DE112015005768B4

DE112015005768B4 - Verfahren zur Herstellung von Monokristall

Info

Publication number: DE112015005768B4
Application number: DE112015005768.4T
Authority: DE
Inventors: Yasuhito Narushima; Toshimichi Kubota; Masayuki Uto
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: KR20170106971A; DE112015005768T5; JP2016121032A; JP6471492B2; CN107109684B; WO2016103987A1; KR101953788B1; US10329686B2; US20170327966A1; CN107109684A

Abstract

Herstellungsverfahren eines Monokristalls unter Verwendung einer Monokristall-Pull-Up Vorrichtung gemäß dem Czochralski Verfahren, wobei die Vorrichtung umfasst:eine Kammer;einen Tiegel, der in der Kammer angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er eine Dotierstoff-zugesetzte Schmelze aufnimmt, in der ein Dotierstoff einer Siliciumschmelze zugesetzt wird; undeine Pull-Up Einheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Keimkristall hochzieht, nachdem der Keimkristall in Kontakt mit der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze gebracht wurde,wobei das Verfahren umfasst:einen Schulterbildungsschritt, um eine Schulter des Monokristalls zu bilden; undeinen geraden Körperbildungsschritt zur Bildung eines geraden Körpers des Monokristalls, wobei in dem Schulterbildungsschritt, vorausgesetzt, dass ein Abstand von einem untersten Abschnitt innerhalb des Tiegels zu einer Oberseite der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze als H (mm) definiert und ein Radius der Oberseite der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze als R (mm) definiert ist, sich die Schulter unter einer Bedingung zu bilden beginnt, dass die Formel (1) erfüllt ist,0,4<H/R <0,78wobei,wenn der Dotierstoff roter Phosphor ist, der rote Phosphor der Dotierstoff- zugesetzten Schmelze so zugesetzt wird, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 1,0 mΩ·cm oder weniger beträgt,wenn der Dotierstoff Arsen ist, das Arsen der Dotierstoff-zugegebenen Schmelze so zugesetzt wird, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 2,0 mΩ·cm oder weniger beträgt,wenn der Dotierstoff Antimon ist, das Antimon der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze so zugesetzt wird, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 15 mΩ·cm oder weniger beträgt, und, wenn der Dotierstoff roter Phosphor und Germanium ist, der rote Phosphor und das Germanium der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze so zugesetzt werden, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 1,2 mΩ·cm oder weniger beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Monokristall.
Stand der Technik
Zum Beispiel erfordert ein epitaktischer Siliziumwafer, der für einen Leistungs-MOS-Transistor verwendet wird, einen extrem niedrigen Substratwiderstand. Um den Substratwiderstand des Siliziumwafers ausreichend zu senken, ist eine Technik zum Dotieren eines geschmolzenen Siliciums mit Arsen (As) oder Antimon (Sb) als ein n-Typ Dotierstoff für eine Widerstandseinstellung in einem Pull-Up-Schritt bekannt (D.h. während des Wachstums eines Siliziumkristalls) eines monokristallinen Ingots (nachfolgend als Monokristall bezeichnet), der ein Basismaterial des Siliziumwafers ist (siehe z. B. Offenbarung 1).
Die Patentliteratur 1 offenbart, dass das Auftreten von Verlagerung durch die Herstellung eines Monokristalls in einer Weise gehemmt werden kann, dass sie einen Kristallkegel (d.h. eine Schulter) mit einem Scheitelwinkel von 40 Grad bis 60 Grad aufweist.
Zitiertes Dokument
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanisches Patent JP 3 555 081 B2
Darstellung der Erfindung
Zu lösende Aufgabe der Erfindung
In einigen Fällen kann das Auftreten von Versetzungen (Verlagerung) nicht nur durch Einstellen des Scheitelwinkels der Schulter, wie in dem Verfahren der Patentliteratur 1 beschrieben, gehemmt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren für einen Monokristall mit einem niedrigen spezifischen Widerstand und ein gehemmtes Auftreten von Verlagerung bereitzustellen.
Zur Lösung des Problems
Als Ergebnis von zweckbestimmten Studien haben die Erfinder die folgenden Ergebnisse erreicht.
Bei der Herstellung eines Monokristalls durch ein Czochralski Verfahren scheint eine Konvektionsströmung in einer in einem Tiegel aufgenommenen Dotierstoff-zugesetzten Schmelze durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem Teil der Schmelze, der an einem untersten Teil des Tiegels und einer Oberseite der Schmelze positioniert ist, aufzutreten. Es wird angenommen, dass diese Konvektionsströmung eine Wärme an einem unteren Teil der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze nach oben abgibt, so dass die Wärme von der Oberseite der Schmelze freigesetzt wird, um die Temperatur der Schmelze zu verringern, und die Konvektionsströmung wird anschließend zurückgeführt zu dem unteren Teil, wodurch eine Änderung der Temperatur der Schmelze bewirkt wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Änderung der Temperatur der Schmelze das Auftreten eines abnormalen Wachstums im Monokristall erhöht und eine Verlagerung im Monokristall verursacht.
