DE112016005020T5

DE112016005020T5 - Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums und Einkristall-Silizium

Info

Publication number: DE112016005020T5
Application number: DE112016005020.8T
Authority: DE
Inventors: Ryusuke Yokoyama; Toshiyuki Fujiwara
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2036-11-01
Also published as: DE112016005020B4; CN108291327A; KR102060422B1; TW201716646A; CN108291327B; KR20180061307A; JPWO2017077701A1; JP6489209B2; TWI625432B; WO2017077701A1

Abstract

Ein Einkristall-Siliziumherstellungsverfahren, das die Variation der Sauerstoffkonzentration in einer Kristallzugrichtung reduzieren kann, wird vorgeschlagen. Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums, mittels dessen das Einkristall-Silizium hergestellt wird, indem ein Impfkristall 17 in eine Siliziumschmelze 13 getaucht wird, die in einem Tiegel 12 enthalten ist und der Impfkristall 17 unter Drehen des Tiegels 12 und des Impfkristalls 17 hochgezogen wird, um Einkristall-Silizium 16 auf dem Impfkristall 17 wachsen zu lassen, wobei das Hochziehen des Impfkristalls in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Siliziumschmelze 13 in einer Ebene, die eine Zugachse des Impfkristalls 17 umfasst und die parallel zu einer Anlegerichtung des Magnetfelds ist, von einer Seite zu einer anderen Seite strömt, zumindest unterhalb einer Fest-Flüssig-Grenzfläche.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums und ein Einkristall-Silizium, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums, das die Variation der Sauerstoffkonzentration in einer Kristallzugrichtung und einem Einkristall-Silizium reduzieren kann.
STAND DER TECHNIK
Heutzutage werden Halbleitereinrichtungen üblicherweise unter Verwendung von Siliziumwafern als Substrat hergestellt, die durch Schneiden von Einkristall-Silizium erhalten werden, das mittels des Czochralski (CZ)-Verfahrens gewachsen ist.
Wenn Einkristall-Silizium mittels des CZ-Verfahrens hergestellt wird, strömt eine Siliziumschmelze, die in einem Tiegel enthalten ist, aufgrund von thermischer Konvektion schnell, und Sauerstoff, der in dem Tiegel enthalten ist, wird in hoher Konzentration in hergestelltes Einkristall-Silizium eingebracht. In Anbetracht dessen wird das Einkristall-Silizium hochgezogen, während ein horizontales Magnetfeld an die Siliziumschmelze in dem Tiegel angelegt wird, um die Strömung der Siliziumschmelze zu reduzieren und die Sauerstoffkonzentration des Einkristall-Siliziums zu kontrollieren (siehe beispielsweise JP S58-50953 B2 (PTL 1)).
1 zeigt ein Beispiel einer Einkristall-Siliziumherstellungseinrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfelds. Eine Einkristall-Siliziumherstellungseinrichtung 10, die in den Zeichnungen gezeigt ist, umfasst in einer Kammer 11 einen Tiegel 12, der polykristallines Silizium enthält, das ein Rohmaterial von Einkristall-Silizium 16 ist, Erhitzer 14, die das Rohmaterial in dem Tiegel 12 erhitzen, um eine Siliziumschmelze 13 zu bilden, einen Tiegeldrehmechanismus 15, der unterhalb des Tiegels vorgesehen ist und den Tiegel 12 in der Umfangsrichtung dreht, einen Impfkristallhalter 18, der einen Impfkristall 17 zum Wachsen des Einkristall-Siliziums 16 hält, ein Drahtseil 19, das mit einem Ende am Impfkristallhalter 18 befestigt ist, und einen Wickelmechanismus 20, der das Einkristall-Silizium 16, den Impfkristall 17 und den Impfkristallhalter 18 unter Drehen des Drahtseils 19 dreht und hochzieht.
Außerhalb des unteren Teils der Kammer 11 sind die Magnetfeldanlegeeinrichtungen 21, die an der Siliziumschmelze 13 in dem Tiegel 12 ein horizontales Magnetfeld anlegen, einander zugewandt, wobei der Tiegel 12 dazwischenliegt.
Unter Verwendung dieser Einkristall-Siliziumherstellungseinrichtung 10 kann das Einkristall-Silizium 16 auf folgende Weise hergestellt werden. Zunächst ist eine vorbestimmte Menge polykristallines Silizium in dem Tiegel 12 enthalten und wird von den Erhitzern 14 erhitzt, um die Siliziumschmelze 13 zu bilden. Zusätzlich wird von der Magnetfeldanlegeeinrichtung 21 ein vorbestimmtes horizontales Magnetfeld an der Siliziumschmelze 13 angelegt.
Dann wird in einem Zustand, in dem das horizontale Magnetfeld an die Siliziumschmelze 13 angelegt ist, der Impfkristall 17, der von dem Impfkristallhalter 18 gehalten wird, in die Siliziumschmelze 13 getaucht. Der Tiegel 12 wird bei einer vorbestimmten Drehzahl von dem Tiegeldrehmechanismus 15 gedreht, und außerdem wird der Impfkristall 17 (d. h. das Einkristall-Silizium 16) von dem Wickelmechanismus 20 gewickelt, während er mit einer vorbestimmten Drehzahl gedreht wird, um den Impfkristall 17 und das Einkristall-Silizium 16, das auf dem Impfkristall 17 gewachsen ist, hoch zu ziehen. So kann Einkristall-Silizium, das einen vorbestimmten Durchmesser aufweist, hergestellt werden.
