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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls mit einem Czochralski-Verfahren (nachstehend als „CZ-Verfahren“ bezeichnet) und insbesondere ein Verfahren zum Wachsen eines Schwanzabschnitts eines Silizium-Einkristallbarrens.
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STAND DER TECHNIK
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Epitaxiale Siliciumwafer werden verbreitet als Substratmaterialien für Halbleiterbauelemente verwendet. Ein epitaxialer Siliciumwafer wird erhalten, indem eine Epitaxieschicht auf der Oberfläche eines Volumen (Bulk)-Siliciumwafers ausgebildet wird. Aufgrund der Intaktheit einer Kristallstruktur des epitaxialen Siliciumwafers kann ein Halbleiterbauelement mit überlegener Qualität und hoher Verlässlichkeit hergestellt werden.
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Die meisten Silicium-Einkristalle als Substratmaterialien für die epitaxialen Siliciumwafer werden mit dem CZ-Verfahren hergestellt. Bei dem CZ-Verfahren wird ein Ausgangsmaterial, wie polykristallines Silicium, in einen Quarztiegel gegeben und in einer Kammer erhitzt und so geschmolzen. Dann wird ein Keimkristall, der an das untere Ende einer Hochziehwelle befestigt ist, von oberhalb des Quarztiegels abgesenkt, so dass er in die Siliciumschmelze eintaucht. Dann wird der Keimkristall allmählich angehoben, während man den Keimkristall und den Quarztiegel rotieren lässt, wodurch ein Einkristall mit großem Durchmesser am unteren Ende des Keimkristalls wächst.
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Das Patentdokument 1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zu Herstellung eines epitaktischen Siliciumwafers, bei dem man einen Silicium-Einkristallbarren bei einer Kühlrate von 1,0°C/min oder mehr in einem Temperaturbereich von 1.030°C bis 920°C wachsen lässt und anschließend bei einer Kühlrate von 0,5°C/min oder weniger in einem Temperaturbereich von 920°C bis 720°C auf dem Weg des Ziehens wachsen lässt, und dann eine Epitaxieschicht auf einer Oberfläche eines aus dem Silicium-Einkristallbarren geschnittenen Wafers ausgebildet wird. Indem man den Silicium-Einkristallbarren schnell durch einen Temperaturbereich (1.030°C bis 920°C) gelangen lässt, in dem ein OSF (Sauerstoff-induzierter Stapelfehler)-Kern leicht wächst, um die Größe des OSF-Kerns zu minimieren, ist es möglich, das Auftreten von Epitaxiedefekten (nachstehend als „Epi-Defekte“ bezeichnet), die durch den OSF hervorgerufen werden, zu unterdrücken.
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In dem Verfahren zum Hochziehen des Einkristalls werden ein Schritt der Halsbildung, bei dem der Kristalldurchmesser unter Verwendung des Dash-Hals-Verfahrens verengt wird, um den Einkristall versetzungsfrei zu machen, ein Schritt des Wachsens eines Schulterabschnitts, in dem der Kristalldurchmesser allmählich vergrößert wird, ein Schritt des Wachsens eines Körperabschnitts, in dem das Kristallwachstum fortgesetzt wird, während der Kristalldurchmesser konstant gehalten wird, und ein Schritt des Wachsens eines Schwanzabschnitts, bei dem ein konischer Schwanzabschnitt ausgebildet wird, indem der Kristalldurchmesser allmählich verringert wird, der Reihe nach durchgeführt. Der Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts ist ein Schritt, der erforderlich ist, um den Einkristall von der Schmelze zu trennen, während das Auftreten von Auffälligkeiten der Qualität, wie beispielsweise Gleitversetzung oder Auffälligkeiten der Sauerstoffpräzipitation, die durch Einwirken eines schnellen Hitzeschocks verursacht werden, der infolge des Verlusts von Wärmeausgleich zwischen einer Schmelze, die an der Grenzfläche des Kristallwachstums vorliegt, und dem Einkristall, herbeigeführt wird.
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Was den Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts betrifft, beschreibt Patentdokument 2, dass die Hochziehgeschwindigkeit eines Abschnitts am spitzen Ende (Schwanzabschnitt) eines Barrens bei einem vergleichsweise konstanten Wert gehalten wird, der der Hochziehgeschwindigkeit der zweiten Hälfte des Hauptkörpers (Körperabschnitt) des Barrens vergleichbar ist, und gegebenenfalls die elektrische Leistung (Hitze), die einer Heizung zugeführt werden muss, erhöht wird, oder die Geschwindigkeit der Rotation des Kristalls und/oder die Geschwindigkeit der Rotation des Tiegels verringert wird, um so einen Silicium-Einkristallbarren mit einer gleichförmigen thermischen Vorgeschichte herzustellen.
