht es, sicherer zu verhindern, dass Versetzungen in einem Einkristall erzeugt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird konkreter mit Bezug auf ein Beispiel der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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(Beispiel)
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Die Ziehvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, wurde verwendet, um 70 kg eines Siliziumrohmaterials in den Quarztiegel mit einem Innendurchmesser von 450 mm zu füllen und um eine Schmelze zu bilden, worauf ein nach oben Ziehen eines Siliziumeinkristalls mit einem Durchmesser von 150 mm folgte, und dadurch wurde der Einkristall gezüchtet. Das nach oben Ziehen des Siliziumeinkristalls wurde in einer solchen Weise durchgeführt, dass: ein Quarztiegel mit einem Li-Gehalt von 0,5 ppm verwendet wurde; eine DC-Spannung so angelegt wurde, dass eine Außenwandseite des Quarztiegels als eine positive Elektrode fungierte; und ein elektrischer Strom, der zwischen dem Impfkristall und der Außenwand des Quarztiegels fließen gelassen werden sollte, über den gesamten Prozess des nach oben Ziehens des Siliziumeinkristalls auf 0,5 mA festgelegt wurde.
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Danach wurden Einkristallausbeuten; Devitrifikationsflächenverhältnisse an der Innenwand des Quarztiegels; Li-Konzentrationen der Siliziumeinkristalle; und Oxidfilmdicken jener Wafer nach einer thermischen Oxidation, welche aus Schulterbereichen, zentralen Bereichen bzw. Endbereichen der Siliziumeinkristalle herausgeschnitten wurden, jeweils für drei Chargen gemessen.
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Hier wird nachstehend der Prozessablauf beschrieben, um die Li-Konzentrationen zu messen. Die erhaltenen Siliziumeinkristallblöcke (ingots) wurden nämlich zu Wafern geschnitten, worauf die Durchführung eines Ätzens (CW), Polierens (PW) und dergleichen folgte. Da Li in jedem Wafer in einen Oxidfilm diffundieren gelassen wurde und darin bei der Durchführung einer thermischen Oxidationsbehandlung aufgenommen wurde, wurde anschließend eine Oxidationsbehandlung mit einem Wärmebehandlungsofen bei 900°C für 10 Minuten durchgeführt, um einen Oxidfilm auf jedem Wafer zu bilden, worauf eine Schlussmessung der Li-Konzentrationen der Oxidfilme der Wafer durch ICP-MS folgte.
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(Vergleichsbeispiel 1)
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Bei dem Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren für das oben beschriebene Beispiel wurden Siliziumeinkristalle, die jeweils unter der Bedingung gezüchtet wurden, dass durch eine elektrische Potentialdifferenz von 0 V zwischen dem Impfkristall und der Außenwand des Quarztiegels keine elektrischen Ströme fließen gelassen wurden, ebenfalls auf dieselbe Weise wie im Beispiel ausgewertet.
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(Vergleichsbeispiel 2)
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Weiterhin wurden bei dem Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren für das oben beschriebene Beispiel Siliziumeinkristalle, welche jeweils unter der Bedingung einer festgelegten elektrischen Potentialdifferenz von 12 V zwischen dem Impfkristall und der Außenwand des Quarztiegels nach oben gezogen und gezüchtet wurden (man beachte, dass der elektrische Strom während des Zuchtprozesses des Siliziumeinkristalls wie in 6 gezeigt fluktuierte), ebenfalls auf dieselbe Weise wie im Beispiel und Vergleichsbeispiel 1 ausgewertet.
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3 ist ein Diagramm der Einkristallausbeute des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 und 2.
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In dem Beispiel war es möglich, eine Ausbeute zu gewährleisten, die höher war als die von Vergleichsbeispiel 1. Ebenso zeigte Vergleichsbeispiel 2 eine Ausbeute, die höher war als die von Vergleichsbeispiel 1.
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Das Devitrifikationsflächenverhältnis des Beispiels an der Innenwand des Quarztiegels ließ man 20 bis 30% sein, wodurch der Erhalt eines ausreichenden Grads an Devitrifikation zur Begrenzung der Erzeugung von Versetzungen in den Siliziumeinkristallen während des nach oben Ziehens von diesen ermöglicht wurde. Man beachte, dass Vergleichsbeispiel 2 ein höheres Devitrifikationsflächenverhältnis von 90 bis 100% zeigte. 6 zeigt zu dieser Zeit einen fluktuierenden Zustand des elektrischen Stroms. Auf diesem Weg sieht man, dass Vergleichsbeispiel 2 zweifellos einem Fluss von elektrischem Strom ausgesetzt war, wobei die Fluktuation des elektrischen Stroms aufgrund des Anlegens einer relativ höheren konstanten Spannung beträchtlich war.
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2 zeigt ein Messergebnis von Li-Konzentrationen der Siliziumeinkristalle des Beispiels und der Vergleichsbeispiele. Die Li-Konzentration von jedem Siliziumeinkristall in dem Beispiel war bemerkenswert niedrig im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 und war nur etwas höher als bei Vergleichsbeispiel 1, bei im Wesentlichen demselben Niveau mit diesem.
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4 zeigt ein Messergebnis der Oxidfilmdicken von Wafern, die aus den Siliziumeinkristallen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele nach der Durchführung einer thermischen Oxidationsbehandlung mit diesen herausgeschnitten wurden. Die Oxidfilmdicken der Siliziumwafer im Beispiel waren dünn im Vergleich mit Vergleichsbeispiel 2 und waren im Wesentlichen auf demselben Niveau wie in Vergleichsbeispiel 1. Darüber hinaus zeigte das Beispiel im Wesentlichen keine Variationen bei der Dicke, wobei, Wafer für Wafer, beträchtliche Variationen bei den Oxidfilmdicken in Vergleichsbeispiel 2 gefunden wurden.
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Durch das Obige wird es durch das Siliziumeinkristall-Zuchtverfahren und die Ziehvorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich gemacht, eine Innenwandoberfläche eines Quarztiegels bei einem Prozess des nach oben Ziehens eines Siliziumeinkristalls effizient zu devitrifizieren und eine Konzentration von Li, das von dem Siliziumeinkristall aufgenommen wird, zu begrenzen und gleichmäßig zu machen.
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Dieses ermöglicht die Verhinderung der Erzeugung von Versetzungen bei dem Einkristall-Zuchtverfahren und eine Verbesserung von Ausbeute und Produktivität eines Einkristalls, selbst bei einem Vorgang des nach oben Ziehens eines Einkristalls über einen langen Zeitraum, und es ermöglicht eine Abnahme und Begrenzung der Variation der Konzentration von Li, welche nachteilige Auswirkungen auf die Bildung von Oxidfilmen zeigt, so dass die vorliegende Erfindung auf dem Gebiet der Produktion von Siliziumeinkristallen für Halbleitervorrichtungen weithin benutzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die oben beschriebenen Aspekte sind lediglich Beispiele und solche, die im Wesentlichen dieselbe Struktur aufweisen wie die technischen Ideen, die in den angefügten Ansprüchen beschrieben werden und dieselben Funktionen und Vorteile bieten, sind vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst.