Mittels Anlegen des horizontalen Magnetfelds an die Siliziumschmelze wie zuvor erwähnt, kann die Sauerstoffkonzentration in dem hergestellten Einkristall-Silizium stark reduziert werden. Es gibt jedoch dahin gehend ein Problem, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung variiert. JP 2000-264784 A (PTL 2) beschreibt entsprechend eine Technik in dem CZ-Verfahren, das ein horizontales Magnetfeld anlegt, was die Einheitlichkeit der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung verbessert, indem Kristallwachstum derart durchgeführt wird, dass einer, ein Hochtemperaturabschnitt oder ein Niedrigtemperaturabschnitt, der an der Siliziumschmelzenoberfläche in dem Tiegel gebildet ist, sich jederzeit an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche des Kristallwachstums befindet.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
Patentliteratur

PTL 1: JP S58-50953 B2
PTL 2: JP 2000-264784 A

KURZDARSTELLUNG
(Technische Aufgabe)
Das in PTL 2 beschriebene Verfahren kann die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung etwas reduzieren. Die Reduzierung ist jedoch unzureichend, und es wird eine Technik gewünscht, die die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung weiter reduzieren kann.
Es könnte daher hilfreich sein, ein Einkristall-Siliziumherstellungsverfahren und Einkristall-Silizium vorzusehen, das die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung reduziert.
(Lösung der Aufgabe)
Wir sehen vor:

<1> Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums, mittels dessen das Einkristall-Silizium hergestellt wird, indem ein Impfkristall in eine Siliziumschmelze getaucht wird, die in einem Tiegel enthalten ist, und der Impfkristall unter Drehen des Tiegels und des Impfkristalls hochgezogen wird, um Einkristall-Silizium auf dem Impfkristall wachsen zu lassen, wobei das Hochziehen des Impfkristalls in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Siliziumschmelze in einer Ebene, die eine Zugachse des Impfkristalls umfasst und die parallel zu einer Anlegerichtung des Magnetfelds ist, von einer Seite zu einer anderen Seite strömt, zumindest unterhalb einer Fest-Flüssig-Grenzfläche.
<2> Das Verfahren nach <1>, wobei die Bedingungen der folgenden Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt sind: ${AB}^{2} \geq 0,275$
$2 R_{1} \leq R_{2} \leq 3 R_{1}$
$R_{1} \leq h \leq {2R}_{1}$
wobei B eine Stärke des Magnetfelds in T, A eine Drehzahl des Einkristall-Siliziums in U/min, R₁ ein Radius des Einkristall-Siliziums in mm, R₂ ein Radius des Tiegels in mm, und h eine Flüssigkeitsstandhöhe der Siliziumschmelze in dem Tiegel in mm ist.
<3> Das Verfahren nach <1> oder <2>, wobei das Herstellen des Einkristall-Siliziums unter Verwendung einer vorbestimmten Menge der Siliziumschmelze, die in dem Tiegel enthalten ist, mittels einer Vielzahl separater Betriebe des Hochziehens des Impfkristalls durchgeführt wird.
<4> Ein Einkristall-Silizium, wobei ein Durchmesser des Einkristall-Siliziums 300 mm oder mehr beträgt, und die Variation (Abweichung) der Sauerstoffkonzentration in jedem 50-mm-Bereich in einer einzelnen Kristallzugachsenrichtung innerhalb ±5 % in Bezug auf einen Mittelwert der Sauerstoffkonzentration in dem Bereich liegt.

(Vorteilhafte Wirkung)
So ist es möglich, die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in hergestelltem Einkristall-Silizium zu reduzieren.
Figurenliste
In den begleitenden Zeichnungen zeigen:

1 eine Grafik, die ein Beispiel einer Einkristall-Siliziumherstellungseinrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfelds zeigt;
2A eine schematische Grafik, die den Strömungszustand einer Siliziumschmelze in einem Tiegel gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2B eine schematische Grafik, die den Strömungszustand der Siliziumschmelze in dem Tiegel gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3A eine Grafik, die den Strömungszustand der Siliziumschmelze in dem Tiegel in dem Fall zeigt, in dem die Drehzahl des Einkristall-Siliziums 0 U/min beträgt, als Ergebnis dreidimensionaler Strömungsanalyse;
3B eine Grafik, die den Strömungszustand der Siliziumschmelze in dem Tiegel in dem Fall zeigt, in dem die Drehzahl des Einkristall-Siliziums 9 U/min beträgt, als Ergebnis dreidimensionaler Strömungsanalyse;
4 eine Grafik, die das Verhältnis zwischen der Magnetfeldstärke und der Drehzahl des Einkristall-Siliziums und der Anzahl Wirbel der Siliziumschmelze in dem Tiegel zeigt;
5 eine Grafik, die den Messwert und den berechneten Wert der Temperatur der Siliziumschmelze in dem Tiegel zeigt;
6 eine Grafik, die die Strömung von Siliziumchips zeigt, die in die Siliziumschmelze geladen werden;
7A eine Grafik, die die normalisierte Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in hergestelltem Einkristall-Silizium, in dem Fall, in dem zwei Wirbel gebildet werden, zeigt; und
7B eine Grafik, die die normalisierte Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in hergestelltem Einkristall-Silizium, in dem Fall zeigt, in dem ein Wirbel gebildet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
(Einkristall-Siliziumherstellungsverfahren)
Nachfolgend wird eine der offenbarten Ausführungsformen detailliert unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums, mittels dessen das Einkristall-Silizium hergestellt wird, indem ein Impfkristall in eine Siliziumschmelze getaucht wird, die in einem Tiegel enthalten ist und der Impfkristall unter Drehen des Tiegels und des Impfkristalls (d. h. des Einkristall-Siliziums) hochgezogen wird, um Einkristall-Silizium auf dem Impfkristall wachsen zu lassen. Hierbei wird der Impfkristall in einem Zustand hochgezogen, in dem die Siliziumschmelze in dem Tiegel in mindestens einem Teil des Impfkristallzugprozesses einen Wirbel bildet.