Darüber hinaus scheint die Konvektionsströmung zu verstärken, weil eine Temperaturdifferenz zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze erhöht wird, wenn ein Abstand von dem untersten Abschnitt innerhalb des Tiegels zu der oberen Oberfläche der Schmelze erhöht wird. Dementsprechend wurden die folgenden Experimente mit der Erwartung durchgeführt, dass die Optimierung der Menge der in dem Tiegel geladenen Dotierstoff-zugesetzten Schmelze die Schwankung der Temperatur der Schmelze hemmt, die durch die Konvektionsströmung verursacht wird, dadurch wird die Verhinderung der Verlagerung ermöglicht.
<Experiment 1: Beziehung zwischen der Menge der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze und dem Auftreten von Verlagerung>
Zuerst wurde eine Monokristall-Pull-Up Vorrichtung mit einem zylindrischen Tiegel mit einem Außendurchmesser von 22 Inch (558,8 mm (1 Inch = 25,4 mm)) und einem Innendurchmesser von 21,10 Inch (536,0 mm) bereitgestellt.
Das Experiment zur Herstellung eines Monokristalls umfasst: einen Halsbildungsschritt zum Bilden eines Halses, der zu einem Keimkristall kontinuierlich ist; einen Schulterbildungsschritt zum Bilden einer Schulter; einen geraden Körperbildungsschritt zum Bilden eines geraden Körpers; einen Schwanzbildungsschritt zum Bilden eines Schwanzes; und einen Abkühlungsschritt zum Kühlen des Monokristalls nach dem Schwanzbildungsschritt. Hierbei ist ein oberes Ende des geraden Körpers ein Abschnitt, der an einer Grenze mit der Schulter definiert und zum Beispiel durch ein Bezugszeichen 63A in 4 dargestellt ist.
Eine Dotierstoffkonzentration der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze wurde durch Zugabe von rotem Phosphor (Dotierstoff) in einer Siliciumschmelze eingestellt, so dass der spezifische Widerstand am oberen Ende des geraden Körpers des Monokristalls 1,0 mΩ·cm oder weniger betrug.
Die Herstellungsbedingungen wurden für die Herstellung eines Monokristalls mit einem geraden Körper in einer Länge von 860 mm und einem Durchmesser von 200 mm bestimmt.
Der Monokristall während des Herstellungsprozesses wurde beobachtet. Wenn die Verlagerung bestätigt wurde, wurde der Herstellungsprozess gestoppt und die nachfolgenden Schritte wurden nicht durchgeführt. Ferner wurde auch die Abwesenheit oder das Vorhandensein eines abnormalen Wachstums überprüft.
1 zeigt eine Beziehung zwischen einer Menge der Siliciumschmelze, einer Menge des Dotierstoffs, H/R, einer Position der Verlagerung und der Abwesenheit oder Anwesenheit des abnormalen Wachstums, basierend auf den experimentellen Ergebnissen.
Es wird darauf hingewiesen, dass H sich auf einen Abstand von dem untersten Abschnitt innerhalb des Tiegels zur oberen Oberfläche der Schmelze bezieht und R sich auf einen Radius der Oberseite der Schmelze bezieht. Im Experiment 1 wurde unter allen Versuchsbedingungen (Versuche 1 bis 7) die obere Oberfläche der Schmelze an einem zylindrischen Abschnitt (d.h. ein Teil mit einem im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser) des Tiegels positioniert. R war 10,72 Inch (272,3 mm), das ist die Hälfte des Innendurchmessers des Tiegels.
Wie in 1 gezeigt, die Verlagerung trat an der Schulter in den Versuchen 1 bis 2 und am geraden Körper in den Versuchen 3 bis 5 auf. Es gab keine Verlagerung in den Versuchen 6 bis 7. Darüber hinaus trat das abnormale Wachstum in den Versuchen 1 bis 5 auf. In den Versuchen 6 bis 7 trat kein abnormales Wachstum auf.
Hier wurden in den Versuchen 2 bis 6, nachdem die in den vorangegangenen Versuchen (Versuche 1 bis 5) hergestellten Kristalle aus der Monokristall-Pull-Up Vorrichtung entnommen wurden, wurde ein Monokristall hergestellt. Darüber hinaus wurde, bevor die Versuche 2, 4, 5 und 6 durchgeführt wurden, der Dotierstoff zugegeben, um die Dotierungskonzentration einzustellen.