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[Zitatliste]
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[Patentdokumente]
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- [Patentdokument 1]: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-030856
- [Patentdokument 2]: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. H10-095698
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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[Von der Erfindung zu lösende Aufgabe]
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In Patentdokument 1 wird eine Vorrichtung zum Hochziehen eines Einkristalls, die mit einem Wasserkühlkörper versehen ist, verwendet, um die Hochziehgeschwindigkeit während des Wachstums des Einkristalls und den Temperaturgradienten in Richtung einer Hochziehwelle des Einkristalls unmittelbar nach der Kristallisation zu kontrollieren. Es ist jedoch ein Teil, der als das Substratmaterial für den epitaxialen Siliciumwafer verwendet wird, ein Körperabschnitt (gerader Körperabschnitt), in dem der Kristalldurchmesser konstant gehalten wird, und der Schwanzabschnitt wird nicht als Waferprodukt verwendet. Obwohl Patentdokument 1 Kühlbedingungen für den Körperabschnitt beschreibt, beschreibt es somit nicht konkrete Hochziehbedingungen für den Schwanzabschnitt, wie die Hochziehgeschwindigkeit, Heizleistung oder Rotationsgeschwindigkeit des Einkristalls.
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Allgemein wird in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts die Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls erhöht, um den Kristalldurchmesser allmählich zu verringern. Denn die Erhöhung der Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls erleichtert die Verjüngung des Schwanzes und die Verkürzung der Wachstumsperiode des Schwanzabschnitts führt zur Reduktion der Herstellungskoksten. Ferner dient der Schwanzabschnitt, wie oben beschrieben, nicht als Waferprodukt, so dass kein Problem hervorgerufen wird, selbst wenn sich die Kristallqualität des Schwanzabschnitts selbst infolge der Erhöhung der Hochziehgeschwindigkeit vermindert. Aus diesen Gründen wird in einem herkömmlichen allgemeinen Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts die Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls erhöht und so setzt das Patentdokument 1 Bedingungen ein, die für die Verjüngung des Schwanzes geeignet sind.
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Die Erhöhung der Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts kann jedoch Kristallverdrehung (crystal twisting) oder Versetzung (Dislokation) des Einkristalls in Folge der plötzlichen Trennung des Einkristalls von der Siliciumschmelze hervorrufen.
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Patentdokument 2 beschreibt, dass die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts bei einem vergleichsweise konstanten Wert gehalten wird, der vergleichbar ist mit demjenigen der Hochziehgeschwindigkeit der letzten Hälfte des Körperabschnitts. Die Kontrolle des Haltens der Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts hat anscheinend eine vergleichsweise konstante Kühlgeschwindigkeit und Verweilzeit über den gesamten Körperabschnitt des Einkristalls.
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Wenn die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts gleich zu derjenigen des Körperabschnitts eingestellt wird, wird jedoch die Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls niedriger als die in dem herkömmlichen Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts. Die Folge ist, dass die Verweilzeit des aus der Siliciumschmelze hochgezogenen Silicium-Einkristalls in dem Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, tatsächlich lang wird, was die Epi-Defekte zunehmen lassen kann.
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Ferner vergrößert in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts die allmähliche Verringerung des Kristalldurchmessers einen Abstand D zwischen einem Hitzeschildkörper (17) und einem Silicium-Einkristall (3), wie in 8 illustriert ist, so dass sich Hitze aus einer Siliciumschmelze (2) und dergleichen nach oben ausbreitet, wie mit einem weißen Pfeil angegeben ist, und verursacht so eine Temperaturerhöhung um den Silicium-Einkristall (3) herum unmittelbar nach der Kristallisation. Wenn ein Schwanzabschnitt (3d) des Silicium-Einkristalls (3) langsam mit einer Hochziehgeschwindigkeit gleich der Hochziehgeschwindigkeit eines Körperabschnitts (3c) unter solchen Umständen gezogen wird, wird der Einfluss der Temperaturerhöhung um den Silicium-Einkristall (3) herum größer. D.h., die Verweilzeit des aus der Siliciumschmelze (2) hochgezogenen Silicium-Einkristalls (3) in dem Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, wird länger, was die Epi-Defekte zunehmen lässt.