Die vorliegenden Erfinder betrieben intensive Studien darüber, wie die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in dem hergestellten Einkristall-Silizium reduziert werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass die Variation der Sauerstoffkonzentration von dem Strömungszustand der Siliziumschmelze stark beeinflusst wird. Die vorliegenden Erfinder führten, mittels Analyse unter Verwendung eines dreidimensionalen Strömungsanalysemodells, ausführliche Untersuchungen bezüglich des Strömungszustands der Siliziumschmelze in dem Tiegel während der Einkristall-Siliziumherstellung unter verschiedenen Herstellungsbedingungen durch. Als Ergebnis entdeckten die vorliegenden Erfinder, dass die Siliziumschmelze in dem Tiegel unter spezifischen Herstellungsbedingungen unter Bildung eines Wirbels strömt.
Es wurde herkömmlicherweise davon ausgegangen, dass die Siliziumschmelze in dem Tiegel während der Einkristall-Siliziumherstellung unter Bildung von zwei Wirbeln strömt, die jeweils auf einer Achse zentriert sind, die parallel zu dem angelegten horizontalen Magnetfeld ist, wie schematisch in 2A gezeigt. Gemäß unserer dreidimensionalen Strömungsanalyse strömt die Siliziumschmelze unter vielen Herstellungsbedingungen auch unter Bildung von zwei Wirbeln. Unter spezifischen Herstellungsbedingungen strömt die Siliziumschmelze jedoch unter Bildung von einem Wirbel, wie schematisch in 2B gezeigt.
Die Ursachen dafür, dass die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt, sind nicht vollständig geklärt, aber die vorliegenden Erfinder nehmen an, dass dies auf die Lorentzkraft zurückzuführen ist, die direkt unterhalb des Einkristalls wirkt, der hochgezogen wird. Üblicherweise wird die Strömung der Siliziumschmelze durch das Anlegen des Magnetfelds reduziert. Dabei wird direkt unterhalb des gezogenen Kristalls aufgrund von elektrischem Strom, der zwischen dem Kristall und der Siliziumschmelze durch die Fest-Flüssig-Grenzfläche fließt, die Lorentzkraft erzeugt, und als Ergebnis wird die Strömung der Siliziumschmelze beschleunigt. Die vorliegenden Erfinder gehen davon aus, dass wenn die Lorentzkraft einen vorbestimmten Betrag übersteigt, die Symmetrie der Strömung der unter Bildung von zwei Wirbeln strömenden Siliziumschmelze verloren geht und die Strömung zu einem Zustand wechselt, in dem die Siliziumschmelze in ihrer Gesamtheit einen Wirbel bildet.
Da die Siliziumschmelze, die unter Bildung eines Wirbels strömt, nahe der Fest-Flüssig-Grenzfläche direkt unterhalb des gezogenen Kristalls beständig strömt, stellten die vorliegenden Erfinder tatsächlich Einkristall-Silizium unter den Bedingungen her, unter denen die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt, und untersuchten die Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in dem erhaltenen Einkristall-Silizium. Als Ergebnis war die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung signifikant reduziert im Vergleich zu Einkristall-Silizium, das unter den Bedingungen hergestellt wurde, unter denen die Siliziumschmelze unter Bildung von zwei Wirbeln strömt.
Wir betrieben überdies intensive Studien zu den Bedingungen, unter denen die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt, und entdeckten infolgedessen, dass die Siliziumschmelze in dem Tiegel zumindest in dem Fall, in dem alle Bedingungen der folgenden Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt sind, unter Bildung eines Wirbels strömt: ${AB}^{2} \geq 0,275$
$2 R_{1} \leq R_{2} \leq 3 R_{1}$
$R_{1} \leq h \leq {2R}_{1}$
Jede der Bedingungen, die von Rechenausdrücken (1) bis (3) definiert werden, wird nachfolgend beschrieben. Es wird, wie zuvor erwähnt, angenommen, dass die Bildung eines Wirbels auf die Lorentzkraft zurückzuführen ist, die direkt unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche des gezogenen Kristalls erzeugt wird. Diese Lorentzkraft ist näherungsweise proportional zu AB², wobei B (T) die Stärke des angelegten Magnetfelds und A (U/min) die Drehzahl des gezogenen Kristalls ist. Daher haben wir das Verhältnis zwischen der angelegten Magnetfeldstärke B und der Kristalldrehzahl A, mit der die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt, eingehend untersucht, unter denselben Bedingungen bis auf die angelegte Magnetfeldstärke B und die Kristalldrehzahl A. Infolgedessen fanden wir heraus, dass die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt, wenn die zuvor erwähnte Bedingung AB² ≥ 0,275 erfüllt ist.