Es ist anzumerken, dass der Versuch 7 ein Reproduktionsbestätigungstest von Versuch 6 ist, in dem weder Verlagerung noch abnormales Wachstum auftraten.
Die in 1 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass, wenn ein H/R Wert kleiner wird, mit anderen Worten, wenn die Menge der in dem Tiegel geladenen Dotierstoff-zugesetzten Schmelze kleiner wird, eine Position, in der die Verlagerung auftritt, in Richtung des Schwanzes verschoben wird und, wenn der H/R Wert kleiner als 0,78 ist, tritt weder Verlagerung noch abnormales Wachstum auf.
Es ist anzumerken, wenn die Siliciumschmelze innerhalb des Tiegels während eines axialen Wachstums des Monokristalls verringert wird, wird der H/R Wert kontinuierlich verringert. Dementsprechend, obwohl 1 nicht beschreibt, zeigen die Ergebnisse der Versuche 6 und 7, dass weder Verlagerung noch abnormales Wachstum auftritt, selbst wenn der H/R Wert kleiner als 0,77 ist. Es ergibt sich aus einer Restmenge der Siliciumschmelze in den Versuchen 6 und 7, dass weder Verlagerung noch abnormales Wachstum mindestens so lange auftritt, bis der H/R Wert 0,1 erreicht. Tatsächlich traten in Versuchen mit den jeweiligen H/R Werten von 0,6 und 0,4, die nach Experiment 1 durchgeführt wurden, weder eine Verlagerung noch ein abnormales Wachstum auf.
<Experiment 2: Korrelation zwischen der Menge der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze und der Widerstandsänderung des Monokristalls durch Verdampfen des Dotierstoffs >
Es ist bekannt, dass Arsen, Antimon oder roter Phosphor, die der Dotierstoff zur Verringerung des spezifischen Widerstandes des Monokristalls sind, leicht verdampft werden kann. Es wird angenommen, unter der Voraussetzung, dass die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoff-zugesetzten schmelzen gleich ist und die Fläche der Oberseite der Schmelzen gleich ist, wird die jeweilige Verdampfungsmenge des Dotierstoffs pro Zeiteinheit gleich, selbst wenn die im Tiegel geladene Menge unterschiedlich ist. Dementsprechend kann man davon ausgehen, unter der Voraussetzung, dass die Dotierstoffkonzentrationen der Dotierstoff-zugesetzten Schmelzen einander gleich sind, wird eine Abnahme der Dotierstoffkonzentration aufgrund der Verdampfung des Dotierstoffs pro Zeiteinheit größer, wenn die geringere Menge der Dotierungsmittel-Schmelze in dem Tiegel geladen wird.
Aus diesem Grund wurde die folgende Simulation als Experiment 2 durchgeführt.
Dotierstoff-zugesetzten Schmelzen mit der gleichen Konzentration wie die Dotierstoffkonzentration in Experiment 1 wurden in einen Tiegel mit der gleichen Form wie im Experiment 1 gegeben, so dass die jeweiligen H/R 0,4, 0,51, 0,78 und 1,01 betrugen. Unter der Annahme, dass die Herstellung eines Monokristalls ohne Zugabe des Dotierstoffs und der Siliciumschmelze begonnen wurde, wurde der spezifische Widerstand am oberen Ende des geraden Körpers zu jeder der Durchlaufzeiten simuliert, nachdem roter Phosphor (Dotierstoff) zu den Dotierstoff-zugesetzten Schmelzen gegeben wurde. Der spezifische Widerstand am oberen Ende des geraden Körpers, wenn die Herstellung des Monokristalls unmittelbar nach der Zugabe des Dotierstoffs begonnen wurde, wurde auf 0,9 mΩ·cm eingestellt. Dies liegt daran, dass der spezifische Widerstand des gesamten geraden Körpers 0,9 mΩ · cm oder weniger betragen kann, solange der spezifische Widerstand am oberen Ende des geraden Körpers auf 0,9 mΩ · cm eingestellt ist, da der spezifische Widerstand des Schwanzes des Monokristalls kleiner als die der Schulter des Monokristalls ist.
Die Simulationsergebnisse sind in dargestellt.
Es wurde bestätigt, wie in 2 gezeigt, dass der spezifische Widerstand mit der Zeit zunahm, seit der Dotierstoff verdampft war. Darüber hinaus wurde erkannt, dass der spezifische Widerstand erhöht wurde, da H/R kleiner wurde. Dies stimmt mit der obigen Annahme überein, dass die Abnahme der Dotierstoffkonzentration größer ist, wenn die Menge der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze kleiner ist.