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Ferner wird anders als in einem Fall, in dem der Körperabschnitt (3c) hochgezogen wird, der Schwanzabschnitt (3d) hochgezogen, während dessen Kristalldurchmesser verringert wird, und somit ändert sich der Hochziehzustand des Schwanzabschnitts von Moment zu Moment, so dass Versetzung (Dislokation) leicht auftreten kann. Darüber hinaus ist in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts die Menge der Schmelze in dem Tiegel gering, und die Schmelze wird an dem Boden des Tiegels zurückgehalten, so dass sich auch der Zustand der Schmelze in dem Tiegel von Moment zu Moment mit dem Fortschritt des Hochziehens des Schwanzabschnitts (3d) ändert und so leicht Dislokation hervorruft. Somit wird, wenn der Schwanzabschnitt (3d) mit einer Geschwindigkeit hochgezogen wird, die der Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c) gleich ist, eine Zeit, die bis zum vollständigen Hochziehen des Schwanzabschnitts (3d) erforderlich ist, sehr lange, was das Risiko des Auftretens von Dislokation im Schwanzabschnitt (3d) erhöht.
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Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls bereitzustellen, das die Verringerung der Einkristallbildungsrate infolge von Kristallverdrehung oder Trennung von der Schmelze vermeiden und das Auftreten von Epi-Defekten in dem Fall unterdrücken kann, dass der Silicium-Einkristall als ein Substratmaterial für epitaxiale Siliciumwafer verwendet wird.
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[Mittel zur Lösung der Aufgabe]
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Um die obigen Aufgaben zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls mit dem CZ-Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem ein Silicium-Einkristall aus einer Siliciumschmelze in einem Quarztiegel gezogen wird, wobei das Verfahren einen Schritt des Wachsens eines Körperabschnitts, in dem man einen Körperabschnitt, dessen Kristalldurchmesser konstant gehalten wird, wachsen lässt, und einen Schritt des Wachsens eines Schwanzabschnitts, in dem man einen Schwanzabschnitt, dessen Kristalldurchmesser sich allmählich verringert, wachsen lässt, einschließt, wobei der aus der Siliciumschmelze hochgezogene Silicium-Einkristall unter Verwendung eines Wasserkühlkörpers gekühlt wird, der oberhalb des unteren Endes eines oberhalb des Quarztiegels positionierten Hitzeschildkörpers und innerhalb des Hitzeschildkörpers angeordnet ist, und in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts der Silicium-Einkristall mit einer Geschwindigkeit hochgezogen wird, die gleich ist der Hochziehgeschwindigkeit am Ende des Wachstums des Körperabschnitts, vom Beginn des Wachstums des Schwanzabschnitts bis zu dessen Ende hindurch.
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In dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts wird der Kristalldurchmesser allmählich verringert, so dass sich der Seitenabstand zwischen dem Hitzeschildkörper und dem Einkristall allmählich vergrößert, was hervorruft, dass sich Hitze, die von dem Hitzeschildkörper abgeschirmt wird, nach oben ausbreitet, was es schwierig macht, den Silicium-Einkristall zu kühlen. Ferner wird in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts, wenn das Anheben des Quarztiegels angehalten wird, um den Kontakt zwischen dem Hitzeschildkörper und dem Tiegel zu vermeiden, der Abstand zwischen dem Hitzeschildkörper und der Oberfläche der Schmelze infolge der Absenkung der Oberfläche der Schmelze allmählich größer, was es leichter macht, Strahlungswärme von dem Quarztiegel nach oben auszubreiten. Im Ergebnis wird die Kristallqualität des Teils des Körperabschnitts in der Nähe des Schwanzabschnitts infolge von Hitze unterschiedlich zu der Kristallqualität der Oberseite des Köperabschnitts. D.h., die Verweilzeit des Silicium-Einkristalls in einem Temperaturbereich von 1.020°C bis 980°C wird lang, d.h., der Silicium-Einkristall wird getempert und so wird daraus ein Kristall, der große OSF-Kerne enthält und zur Erzeugung von Epi-Defekten neigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch der Wasserkühlkörper so angeordnet, dass er den Hochziehpfad an dem oberen Teil des Hitzeschildkörpers umgibt, so dass es möglich ist, die Verweilzeit des Silicium-Einkristall unmittelbar nach der Kristallisation in dem Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, zu verringern, ohne die Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls zu erhöhen. Dies ermöglicht die Herstellung eines Silicium-Einkristalls, der die Verschlechterung der Einkristallbildungsrate infolge von Kristallverdrehung oder Trennung des Kristalls von der Schmelze vermeiden und das Auftreten von Epi-Defekten bei der Bildung einer Epitaxieschicht unterdrücken kann.