Auch in dem Fall, in dem die Bedingung (1) erfüllt ist, hängt jedoch die Bildung eines Wirbels auch von der Form der Schmelze ab, d. h. der Form des Tiegels und der Flüssigkeitsstandhöhe der Schmelze in dem Tiegel. Die Antriebskraft der Strömung der Siliziumschmelze setzt sich aus der Lorentzkraft und thermischer Konvektion zusammen. In dem Fall, in dem der Radius des Tiegels im Vergleich zu dem Radius des gezogenen Kristalls übermäßig groß ist, sinkt der Beitrag der Lorentzkraft auf die Gesamtströmung der Siliziumschmelze, und ein Wirbel kann nicht erzielt werden.
In dem Fall dagegen, in dem der Radius des Tiegels nahe dem Radius des gezogenen Kristalls liegt, ist der Beitrag der Lorentzkraft übermäßig hoch, was einen turbulenten Zustand verursacht, in dem die Strömungsverteilung mit der Zeit zufällig variiert, wobei die Ursachen hierfür nicht genau bekannt sind. Auch in diesem Fall kann ein Wirbel nicht erzielt werden. Als Ergebnis der Untersuchung des Verhältnisses zwischen dem Radius R₂ des Tiegels und dem Radius R₁ des gezogenen Kristalls fanden wir heraus, dass die Siliziumschmelze in dem Fall unter Bildung eines Wirbels strömt, in dem die Bedingung 2R₁ ≤ R₂ ≤ 3R₁ erfüllt ist.
In Bezug auf die Flüssigkeitsstandhöhe der Siliziumschmelze in dem Tiegel nimmt in dem Fall, in dem die Flüssigkeitsstandhöhe übermäßig hoch ist, die Wirkung der thermalen Konvektion zu und der Beitrag der Lorentzkraft nimmt ab. Als Ergebnis kann die Siliziumschmelze nicht unter Bildung eines Wirbels strömen. In dem Fall, in dem die Höhe der Schmelze übermäßig hoch ist, nimmt der Wärmeeintrag von dem Boden des Tiegels zu, und es tritt von dem mittleren Teil aufsteigende Konvektion auf. Auch in diesem Fall kann die Siliziumschmelze nicht unter Bildung eines Wirbels strömen. Als Ergebnis der Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Flüssigkeitsstandhöhe h in dem Tiegel und dem Radius R₁ des gezogenen Kristalls fanden wir heraus, dass die Siliziumschmelze in dem Fall unter Bildung eines Wirbels strömt, in dem die Bedingung R₁ ≤ h ≤ 2R₂ erfüllt ist.
Somit entdeckten wir, dass während der Einkristall-Siliziumherstellung die Siliziumschmelze in dem Tiegel zumindest in dem Fall, in dem die Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt sind, unter Bildung eines Wirbels strömt, und brachten in Erfahrung, dass die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung signifikant reduziert werden kann durch das Herstellen von Einkristall-Silizium unter solchen Bedingungen, die die Bildung eines Wirbels ermöglichen.
Gemäß unserer Studie beeinflusst die Drehzahl des Tiegels die Bildung eines Wirbels der Siliziumschmelze, zumindest bei normaler Drehzahl (z. B. etwa 0 U/min bis 10 U/min), nicht.
Wenn in einem Zustand, in dem eine vorbestimmte Menge geschmolzenes Silizium in dem Tiegel enthalten ist, begonnen wird, den Impfkristall zu ziehen und Einkristall-Silizium einer vorbestimmten Länge herzustellen, ist es möglicherweise nicht möglich, Rechenausdrücke (1) bis (3) über den gesamten Prozess von Zugbeginn bis Zugende zu erfüllen.
Genauer gesagt nimmt die Flüssigkeitsstandhöhe h der Siliziumschmelze in dem Tiegel mit fortschreitendem Ziehen des Kristalls ab. Entsprechend besteht die Möglichkeit, dass, auch wenn Rechenausdruck (3) während des Ziehens zu irgendeinem Zeitpunkt erfüllt wird, die Flüssigkeitsstandhöhe h der Siliziumschmelze die in Rechenausdruck (3) definierte Flüssigkeitsstandhöhenuntergrenze unterschreitet und die Strömung mit fortschreitendem Ziehen zu zwei Wirbeln wechselt.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, dass, auch wenn die Flüssigkeitsstandhöhe h der Siliziumschmelze die Obergrenze in Rechenausdruck (3) bei Zugbeginn überschreitet, die Flüssigkeitsstandhöhe h der Siliziumschmelze die Bedingung von Rechenausdruck (3) mit fortschreitendem Ziehen erfüllt.
Auch in diesen Fällen ist ein Teil (oder sind Teile) von Einkristall-Silizium, das unter den Bedingungen, die Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllen, hergestellt wird, ein Teil, der in einem Zustand hergestellt wird, in dem die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt, sodass die Variation der Sauerstoffkonzentration in diesem Teil reduziert ist. Daher kann bei dem Einkristall-Silizium, das mittels eines Zugvorgangs hergestellt wird, der Teil, der unter den Bedingungen hergestellt wird, die Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllen, zur Verwendung herausgeschnitten werden.
Wenn dagegen Einkristall-Silizium aus einer vorbestimmten Menge Siliziumschmelze hergestellt wird, kann die Einkristall-Siliziumherstellung mittels einer Vielzahl separater Zugbetriebe durchgeführt werden, um alle Einkristall-Siliziumteile in einem Zustand zu erhalten, der die Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt.