Hierbei ist unter Berücksichtigung eines sogenannten Einzelladung Pull-Up Verfahrens, bei dem eine Mehrzahl von Monokristallen kontinuierlich nacheinander gezogen wird, ohne den Dotierstoff und die Siliziumschmelze hinzuzufügen, um die Herstellungseffizienz zu erhöhen, die Änderung des spezifischen Widerstands mit der Zeit vorzugsweise klein. Darüber hinaus, wenn man bedenkt, dass die Herstellung des Monokristalls manchmal nicht unmittelbar nach dem Hinzufügen des Dotierstoffs begonnen werden kann, dass es etwa zehn Stunden dauert, bis ein einziger Monokristall hochgezogen wird oder dass ein bestimmter Grad an Leistung für einen Siliziumwafer erforderlich ist, beträgt der spezifische Widerstand des geraden Körpers des Monokristalls, der in der Durchlaufzeit von zehn Stunden hergestellt wurde, vorzugsweise nicht mehr als 1,0 mQ·cm.
Dementsprechend selbst wenn die Herstellung des Monokristalls nach dem Verstreichen von zehn Stunden nach dem Hinzufügen des Dotierstoffs begonnen wird, kann der spezifische Widerstand des gesamten geraden Körpers nicht weit über 1,0 mΩ·cm liegen, wenn H/R 0,4 übersteigt.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der oben erwähnten Ergebnisse erreicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung bei einem Herstellungsverfahren eines Monokristalls unter Verwendung einer Monokristall-Pull-Up Vorrichtung gemäß dem Czochralski Verfahren: eine Kammer; einen Tiegel, der in der Kammer angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er eine Dotierstoff-zugesetzte Schmelze aufnimmt, in der ein Dotierstoff einer Siliciumschmelze zugesetzt ist; und eine Pull-Up Einheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Impfkristall nach der Kontaktaufnahme mit der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze hochzieht, und das Verfahren umfasst: einen Schulterbildungsschritt, um eine Schulter des Monokristalls zu bilden; und einen geraden Körperbildungsschritt, um einen geraden Körper des Monokristalls zu bilden, wobei in dem Schulterbildungsschritt vorgesehen ist, dass ein Abstand von einem untersten Abschnitt innerhalb des Tiegels zu einer Oberseite der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze als H (mm) und ein Radius der Oberseite der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze als R (mm) definiert sind, die Schulter beginnt unter einer Bedingung zu bilden, dass eine Formel (1) erfüllt ist, $0.4 < H/R<0 .78$
Gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung kann, wenn ein Monokristall in einer Weise hergestellt werden, um die Formel (1) zu erfüllen, der hergestellte Monokristall einen niedrigen spezifischen Widerstand und ein gehemmtes Auftreten von Verlagerung zeigen.
Bei dem Herstellungsverfahren mit der obigen Anordnung ist vorzugsweise der Dotierstoff roter Phosphor, und der rote Phosphor wird der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze zugegeben, so dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 1,0 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Bei dem Herstellungsverfahren mit der obigen Anordnung ist vorzugsweise der Dotierstoff Arsen, und das Arsen wird der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze zugegeben, so dass ein spezifischer Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 2,0 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Bei dem Herstellungsverfahren mit der obigen Anordnung ist vorzugsweise der Dotierstoff Antimon, und das Antimon wird der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze zugegeben, so dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 15 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung kann ein Monokristall, der ein gehemmtes Auftreten von Verlagerung aufweist und in der Lage ist, einen Siliziumwafer mit einem gewünschten niedrigen spezifischen Widerstand bereitzustellen, hergestellt werden.
Bei dem Herstellungsverfahren mit der obigen Anordnung ist vorzugsweise der Dotierstoff Germanium, und der rote Phosphor und das Germanium, und sie werden der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze zugegeben, so dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 1,2 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Bei der Anordnung kann eine falsche Verlagerung in einem aus dem Monokristall hergestellten epitaktischen Siliziumwafer gehemmt werden.
Bei dem Herstellungsverfahren mit der obigen Anordnung ist vorzugsweise die in dem Tiegel aufgenommene Dotierstoff-zugesetzte Schmelze in einer Menge vorhanden, die in der Lage ist, ein einziges Monokristall herzustellen, ein Siliciummaterial und der Dotierstoff werden dem Tiegel zugeführt, jedes Mal, wenn der einzelne der Monokristall hergestellt wird, um ein nächstes Monokristall herzustellen.
Bei der obigen Anordnung kann die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoff - zugesetzten Schmelze während der Herstellung von Monokristallen fixiert werden, so dass eine Kontrolle unter Berücksichtigung der Verdampfung des Dotierstoffs für die Herstellung der Monokristalle nicht erforderlich ist.
Bei dem Herstellungsverfahren mit den obigen Anordnungen ist, vorzugsweise, die in dem Tiegel aufgenommene Dotierstoff-zugesetzte Schmelze in einer Menge vorhanden, die in der Lage ist, eine Mehrzahl von einzelnen Monokristallen herzustellen, und die Mehrzahl von Monokristallen wird einzeln hergestellt, ohne ein Siliciummaterial und den Dotierstoff dem Tiegel zuzugeben.