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Der Silicium-Einkristall tritt in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts vorzugsweise durch den Temperaturbereich von 1.020°C bis 980°C des Körperabschnitts innerhalb von 15 Minuten hindurch. Indem man den aus der Siliciumschmelze hochgezogenen Silicium-Einkristall auf diese Weise schnell durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, hindurchtreten lässt, kann die Größe von OSF-Kernen in dem Silicium-Einkristall verringert werden. Dies kann das Auftreten von Epi-Defekten infolge der OSF unterdrücken, wenn eine Epitaxieschicht auf der Oberfläche eines aus einem Einkristallbarren geschnittenen Siliciumwafers ausgebildet wird.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls ist es bevorzugt, dass die Leistung einer Heizung, die die Siliciumschmelze erhitzt, von dem Beginn des Wachstums des Schwanzabschnitts bis zu dessen Ende allmählich erhöht wird und die Leistung der Heizung am Ende des Wachstums des Schwanzabschnitts auf das 1,1- bis 1,5-fache der Leistung der Heizung zu Beginn des Wachstums des Schwanzabschnitts eingestellt wird. Dies erlaubt es, die Verjüngung des Schwanzes zu erzielen, während Kristallverdrehung oder Trennung des Einkristalls von der Siliciumschmelze vermieden wird.
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Der Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts hebt den Quarztiegel vorzugsweise so an, dass der Abstand zwischen dem Hitzeschildkörper und der Siliciumschmelze konstant gehalten wird. Wenn auf diese Weise der Quarztiegel bis zum Ende des Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts angehoben wird und so die Höhenposition der Oberfläche der Schmelze konstant gehalten wird, kann der Einfluss von Strahlungswärme aus dem Quarztiegel unterdrückt werden und dadurch eine Verbreiterung des Temperaturbereichs, in dem sich OSF-Kerne bilden, vermieden werden.
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In dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts ist es bevorzugt, die Rotationsgeschwindigkeit des Quarztiegels oder des Silicium-Einkristalls konstant zu halten, und es ist ebenso bevorzugt, ein Magnetfeld auf die Siliciumschmelze einwirken zu lassen. In dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts ist die Menge der Schmelze in dem Quarztiegel gering und die Schmelze befindet sich am Boden des Tiegels, so dass die Schmelze für eine Schwankung der Rotationsgeschwindigkeit des Quarztiegels anfällig ist und der Zustand der Schmelze instabil wird. Indem die Rotationsgeschwindigkeit konstant gehalten wird, ist es somit möglich, den Zustand der Schmelze zu stabilisieren und dadurch das Risiko zu verringern, dass Dislokation des Silicium-Einkristalls auftritt. Ähnlich ist es möglich, indem die Rotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls konstant gehalten wird oder man ein Magnetfeld auf die Siliciumschmelze einwirken lässt, den Zustand der Schmelze in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts zu stabilisieren und dadurch das Risiko zu verringern, dass Dislokation des Silicium-Einkristalls auftritt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Quarztiegels und diejenige des Silicium-Einkristalls müssen lediglich im Wesentlichen konstant sein, und eine Schwankung innerhalb von ± 2 U/min ist erlaubt.