Genauer gesagt kann, in dem Fall, in dem die Flüssigkeitsstandhöhe h der Siliziumschmelze in dem Tiegel die in Rechenausdruck (3) definierte Obergrenze bei Zugbeginn überschreitet und ab irgendeinem Zeitpunkt in dem Herstellungsprozess die Bedingung des Rechenausdrucks (3) erfüllt, die Bedingung des Rechenausdrucks (3) vom Zugbeginn bis zum Zugende erfüllt werden, indem die Einkristall-Siliziumherstellung beispielsweise mittels zwei separater Zugbetriebe durchgeführt wird und die Menge Siliziumschmelze, die bei Zugbeginn in dem Tiegel enthalten ist, auf V/2 festgelegt wird.
Somit kann, auch wenn die Möglichkeit besteht, dass beim Herstellen von Einkristall-Silizium die Menge Siliziumschmelze, die in dem Tiegel enthalten ist, die in Rechenausdruck (3) definierte Bedingung abhängig von dem Zielradius und der Länge nicht erfüllt, in einem solchen Fall die Einkristall-Siliziumherstellung mittels einer Vielzahl von separaten Zugbetrieben durchgeführt werden. Auf diese Weise kann Einkristall-Silizium in einem Zustand hergestellt werden, in dem die Siliziumschmelze über den gesamten Zugprozess unter Bildung eines Wirbels strömt. Somit kann die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in allen Teilen des hergestellten Einkristall-Siliziums reduziert werden.
Das Vorstehende beschreibt, dass die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in dem erhaltenen Einkristall-Silizium reduziert wird, indem der Impfkristall, der in die Siliziumschmelze getaucht wird, in einem Zustand gezogen wird, in dem die Siliziumschmelze einen Wirbel in dem Tiegel bildet. Als Ergebnis weiterer Untersuchungen entdeckten die vorliegenden Erfinder jedoch, dass die Reduktion der Variation der Sauerstoffkonzentration nicht direkt auf das Phänomen zurückzuführen ist, dass die Siliziumschmelze in dem Tiegel unter Bildung eines Wirbels strömt.
Mit anderen Worten zeigten die weiteren Untersuchungen der vorliegenden Erfinder auf, dass der Strömungszustand der Siliziumschmelze von dem Zugbeginn bis zum Zugende des Einkristall-Siliziums nicht konstant ist, sondern mit der Zeit komplex variiert. Beispielsweise variiert die Anzahl an Wirbeln der Siliziumschmelze derart, dass sie unmittelbar nach dem Zugbeginn des Einkristall-Siliziums eins ist, sich im Verlauf der Zeit auf mehr als eins (z. B. drei) erhöht, und im weiteren Verlauf der Zeit zu eins zurückkehrt.
Eine solche zeitliche Variation des Strömungszustands der Siliziumschmelze kann gleichermaßen auch in dem Fall auftreten, in dem Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt sind. Wir fanden somit heraus, dass, während die Siliziumschmelze in einem vorbestimmten Zeitraum (z. B. 600 s) durchschnittlich unter Bildung eines Wirbels strömt, die Siliziumschmelze auch unter Bildung einer Vielzahl von Wirbeln strömen kann. Wir fanden jedoch auch heraus, dass, sogar in dem Fall, in dem es einen Zeitraum gibt, während dessen die Siliziumschmelze unter Bildung einer Vielzahl von Wirbeln strömt, die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Zugrichtung in dem erhaltenen Einkristall-Silizium reduziert ist.
Wir überprüften entsprechend die Anforderungen, um die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Zugrichtung in dem Einkristall-Silizium zu reduzieren, und entdeckten infolgedessen, dass das Ziehen des Impfkristalls, der in die Siliziumschmelze getaucht wird, in einem Zustand durchgeführt werden muss, in dem die Siliziumschmelze in einer Ebene, die die Zugachse des Impfkristalls umfasst und die parallel zu der Anlegerichtung des Magnetfelds ist, von einer Seite zu der anderen Seite strömt, zumindest unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche.
Genauer gesagt umfasst der Strom der Siliziumschmelze direkt unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche (einem Tiefenbereich von 15 mm in der Tiefenrichtung der Schmelze von der Grenzfläche aus) den Strom der Siliziumschmelze, der von der Kraft, von der Drehung des Einkristall-Siliziums mitgezogen zu werden, und der Lorentzkraft, die aus elektrischem Strom stammt, der zwischen dem Einkristall-Silizium und der Siliziumschmelze durch die Fest-Flüssig-Grenzfläche fließt, zu der Fest-Flüssig-Grenzfläche angehoben wird. Diese Strömung der Siliziumschmelze, die Sauerstoff zu dem Bereich direkt unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche transportiert, bestimmt die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall-Silizium.
Es ist daher wünschenswert, die Siliziumschmelze dazu zu veranlassen, in horizontaler Richtung von einer Seite zu der anderen Seite zu strömen, zumindest an einer Tiefenposition von 20 mm von der Fest-Flüssig-Grenzflächenposition aus in der Tiefenrichtung der Schmelze. In dieser Weise wird die Siliziumschmelze bei einer im Wesentlichen gleichen Sauerstoffkonzentration durchgängig beständig zu dem Bereich direkt unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche zugeführt, sodass die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in dem erhaltenen Einkristall-Silizium reduziert werden kann.