Bei der obigen Anordnung kann eine Mehrzahl von Monokristallen hergestellt werden, ohne die Dotierungszusatzschmelze zu verfestigen (zu kühlen), so dass eine effiziente Herstellung der Monokristalle erreicht werden kann.
Figurenliste

1 zeigt die Ergebnisse von Experiment 1 zur Ableitung eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Monokristalls, insbesondere eine Tabelle, die eine Korrelation zwischen einer Menge einer Dotierstoff-zugesetzten Schmelze und dem Auftreten von Verlagerung zeigt.
2 zeigt die Ergebnisse von Experiment 2 zur Ableitung des Herstellungsverfahrens, insbesondere ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen der Menge der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze und einer Widerstandsänderung des Monokristalls aufgrund der Verdampfung des Dotierstoffs zeigt.

3 ist eine Darstellung, die eine schematische Struktur einer Monokristall-Pull-Up Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, die ein Herstellungsverfahren eines Monokristalls durch ein Mehrfach-Pull-Up Verfahren gemäß der beispielhaften Ausführungsform zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, die ein Herstellungsverfahren eines Monokristalls durch ein Einzelladung-Pull-Up Verfahren in einer Modifikation der Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Aufbau einer Monokristall-Pull-Up Vorrichtung
Zuerst wird eine Struktur einer Monokristall Pull-Up Vorrichtung beschrieben.
Eine Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1 umfasst einen Monokristall-Pull-Up Vorrichtungskörper 3, eine Dotierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und eine Steuerung (nicht gezeigt).
Der Monokristall-Pull-Up Vorrichtungskörper 3 umfasst:

eine Kammer 30; einen Tiegel 31, der in der Kammer 30 angeordnet ist; eine Heizung 32, die so konfiguriert ist,
dass sie Wärme an den Tiegel 31 abträgt, um den Tiegel 31 zu erwärmen; ein Pull-Up Kabel 33, das als eine Pull-Up Einheit dient; einen wärmeisolierenden Zylinder 34; und eine Abschirmung 36.

Unter einer Steuerung durch eine Steuereinheit wird ein Inertgas (z. B. Argongas) bei einer vorbestimmten Gasströmungsrate von einer Oberseite zu einer unteren Seite der Kammer 30 durch einen Einlass 30A in die Kammer 30 eingeführt, welcher auf einer Oberseite der Kammer 30 vorgesehen ist. Außerdem ist ein Druck in der Kammer 30 (Ofendruck) durch die Steuereinheit steuerbar.
Der Tiegel 31 ist so konfiguriert, dass er ein polykristallines Silizium schmilzt, das ein Rohmaterial eines Siliziumwafers ist, um eine Siliziumschmelze 4 bereitzustellen. Der Tiegel 31 umfasst: einen Quarztiegel 311, der aus Quarz besteht und in einem Bodenhohlzylinder geformt ist; und einen Graphittiegel 312 aus Graphit, der außerhalb des Quarztiegels 311 angeordnet ist, und den Quarztiegels 311 aufnimmt.
Der Tiegel 31 wird von einer mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit drehbaren Stützwelle 37 getragen. In der beispielhaften Ausführungsform hat der Zylinder des Tiegels 31 einen Außendurchmesser von 22 Inch (558,8 mm) und einen Innendurchmesser von 21,44 Inch (544,6 mm).
Die Heizung 32 ist außerhalb des Tiegels 31 angeordnet und ist so konfiguriert, dass er den Tiegel 31 erwärmt, um das in dem Tiegel 31 aufgenommene Silizium zu schmelzen.
Ein erstes Ende des Pull-Up Kabels 33 ist beispielsweise mit einer Pull-Up Antriebseinheit (nicht gezeigt) verbunden, die auf einer Oberseite des Tiegels 31 angeordnet ist. Ein zweites Ende des Pull-Up Kabels 33 wird bei Bedarf Zu einem Keimkristallhalter 38 befestigt, der so konfiguriert ist, dass er einen Impfkristall oder eine Dotierungsvorrichtung (nicht gezeigt) hält. Das Pull-Up Kabel 33 ist drehbar, wenn es von der Antriebseinheit angetrieben wird. Das Pull-Up Kabel 33 wird mit einer vorbestimmten Pull-Up Geschwindigkeit nach oben bewegt, indem die Steuereinheit die Antriebseinheit steuert.
Der wärmeisolierende Zylinder 34 ist um den Tiegel 31 und den Heizung 32 herum angeordnet.
Die Abschirmung 36 ist eine wärmeblockierende Abschirmung, die so konfiguriert ist, dass sie die von der Heizung 32 nach oben abgestrahlte Wärmestrahlung blockiert.