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[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls bereitzustellen, das die Verschlechterung der Einkristallbildungsrate infolge von Kristallverdrehung oder Trennung von der Schmelze vermeiden und das Auftreten von Epi-Defekten in dem Fall unterdrücken kann, dass der Silicium-Einkristall als ein Substratmaterial für epitaxiale Siliciumwafer verwendet wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Form eines Silicium-Einkristallbarrens veranschaulicht;
- 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Hochziehzustand des Einkristalls während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts zeigt; und
- 5 ist eine Ansicht eines Ablaufs, die eine Variation der Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls und eine Variation der Leistung der Heizung illustriert; und
- 6 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß einer zweiten Aufschmelztemperatur der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 7 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Hochziehposition des Einkristalls und einer Zeit zeigt, die der Einkristall benötigt, um durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden (1.020°C bis 980°C) hindurchzutreten; und
- 8 ist eine Schemazeichnung, die herkömmliche Probleme in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts illustriert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wie in 1 illustriert, schließt eine Vorrichtung (1A) zur Herstellung eines Einkristalls eine Kammer (10), einen Quarztiegel (11), der eine Siliciumschmelze (2) in der Kammer (10) hält, einen Graphitsuszeptor (12), der den Quarztiegel (11) hält, eine Rotationswelle (13), die den Suszeptor (12) trägt, einen Wellenantriebsmechanismus (14), der die Rotationswelle (13) dreht und anhebt, eine um den Suszeptor (12) herum angeordnete Heizung (15), ein wärmeisolationsmaterial (16), das entlang der inneren Oberfläche der Kammer (10) außerhalb der Heizung (15) angeordnet ist, einen oberhalb des Quarztiegels (11) angeordneten Hitzeschildkörper (17), einen innerhalb des Hitzeschildkörpers (17) und oberhalb des unteren Endes des Hitzeschildkörpers (17) angeordneten Wasserkühlkörper (18), einen oberhalb des Quarztiegels (11) so angeordneten Einkristall-Hochziehdraht (19), dass er koaxial mit der Rotationswelle (13) ist, und einen im oberen Teil der Kammer (10) angeordneten Drahtaufwickelmechanismus (20) ein.
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Die Vorrichtung (1A) zur Herstellung des Einkristalls schließt ferner einen Magnetfeldgenerator (21), der außerhalb der Kammer (10) angeordnet ist, eine CCD-Kamera (22) zum Fotografieren des Inneren der Kammer (10), eine Bildverarbeitungseinheit (23) zum Verarbeiten eines von der CCD-Kamera (22) aufgenommenen Bildes, und eine Steuereinheit (24) zum Steuern des Wellenantriebsmechanismus (14) ein, wobei die Heizung (15) und der Drahtaufwickelmechanismus (20) auf einer Ausgabe aus der Bildverarbeitungseinheit (23) basieren.
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Die Kammer (10) wird aus einer Hauptkammer (10a) und einer länglichen zylindrischen Ziehkammer (10b), die mit der oberen Öffnung der Hauptkammer (10a) verbunden ist, gebildet, und der Quarztiegel (11), Suszeptor (12), Heizung (15) und Hitzeschildkörper (17) sind innerhalb der Hauptkammer (10a) vorgesehen. Ein Gaseinlass (10c) zur Zuführung von Inertgas (Spülgas), wie Argongas, in die Kammer (10) ist in der Ziehkammer (10b) ausgebildet, und ein Gasauslass (10d) zum Ablassen des Inertgases ist am Boden der Hauptkammer (10a) ausgebildet. Ferner ist ein Beobachtungsfenster (10e) am oberen Teil der Hauptkammer (10a) ausgebildet, und der Zustand des Wachstums (Fest-Flüssig-Grenzfläche) eines Silicium-Einkristalls (3) kann durch das Beobachtungsfenster (10e) beobachtet werden.
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Der Quarztiegel (11) ist ein aus Quarzglas hergestelltes Gefäß mit einer zylindrischen Seitenwand und einem gebogenen Boden. Der Suszeptor (12) steht in engem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Quarztiegels (11) und hält den äußeren Umfang des Quarztiegels (11), um die Form des Quarztiegels (11), der thermisch erweicht, zu halten. Der Quarztiegel (11) und der Suszeptor (12) bilden einen Tiegel mit Doppelstruktur, der die Siliciumschmelze in der Kammer (10) trägt.
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Der Suszeptor (12) ist an dem Teil am oberen Ende der sich vertikal erstreckenden Rotationswelle (13) befestigt. Der Teil am unteren Ende der Rotationswelle (13) tritt durch das Zentrum des Bodens der Kammer (10) hindurch und ist mit dem Wellenantriebsmechanismus (4) verbunden, der außerhalb der Kammer (10) vorgesehen ist. Der Suszeptor (12), die Rotationswelle (13) und der Wellenantriebsmechanismus (14) bilden einen Mechanismus zum Drehen und Anheben des Quarztiegels (11).
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Die Heizung (15) wird verwendet, um ein in den Quarztiegel (11) gefülltes Silicium-Ausgangsmaterial zu schmelzen, um so die Siliciumschmelze (2) zu erzeugen. Die Heizung (15) ist eine aus Kohlenstoff hergestellte Widerstandsheizung und ist so angeordnet, dass sie den Quarztiegel (11) in dem Suszeptor (12) umgibt. Die Heizung (15) ist von dem Wärmeisolationsmaterial (16) umgeben, wodurch das Wärmerückhaltevermögen innerhalb der Kammer (10) gesteigert werden kann.