(Einkristall-Silizium)
Einkristall-Silizium gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Einkristall-Silizium, wobei ein Durchmesser des Einkristall-Siliziums 300 mm oder mehr beträgt, und die Variation der Sauerstoffkonzentration in jedem 50-mm-Bereich in einer einzelnen Kristallzugachsenrichtung innerhalb ±5 % in Bezug auf einen Mittelwert der Sauerstoffkonzentration in dem Bereich liegt. In dem Einkristall-Silizium gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung reduziert im Vergleich zu Einkristall-Silizium, das unter den Bedingungen hergestellt wurde, unter denen die Siliziumschmelze unter Bildung von zwei Wirbeln strömt.
BEISPIELE
Nachfolgend wird unter Verwendung von Beispielen eine ausführlichere Beschreibung gegeben, obgleich die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Die Temperatur- und Strömungsverteilung der Siliziumschmelze wurden unter Verwendung eines dreidimensionalen Strömungsanalysemodells analysiert. Das dreidimensionale Strömungsanalysemodell ist ein Simulationsmodell, das basierend auf Computational Fluid Dynamics erstellt wurde. In einem Berechnungsbereich, der eine tatsächliche Ofenstruktur simuliert, wurden physikalische Eigenschaften bereitgestellt, die Stoffen entsprachen, und eine Temperaturverteilung, eine Strömungsverteilung, eine Verteilung des elektrischen Stroms und eine Lorentzkraftverteilung wurden mittels numerischer Berechnung gelöst. Da üblicherweise bekannt ist, dass eine Siliziumschmelze in einem horizontalen Magnetfeld eine nicht-axialsymmetrische Strömungsverteilung hat, muss die Berechnung dreidimensional sein.
Als Berechnungsbedingungen wurde der Radius des gezogenen Kristalls auf 150 mm (300 mm im Durchmesser), der Radius des Tiegels auf 400 mm (800 mm im Durchmesser) und die Flüssigkeitsstandhöhe der Siliziumschmelze in dem Tiegel auf 230 mm festgelegt. Ein horizontales Magnetfeld von 0,3 T wurde in einer zu der Kristallzugrichtung senkrechten Richtung angelegt und Berechnungen wurden in zwei Fällen der Drehzahl des gezogenen Kristalls, 0,0 U/min und 9,0 U/min, durchgeführt. Der Tiegel wurde mit einer Drehzahl von 0,5 U/min gedreht, in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehrichtung des gezogenen Kristalls. Die Analyse wurde mit den anderen Prozessbedingungen auf übliche Zugbedingungen festgelegt durchgeführt.
3A und 3B zeigen jeweils die Strömungsverteilung in einer Ebene senkrecht zu dem Magnetfeld. Die Strömungsverteilung wird von Stromlinien dargestellt, die auf die Darstellungsebene beschränkt sind. In dem Fall, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls 0,0 U/min beträgt, existieren zwei Wirbel symmetrisch in Bezug auf eine Ebene, die die Mitte des Tiegels umfasst, wie in 3A gezeigt. Überdies strömt die Siliziumschmelze von den beiden Wirbeln aus in den Bereich direkt unterhalb des gezogenen Kristalls, und trifft aufeinander und mischt sich. Dies führt dazu, dass die Strömung der Siliziumschmelze nahe der Fest-Flüssig-Grenzfläche unbeständig wird, und führt zu Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung.
In dem Fall dagegen, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls 9,0 U/min beträgt, strömt die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels in ihrer Gesamtheit, wie in 3B gezeigt. Überdies wird die Strömung der Siliziumschmelze direkt unterhalb des gezogenen Kristalls in eine Richtung gleichgerichtet. Eine solche beständige Strömung der Siliziumschmelze nahe der Fest-Flüssig-Grenzfläche führt zu der Reduktion der Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung.
4 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen der Magnetfeldstärke und der Drehzahl des Einkristall-Siliziums und der Anzahl Wirbel der Siliziumschmelze in dem Tiegel zeigt. Die gestrichelte Linie in der Zeichnung ist ein Ergebnis des Auftragens der Punkte, die AB² = 0,275 erfüllen. Wie aus der Zeichnung klar hervorgeht, strömt die Siliziumschmelze in einem Bereich, in dem AB² ≥ 0,275, unter Bildung eines Wirbels.
Als nächstes wurde ein Versuch durchgeführt, um zu bestätigen, dass das geschmolzene Silizium in dem Tiegel tatsächlich einen Wirbel bildet, wenn die in Rechenausdrücken (1) bis (3) definierten Bedingungen erfüllt sind. Zunächst wurde die Temperatur der Siliziumschmelze während des Ziehens unter Verwendung eines Thermoelements direkt gemessen. Die Einkristall-Siliziumherstellungsbedingungen, die hier verwendet wurden, sind dieselben wie diejenigen in dem Fall, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls bei der zuvor erwähnten dreidimensionalen Strömungsanalyse mit den in 3A und 3B gezeigten Ergebnissen 9,0 U/min betrug.
Die Temperatur der Siliziumschmelze wurde an insgesamt vier Punkten gemessen, und zwar 20 mm unterhalb der Schmelzenoberfläche, und 230 mm und 260 mm entfernt von der Kristallzugachsenmitte in einer Richtung senkrecht zu der Magnetfeldanlegerichtung. 5 zeigt die erhaltenen Ergebnisse, zusammen mit den Ergebnissen der Simulation, die unter denselben Bedingungen durchgeführt wurde. Sowohl für den Messwert als auch den berechneten Wert wurde ein Zeitmittelwert in 600 s als Schmelzentemperatur verwendet.