Die Dotierungsvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie einen festen Dotierstoff in Form von rotem Phosphor, der mit der Siliziumschmelze 4 in dem Tiegel 31 zu dotieren ist, verflüchtigt, mit anderen Worten, so konfiguriert, dass der Siliciumschmelze 4 roter Phosphor zugeführt wird, um eine Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 zu bilden 41. Die Dotiervorrichtung kann einen Zylinder aufweisen, dessen unteres Ende so konfiguriert ist, dass es in die Siliziumschmelze 4 eingetaucht wird, um der Siliziumschmelze 4 roten Phosphor zuzusetzen, oder kann so konfiguriert sein, dass der verflüchtigte rote Phosphor über die Siliziumschmelze 4 gesprüht wird, wobei das untere Ende des Zylinders von der Siliziumschmelze 4 getrennt wird, wodurch der rote Phosphor der Siliziumschmelze 4 zugeführt wird.
Gemäß einer von einem Bediener eingestellten Eingabe steuert die Steuereinheit in geeigneter Weise die Gasströmungsrate in der Kammer 30, deren Ofendruck und die Hochziehgeschwindigkeit des Pull-Up Kabels 33, um die Herstellung eines Monokristalls 6 zu steuern.
Herstellungsverfahren von Monokristall
Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des Monokristalls 6 unter Verwendung der Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1 beschrieben. In der beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Monokristalls mit einem geraden Körper in einer Länge von 860 mm und einem Durchmesser von 200 mm beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 4 wird ein Verfahren zur Herstellung des Monokristalls 6 durch ein sogenanntes Mehrfach-Pull-Up Verfahren beschrieben. Das Mehrfach-Pull-Up Verfahren umfasst das Teilen eines Quarztiegels 311, das Aufladen eines Polysiliziummaterials 411 jedes Mal, wenn der Monokristall 6 hochgezogen wird, und das Hochziehen einer Mehrzahl von Monokristallen 6. 3 zeigt den Quarztiegel 311 vereinfacht.
Hierin, wie in den 3 und 4 zeigt, wird die Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1, bei der der Quarztiegel 311, der ein 80-kg-Polysiliziummaterial aufnimmt, in einer Anfangsphase eingestellt wird, durch die Steuereinheit gesteuert, um das Polysiliziummaterial zu schmelzen, um anschließend die Gasströmungsrate und den Ofendruck in der Kammer 30 mit jeweiligen vorbestimmten Werten einzustellen, und um der Siliciumschmelze 4 einen flüchtigen Dotierstoff in Form eines roten Phosphors zuzusetzen, um die Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 zu bilden.
Es ist anzumerken, dass eine zugegebene Menge an rotem Phosphor bestimmt wird, so dass der spezifische Widerstand eines Siliziumwafers, der aus dem Monokristall 6 herausgeschnitten ist, in einem Bereich von 0,6 mΩ·cm bis 1,0 mΩ·cm liegt. Außerdem kann Germanium zusammen mit rotem Phosphor zugegeben werden, um eine falsche Verlagerung eines epitaktischen Siliziumwafers zu verhindern. Beim Hinzufügen von Germanium kann eine zugegebene Menge an rotem Phosphor und Germanium bestimmt werden, so dass der spezifische Widerstand des Siliziumwafers 1,2 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Anschließend taucht die Steuereinheit der Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1 den Keimkristall in die Schmelze anhand der vom Bediener eingestellten Eingabe ein und zieht dann den Keimkristall mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit hoch, wodurch der Monokristall 6 hergestellt wird.
Beim Hochziehen des Impfkristalls verkürzt die Steuereinheit eine Pull-Up Zeitdauer als ein herkömmlicher Prozess zumindest während des geraden Körperbildungsschritts unter dem Halsbildungsschritt, dem Schulterbildungsschritt, dem geraden Körperbildungsschritt, dem Schwanzbildungsschritt und dem Abkühlschritt für den Monokristall 6, wodurch der Monokristall 6 mit einer kürzeren Abmessung als herkömmliche hergestellt wird.
Insbesondere, wie in einer durchgezogenen Linie in 3, nach der Bildung des Halses 61, vorausgesetzt, dass ein Abstand von dem untersten Abschnitt innerhalb des Tiegels 31 zu der Oberseite 41A der Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 als H (mm) definiert ist, und ein Radius der Oberseite 41A der Dotierstoff- zugesetzte Schmelze 41 als R (mm) ist definiert, wird die Bildung der Schulter 62, wie in der Ketten-Doppelstrichlinien in 3 unter Bedingungen gestartet, dass die Formel (1) erfüllt ist.
Nach der Bildung der Schulter 62 sind ein gerader Körper 63 und ein Schwanz 64 ausgebildet, wie in den Ketten-Doppelstrichlinien in 3 und in 4 gezeigt ist.