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Der Hitzeschildkörper (17) bildet eine geeignete heiße Zone um die Fest-Flüssig-Grenzfläche herum, indem eine Temperaturschwankung der Siliciumschmelze (2) unterdrückt wird, und verhindert, dass der Einkristall (3) durch Strahlungswärme von der Heizung (15) und dem Quarztiegel (11) erhitzt wird. Der Hitzeschildkörper (17) ist ein Graphitbauteil, das einen Bereich oberhalb der Siliciumschmelze (2), ausgenommen den Hochziehpfad für den Silicium-Einkristall (3), abdeckt und hat die Form eines umgedrehten Kegelstumpfs mit einem Durchmesser, der sich von seiner Oberseite zu seiner Unterseite verringert.
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Eine kreisförmige Öffnung (17a) mit einem größeren Durchmesser als derjenige des Silicium-Einkristalls (3) wird im Zentrum des unteren Endes des Hitzeschildkörpers (17) ausgebildet und dadurch der Hochziehpfad für den Silicium-Einkristall (3) gewährleistet. Wie dargestellt, wird der Silicium-Einkristall (3) nach oben gezogen und tritt durch die Öffnung (17a) hindurch. Der Durchmesser der Öffnung (17a) des Hitzeschildkörpers (17) ist kleiner als der Öffnungsdurchmesser des Quarztiegels (11), und der Teil am unteren Ende des Hitzeschildkörpers (17) ist innerhalb des Quarztiegels (11) positioniert, so dass selbst dann, wenn das obere Ende des Randes des Quarztiegels (11) so angehoben wird, dass es über das untere Ende des Hitzeschildkörper (17) hinausreicht, der Hitzeschildkörper (17) den Quarztiegel (11) nicht behindert.
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Die Menge der Schmelze in dem Quarztiegel (11) nimmt mit dem Wachstum des Silicium-Einkristalls (3) ab, durch Anheben des Quarztiegels (11), um den Abstand (Spalt ΔG) zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) konstant zu halten, ist es jedoch möglich, eine Temperaturschwankung der Siliciumschmelze (2) zu unterdrücken und die Flussrate von Gas, das in der Nähe der Oberfläche der Schmelze fließt (Zuführpfad des Spülgases) konstant zu halten und dadurch die Verdampfungsmenge eines Dotierungsmittels aus der Siliciumschmelze (2) zu kontrollieren. So kann die Stabilität der Verteilung von Kristalldefekten, der Verteilung der Sauerstoffkonzentration, der Verteilung des spezifischen Widerstandes, etc. in Richtung der Hochziehwelle des Einkristalls verbessert werden.
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Der Wasserkühlkörper (18) ist oberhalb des unteren Endes (17b) des Hitzeschildkörpers (17) und innerhalb des Hitzeschildkörpers (17) angeordnet. Wie der Hitzeschildkörper (17) etc. ist der Wasserkühlkörper (18) so angeordnet, dass er den Hochziehpfad für den Silicium-Einkristall (3) umgibt. Der Wasserkühlkörper (18) ist vorzugsweise aus einem Metall mit ausgezeichneter Wärmeleitung, wie Kupfer, Eisen, Edelstahl (SUS), Molybdän und so gestaltet, dass dessen Oberflächentemperatur in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 200°C gehalten wird, indem Kühlwasser in dessen Inneren verteilt wird. Während Details später beschrieben werden, kann die Anwesenheit des Wasserkühlkörpers (18) die Kühlung des Silicium-Einkristalls (3) unmittelbar nach der Kristallisation erleichtern.
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Der Draht (19), der als Hochziehwelle für den Silicium-Einkristall (3) dient, und der Drahtaufwickelmechanismus (20), der den Draht (19) aufwickelt, sind oberhalb des Quarztiegels (11) vorgesehen. Der Drahtaufwickelmechanismus (20) hat die Funktion, den Einkristall mit dem Draht (19) zu drehen. Der Drahtaufwickelmechanismus (20) ist im oberen Teil der Ziehkammer (10b) vorgesehen. Der Draht (19) erstreckt sich von dem Drahtaufwickelmechanismus (20) nach unten, tritt durch die Ziehkammer (10b) hindurch, und sein vorderes Ende erreicht den Innenraum der Hauptkammer (10a). 1 illustriert einen Zustand, in dem der wachsende Silicium-Einkristall (3) an dem Draht (19) aufgehängt ist. Beim Hochziehen des Einkristalls wird ein Keimkristall in die Siliciumschmelze (2) eingetaucht, und der Draht (19) wird allmählich hochgezogen, während der Quarztiegel (11) und der Keimkristall rotiert werden, um so den Einkristall wachsen zu lassen.