Wie in 5 gezeigt, weisen sowohl der Messwert als auch der berechnete Wert eine asymmetrische Verteilung auf, in der die Temperatur auf einer von der Tiegelmitte entfernten Seite niedrig und auf der anderen von der Tiegelmitte entfernten Seite hoch ist, und stimmen somit im Verhalten eng miteinander überein. In dem Fall, in dem die Siliziumschmelze wie in 3A gezeigt unter Bildung von zwei Wirbeln strömt, ist eine solche asymmetrische Verteilung wie in 5 gezeigt nicht zu erkennen. Dies deutet darauf hin, dass die Siliziumschmelze, bei der Einkristall-Siliziumherstellung unter den zuvor erwähnten Bedingungen, zumindest nicht unter Bildung von zwei Wirbeln fließt, wovon herkömmlicherweise ausgegangen wurde.
Als nächstes wurde die Strömungsgeschwindigkeit der Siliziumschmelzenoberfläche während der Einkristall-Siliziumherstellung gemessen. Genauer gesagt wurden beim Ziehen des Kristalls unter denselben Bedingungen wie der zuvor erwähnten Messung der Temperatur der Siliziumschmelze unter Verwendung eines Thermoelements, 2 mm bis 5 mm große Siliziumchips des Siliziumkristalls zu der Siliziumschmelzenoberfläche fallen gelassen, und die Flugbahnen der Siliziumchips wurden von einer CCD-Kamera aufgezeichnet und analysiert. Die Zielpositionen, an denen die Siliziumchips fallen gelassen werden sollten, waren vier Stellen, und zwar 260 mm von der Zugachsenmitte entfernt in jeweils einer Richtung senkrecht zu dem Magnetfeld und einer Richtung parallel zu dem Magnetfeld. Ein Siliziumchip wurde an jeder der Zielpositionen fallen gelassen. Aufgrund eines Problems der Versuchsgenauigkeit gab es allerdings einige kleinere Abweichungen zwischen den Zielpositionen und den Positionen, an denen die Siliziumchips tatsächlich in die Schmelze fallen gelassen wurden.
6 zeigt schematisch die erhaltenen Flugbahnen der Siliziumchips. Wie in der Zeichnung gezeigt, bewegen sich die vier fallen gelassenen Siliziumchips in der Zeichnung nach links. Die Flugbahnen der Siliziumchips spiegeln den Strömungszustand der Siliziumschmelze wider. Die Flugbahnen der Siliziumchips können somit als die Strömungsrichtung der Siliziumschmelze anzeigend angesehen werden. Aus den in Figur gezeigten Flugbahnen der Siliziumchips wird ersichtlich, dass die Siliziumschmelze an der Oberfläche in der Zeichnung nach links strömt, und dass die Siliziumschmelze unter Bildung eines Wirbels strömt.
7A zeigt die Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in dem Einkristall-Silizium in dem Fall, in dem die Drehzahl des Kristalls 3,0 U/min betrug. 7B zeigt die Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in dem Einkristall-Silizium in dem Fall, in dem die Drehzahl des Kristalls 9,0 U/min betrug. In dem Fall, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls 9,0 U/min betrug, waren die Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt (Beispiele). In dem Fall dagegen, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls 3,0 U/min betrug, waren die Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3) nicht erfüllt (Vergleichsbeispiele). Die Sauerstoffkonzentration in diesen Zeichnungen ist die normalisierte Sauerstoffkonzentration, die erhalten wurde, indem die gemessene Sauerstoffkonzentration mittels der durchschnittlichen Sauerstoffkonzentration in 50 mm in der Kristallzugrichtung normalisiert wurde.
In dem Fall, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls 3,0 U/min betrug (d. h. Vergleichsbeispiele), variierte die normalisierte Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung stark, wie in 7A gezeigt. In dem Fall, in dem die Drehzahl des gezogenen Kristalls 9,0 U/min betrug (d. h. Beispiele), war der Variationsbereich der normalisierten Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung im Vergleich zu der in 7A signifikant reduziert, wie in 7B gezeigt.
Die Ursache dafür, dass die Sauerstoffkonzentration in 7A stark variierte, scheint zu sein, dass die Siliziumschmelze unter Bildung von zwei Wirbeln strömte, und so die Strömung unbeständig war. Die Ursache dafür, dass die Variation der Sauerstoffkonzentration in 7B signifikant reduziert wurde, scheint zu sein, dass als Ergebnis des Erhöhens der Drehzahl des gezogenen Kristalls die Lorentzkraft direkt unterhalb des Kristalls zunahm, und infolgedessen die Symmetrie der beiden Wirbel verlorenging und ein Wirbel gebildet wurde.
Auch in 7B ist die Variation der Sauerstoffkonzentration nicht vollständig eliminiert. Die Ursache hierfür scheint Folgendes zu sein: In dem Fall, in dem sich die Erhitzerposition in der Mitte befindet, weist eine Umgebung, die für die Schmelze bereitgestellt wird, in Bezug auf die Zugachse zweifache Symmetrie auf, wenn der Einfluss des horizontalen Magnetfelds berücksichtigt wird. Nichtsdestotrotz strömt die Siliziumschmelze beständig in einem Zustand, in dem die zweifache Symmetrie verlorengeht. Da die Umgebung zweifache Symmetrie aufweist, versucht jedoch die Strömung der Siliziumschmelze eine Strömung zweifacher Symmetrie anzunähern, d. h. eine Strömung in einem Zustand, in dem zwei Wirbel gebildet werden. Dies veranlasst ein Schwingen zwischen der Strömung in einem Zustand, in dem zwei Wirbel zweifacher Symmetrie gebildet werden und der Strömung in einem Zustand, in dem bei verlorengehender zweifacher Symmetrie ein Wirbel gebildet wird, und resultiert in Variation der Sauerstoffkonzentration.