Die Bedingungen, mit Ausnahme der Pull-Up Zeitdauer, zum Beispiel kann der Heizzustand durch die Heizung 32 dem gleichen sein wie bei einem herkömmlichen Verfahren. Bei der beispielhaften Ausführungsform, bei der der 22-Inch(558,8 mm)-Tiegel 31 verwendet wird, empfängt der Tiegel 31 zu Beginn der Bildung der Schulter 62 die Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 von mehr als 37 kg (H/R = 0,4) und weniger als 95 kg (H/R = 0,78).
Gemäß den obigen Schritten kann der Monokristall 6 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand in einem Bereich von 0,6 mΩ·cm bis 1,0 mΩ·cm hergestellt werden und eine Verlagerung gehemmt werden.
Nach dem Herstellen eines Monokristalls 6 lädt die Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1 das Material 411 (Silicium, roter Phosphor, Germanium) zur Bildung einer 80-kg-Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 in den Quarztiegel 311 auf und stellt unter den Bedingungen einen nächsten Monokristall 6 her, wobei die Formel (1) bei der Bildung der Schulter 62 erfüllt wird.
Hierbei stellt die Steuereinheit der Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1 vorzugsweise den Ofendruck in einem Bereich von 13,3 kPa (100 torr) bis Monokristall 60 kPa (450 torr) ein, während die Monokristalle 6 (mit Ausnahme des zuletzt hergestellten Monokristalls 6 gekühlt werden, bis die Monokristalle 6 herausgenommen werden (d.h. während des Abkühlungsschrittes). Bei einem Ofendruck von weniger als 13,3 kPa wird roter Phosphor (der flüchtige Dotierstoff) verdampft, so dass ein spezifischer Widerstand eines nächsten hergestellten Monokristalls 6 erhöht wird. Andererseits neigt bei einem Ofendruck von mehr als 60 kPa eine verdampfte Substanz dazu, an einer Innenseite der Kammer 30 zu haften, wodurch die Monokristallisation des Monokristalls 6 behindert wird.
Ein Siliziumwafer, der aus dem so hergestellten Monokristall 6 erhalten wird, weist einen spezifischen Widerstand in einem Bereich von 0,6 mΩ·cm bis 1,0 mΩ·cm auf.
Modifikationen
Es versteht sich, dass die Erfindung keineswegs nur auf die obigen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern es sind verschiedene Verbesserungen und Konstruktionsänderungen auf die Erfindung anwendbar, solange solche Verbesserungen und Änderungen mit der Erfindung vereinbar sind.
Zum Beispiel, anstelle des Mehrfach-Pull-Up Verfahrens, wie in 4 gezeigt ist, kann ein sogenanntes Einzelladung-Pull-Up Verfahren verwendet werden, um den Monokristall 6 herzustellen. Bei dem Einzelladung Pull-Up verfahren wird die Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1, wie in 5 gezeigt ist, verwendet und die Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 wird für eine Mehrzahl von Monokristallen zu einem Zeitpunkt in den gemeinsamen Quarztiegel 311 geladen und eine Mehrzahl von Monokristallen 6 wird nacheinander gezogen.
Wenn zwei Monokristalle 6 hergestellt werden sollen, stellt die Steuereinheit der Monokristall-Pull-Up Vorrichtung 1 vorzugsweise nach einem ersten der beiden Monokristalle 6 den Ofendruck in einem Bereich von 13,3 kPa bis 60 kPa ein, während der Kühlung des ersten Monokristalls, bis der erste Monokristall herausgenommen wird (d.h. während des Abkühlungsschrittes). Der Grund, warum der Ofendruck bevorzugt wie oben beschrieben eingestellt wird, ist derselbe wie der Grund für das Mehrfach-Pull-Up Verfahren im Ausführungsbeispiel.
Es ist darauf hinzuweisen, dass selbst bei dem Mehrfach-Pull-Up Verfahren das Einzelladung-Pull-Up Verfahren angewendet werden kann, ohne das Rohmaterial beim Hochziehen des endgültigen Monokristalls hinzuzufügen.
Beispielsweise kann ein Pull-Up Verfahren angewendet werden, bei dem zu Beginn der Bildung der Schulter 62 die Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 so aufgeladen wird, dass sie H/R = 0,68 in Anfangsphase erfüllt und einen Monokristall 6 mit einem geraden Körper in einer Länge von 400 mm dreimal hintereinander gezogen wird.
Auch bei diesem Verfahren kann ein 200 mm Durchmesser-Monokristall 6 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand in einem Bereich von 0,6 mΩ·cm bis 1,0 mΩ·cm hergestellt werden und eine Verlagerung gehemmt werden.