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Der Gaseinlass (10c) für die Zuführung von Inertgas in die Kammer (10) ist am oberen Teil der Ziehkammer (10b) ausgebildet, und der Gasauslass (10d) zum Ablassen des Inertgas aus der Kammer (10) ist am Boden der Hauptkammer (10a) ausgebildet. Das Inertgas wird durch den Gaseinlass (10c) in die Kammer (10) zugeführt, und die Menge des zugeführten Inertgases wird durch ein Ventil gesteuert. Das Inertgas in der abgeschlossenen Kammer (10) wird durch den Gasauslass (10d) aus der Kammer (10) abgelassen, so dass es möglich ist, in der Kammer (10) gebildetes SiO-Gas oder CO-Gas zu sammeln und hierdurch das Innere der Kammer (10) sauber zu halten. Wenn auch nicht illustriert, ist eine Vakuumpumpe über eine Leitung mit dem Gasauslass (10d) verbunden, und das Innere der Kammer (10) wird in einem bestimmten Zustand mit herabgesetztem Druck gehalten, indem die Flussrate des Inertgases unter Verwendung des Ventils gesteuert wird, während das Inertgas in der Kammer (10) mit der Vakuumpumpe abgesaugt wird.
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Der Magnetfeldgenerator (21) legt ein horizontales Magnetfeld oder ein vertikales Magnetfeld an die Siliciumschmelze (2) an. Indem das Magnetfeld an die Siliciumschmelze (2) angelegt wird, kann die Konvektion der Schmelze in einer Richtung senkrecht zu magnetischen Kraftlinien unterdrückt werden. Dies erlaubt es, die Elution von Sauerstoff aus dem Quarztiegel (11) zu unterdrücken und dadurch die Sauerstoffkonzentration in dem Silicium-Einkristall zu verringern.
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Das Beobachtungsfenster (10e) zum Beobachten des Inneren der Kammer (10) ist an dem oberen Teil der Hauptkammer (10a) vorgesehen, und die CCD-Kamera (22) ist außerhalb des Beobachtungsfensters (10e) installiert. Während des Hochziehens des Einkristalls nimmt die CCD-Kamera (22) durch das Beobachtungsfenster (10e) ein Bild der Grenzfläche zwischen dem Silicium-Einkristall (3) und der Siliciumschmelze (2), die durch die Öffnung (17a) des Hitzeschildkörpers (17) zu sehen ist, auf. Die CCD-Kamera (22) ist mit der Bildverarbeitungseinheit (23) verbunden. Das aufgenommene Bild wird in der Bildverarbeitungseinheit (23) verarbeitet, und das Ergebnis der Verarbeitung wird in der Steuereinheit (24) zur Regelung der Hochziehbedingungen verwendet.
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2 ist ein Flussdiagramm zur Erklärung eines Verfahrens zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Form eines Silicium-Einkristallbarren veranschaulicht.
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Wie in 2 und 3 dargestellt, wird in dem Prozess zur Herstellung des Silicium-Einkristalls (3) ein Silicium-Ausgangsmaterial in dem Quarztiegel (11) erhitzt, um die Siliciumschmelze (2) zu erzeugen (Schritt S11). Danach wird ein Keimkristall, der an dem vorderen Ende des Drahts (19) befestigt ist, so abgesenkt, dass er in die Siliciumschmelze (2) eintaucht (Schritt S12).