Die Einkristall-Siliziumherstellung wurde in zehn Stufen (Bedingungen) durchgeführt, die in Tabelle 1 aufgelistet sind, und es wurde bestimmt, ob die Siliziumschmelze während der Einkristall-Siliziumherstellung unter Bildung eines Wirbels strömte, oder nicht. Diese Bestimmung wurde vorgenommen, indem 2 mm bis 5 mm große Siliziumchips in die Siliziumschmelze fallen gelassen wurden und die Flugbahnen der Siliziumchips mittels einer CCD-Kamera aufgezeichnet wurden, wie in 6.
Table I

Level	Radius of crystal [mm]	Rotational speed of crystal [rpm]	Magnetic field strength [T]	Liquid level height of melt [mm]	Radius of crucfcle [mm]	Evaluation	Remarks
1	150	9.0	0.3	230	400	Good	Example
2	150	3.0	0.3	230	400	Poor	Comparative Example
3	150	9.0	0.3	300	400	Good	Example
4	150	9.0	0.3	400	400	Poor	Comparative Example
5	150	9.0	0.3	150	400	Good	Example
6	150	9.0	0.3	230	500	Poor	Comparative Example
7	150	9.0	0.3	230	300	Good	Example
8	150	9.0	0.2	230	400	Poor	Comparative Example
9	150	9.0	0.4	230	400	Good	Example
10	150	9.0	0.3	230	400	Poor	Comparative Example

Von den zehn in Tabelle 1 aufgelisteten Stufen erfüllen Stufen 1, 3, 5, 7 und 9 die Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3). Indes erfüllt Stufe 2 nicht die Bedingung des Rechenausdrucks (1), Stufe 4 erfüllt nicht die Bedingung des Rechenausdrucks (3) und Stufen 6 und 10 erfüllen nicht die Bedingung des Rechenausdrucks (2). Wie in Tabelle 1 gezeigt, strömte die Siliziumschmelze für Stufen 1, 3, 5, 7 und 9, die die Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllen, unter Bildung eines Wirbels. Für Stufen 2, 4, 6 und 10, die eine der Bedingungen der Rechenausdrücke (1) bis (3) nicht erfüllen, strömte die Siliziumschmelze nicht unter Bildung eines Wirbels. Obwohl Stufe 8 Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt, trat während des Ziehens eine Verschiebung auf, wodurch kein Einkristall-Silizium erhalten wurde.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die offenbarte Technik kann die Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kristallzugrichtung in hergestelltem Einkristall-Silizium reduzieren und ist daher nützlich in der Halbleiterindustrie.
Bezugszeichenliste

10: Einkristall-Siliziumherstellungseinrichtung
11: Kammer
12: Tiegel
13: Siliziumschmelze
14: Erhitzer
15: Tiegeldrehmechanismus
16: Einkristall-Silizium
17: Impfkristall
18: Impfkristallhalter
19: Drahtseil
20: Wickelmechanismus
21: Magnetfeldanlegeeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 58050953 B2 [0003, 0008]
JP 2000264784 A [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Einkristall-Siliziums, mittels dessen das Einkristall-Silizium hergestellt wird, indem ein Impfkristall in eine Siliziumschmelze getaucht wird, die in einem Tiegel enthalten ist und der Impfkristall unter Drehen des Tiegels und des Impfkristalls hochgezogen wird, um Einkristall-Silizium auf dem Impfkristall wachsen zu lassen, wobei das Hochziehen des Impfkristalls in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Siliziumschmelze in einer Ebene, die eine Zugachse des Impfkristalls umfasst und die parallel zu einer Anlegerichtung des Magnetfelds ist, von einer Seite zu einer anderen Seite strömt, zumindest unterhalb einer Fest-Flüssig-Grenzfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bedingungen der folgenden Rechenausdrücke (1) bis (3) erfüllt sind: ${AB}^{2} \geq 0,275$
$2 R_{1} \leq R_{2} \leq 3 R_{1}$
$R_{1} \leq h \leq {2R}_{1}$
wobei B eine Stärke des Magnetfelds in T, A eine Drehzahl des Einkristall-Siliziums in U/min, R₁ ein Radius des Einkristall-Siliziums in mm, R₂ ein Radius des Tiegels in mm, und h eine Flüssigkeitsstandhöhe der Siliziumschmelze in dem Tiegel in mm ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Herstellen des Einkristall-Siliziums unter Verwendung einer vorbestimmten Menge der Siliziumschmelze, die in dem Tiegel enthalten ist, mittels einer Vielzahl separater Betriebe des Hochziehens des Impfkristalls durchgeführt wird.
Einkristall-Silizium, wobei ein Durchmesser des Einkristall-Siliziums 300 mm oder mehr beträgt, und die Variation der Sauerstoffkonzentration in jedem 50-mm-Bereich in einer einzelnen Kristallzugachsenrichtung innerhalb ±5 % in Bezug auf einen Mittelwert der Sauerstoffkonzentration in dem Bereich liegt.