Darüber hinaus kann als Dotierstoff, der in der Siliziumschmelze 4 zugesetzt werden soll, Arsen in einer solchen Menge verwendet werden, dass der spezifische Widerstand des oberen Endes 63A des geraden Körpers 63 2,0 mΩ·cm oder weniger beträgt, oder Antimon in einer solchen Menge verwendet werden, dass der spezifische Widerstand des oberen Endes 63A des geraden Körpers 63 15 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Der Durchmesser des Monokristalls kann mehr als 200 mm oder weniger als 200 mm betragen.
Wenn ein 32-Inch(812,8 mm)-, 18-Inch(457,2 mm)- oder 16-Inch(406,4 mm)-Tiegel 31 verwendet wird, können die folgenden Mengen der Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 in dem Tiegel 31 zu Beginn der Bildung der Schulter 62 aufgenommen werden, um die obige Formel (1) zu erfüllen.
Wenn ein 32-Inch(812,8 mm)-Tiegel 31 verwendet wird, beträgt die Menge der Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 mehr als 118 kg (H/R = 0,4) und weniger als 300 kg (H/R = 0,78).
Wenn ein 18-Inch(457,2 mm)-Tiegel 31 verwendet wird, beträgt die Menge der Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 mehr als 19 kg (H/R = 0,4) und weniger als 52 kg (H/R = 0,78).
Wenn ein 16-Inch(406,4 mm)-Tiegel 31 verwendet wird, beträgt die Menge der Dotierstoff-zugesetzte Schmelze 41 mehr als 14 kg (H/R = 0,4) und weniger als 36 kg (H/R = 0,78).
Bezugszeichenliste

1: Monokristall-Pull-Up Vorrichtung
6: Monokristall
30: Kammer
31: Tiegel
33: Pull-Up Kabel (Pull-Up Einheit)
41A: Oberseite
41: Dotierstoff-zugesetzte Schmelze
62: Schulter
63: gerader Körper

Claims

Herstellungsverfahren eines Monokristalls unter Verwendung einer Monokristall-Pull-Up Vorrichtung gemäß dem Czochralski Verfahren, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Kammer; einen Tiegel, der in der Kammer angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass er eine Dotierstoff-zugesetzte Schmelze aufnimmt, in der ein Dotierstoff einer Siliciumschmelze zugesetzt wird; und eine Pull-Up Einheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Keimkristall hochzieht, nachdem der Keimkristall in Kontakt mit der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze gebracht wurde, wobei das Verfahren umfasst: einen Schulterbildungsschritt, um eine Schulter des Monokristalls zu bilden; und einen geraden Körperbildungsschritt zur Bildung eines geraden Körpers des Monokristalls, wobei in dem Schulterbildungsschritt, vorausgesetzt, dass ein Abstand von einem untersten Abschnitt innerhalb des Tiegels zu einer Oberseite der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze als H (mm) definiert und ein Radius der Oberseite der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze als R (mm) definiert ist, sich die Schulter unter einer Bedingung zu bilden beginnt, dass die Formel (1) erfüllt ist, $0,4 < H/R <0,78$
wobei, wenn der Dotierstoff roter Phosphor ist, der rote Phosphor der Dotierstoff- zugesetzten Schmelze so zugesetzt wird, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 1,0 mΩ·cm oder weniger beträgt, wenn der Dotierstoff Arsen ist, das Arsen der Dotierstoff-zugegebenen Schmelze so zugesetzt wird, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 2,0 mΩ·cm oder weniger beträgt, wenn der Dotierstoff Antimon ist, das Antimon der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze so zugesetzt wird, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 15 mΩ·cm oder weniger beträgt, und, wenn der Dotierstoff roter Phosphor und Germanium ist, der rote Phosphor und das Germanium der Dotierstoff-zugesetzten Schmelze so zugesetzt werden, dass der spezifische Widerstand an einem oberen Ende des geraden Körpers 1,2 mΩ·cm oder weniger beträgt.
Herstellungsverfahren von Monokristall nach Anspruch 1, wobei die in dem Tiegel aufgenommene Dotierstoff-zugesetzte Schmelze in einer Menge vorliegt, die in der Lage ist, einen einzigen der Monokristalle herzustellen, wobei ein Siliciummaterial und der Dotierstoff dem Tiegel zugeführt werden, jedes Mal, wenn der einzelne Monokristall hergestellt wird, um einen nächsten der Monokristalle herzustellen.
Herstellungsverfahren von Monokristall nach Anspruch 1, wobei die in dem Tiegel aufgenommene Dotierstoff-zugesetzte Schmelze in einer Menge vorliegt, eine Mehrzahl von einzelnen Monokristallen herzustellen, und die einzelnen Monokristalle nacheinander hergestellt werden, ohne ein Siliciummaterial und den Dotierstoff dem Tiegel zuzugeben.