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Dann wird der Prozess des Hochziehens eines Einkristalls durchgeführt, bei dem der Keimkristall allmählich hochgezogen wird, während er im Kontakt mit der Siliciumschmelze (2) steht, und so der Siliciumkristall wächst. In dem Prozess zum Hochziehen des Einkristalls werden der Reihe nach ein Schritt der Halsbildung (Schritt S13), in dem ein Halsabschnitt (3a) ausgebildet wird, dessen Kristalldurchmesser verringert ist, um so Dislokation zu vermeiden, ein Schritt des Wachsens eines Schulterabschnitts (Schritt S14), in dem ein Schulterabschnitt (3b) ausgebildet wird, dessen Kristalldurchmesser allmählich vergrößert wird, um so einen bestimmten Durchmesser zu erhalten, einen Schritt des Wachsens eines Körperabschnitts (Schritt S15), in dem ein Körperabschnitt (3c) ausgebildet wird, dessen Kristalldurchmesser konstant gehalten wird, und ein Schritt des Wachsens eines Schwanzabschnitts (Schritt S16), in dem ein Schwanzabschnitt (3d) ausgebildet wird, dessen Kristalldurchmesser allmählich verringert wird, durchgeführt. Schließlich wird der Einkristall von der Oberfläche der Schmelze getrennt, und der Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts beendet. Durch die obigen Schritte wird der Silicium-Einkristallbarren (3) mit dem Halsabschnitt (3a), Schulterabschnitt (3b), Körperabschnitt (3c) und Schwanzabschnitt (3d) in dieser Reihenfolge von dem oberen Ende (Anfang) des Einkristalls bis zum unteren Ende (Boden) vervollständigt.
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Während des Prozesses zum Hochziehen des Einkristalls wird, um den Durchmesser des Silicium-Einkristalls (3) und die Position des Flüssigkeitsniveaus der Siliciumschmelze (2) zu steuern, ein Bild des Bereichs der Grenzfläche zwischen dem Silicium-Einkristall (3) und der Siliciumschmelze (2) mit der CCD-Kamera (22) aufgenommen und der Durchmesser des Einkristalls an der Fest-Flüssig-Grenzfläche und der Abstand (Spalt ΔG) zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) werden auf Basis des aufgenommenen Bildes berechnet. Die Steuerungseinheit (24) steuert die Hochziehbedingungen, wie die Hochziehgeschwindigkeit des Drahts (19) und die Leistung der Heizung (15), so dass der Durchmesser des Silicium-Einkristalls (3) zu einem Zieldurchmesser wird. Ferner steuert die Steuerungseinheit (24) die Höhenposition des Quarztiegels (11), um so den Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) konstant zu halten.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Hochziehzustand des Einkristalls während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts illustriert.
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Wie in 4 illustriert, wird der Silicium-Einkristall (3) in einem Dislokations-freien Zustand von der Siliciumschmelze (2) getrennt, so dass sich der Kristalldurchmesser mit dem Fortschritt des Hochziehens in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts allmählich verringert. Im Ergebnis nimmt ein Abstand (D) zwischen dem Hitzeschildkörper (17) und dem Silicium-Einkristall (3) allmählich zu. Dies vergrößert die Breite eines nach oben gerichteten Wärmestrahlungspfades von der Siliciumschmelze (2) und erleichtert so die Ausbreitung von Hitze nach oben über das untere Ende (17b) des Hitzeschildkörpers (17) mit dem Ergebnis, dass die Temperatur eines Raums über dem unteren Ende (17b) des Hitzeschildkörpers (17) hoch wird. Auf diese Weise wird der obere Teil des Hitzeschildkörpers (17) erhitzt und so wird der Hitzeschildkörper (17) selbst eine Wärmequelle und erhitzt den Silicium-Einkristall (3) unmittelbar nach der Kristallisation. Es ist schwierig, den Silicium-Einkristall (3) in diesem Zustand schnell durch einen Temperaturbereich von 1.020°C bis 980°C (Temperaturbereich in dem sich OSF-Kerne bilden), wo sich ein OSF-Kern in dem Einkristall leicht bildet, hindurchtreten zu lassen, und es ist noch schwieriger, wenn die Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (3) verringert wird.
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Andererseits ist in der vorliegenden Ausführungsform der Wasserkühlkörper (18) oberhalb des unteren Endes (17b) des Hitzeschildkörpers (17) und innerhalb eines Innenbereichs (17i) des Hitzeschildkörpers (17) angeordnet, so dass die Temperatur in dem Hochtemperaturbereich, in den der Einkristall eintritt, nachdem er durch die Öffnung am unteren Ende (17b) des Hitzeschildkörpers (17) eingetreten ist, verringert und dadurch die Breite des Temperaturbereichs von 1.020°C bis 980°C in der Kristallwachstumsrichtung verringert werden kann. Dies ermöglicht es, die Verweilzeit des Silicium-Einkristalls (3) in dem Temperaturbereich von 1.020°C bis 980°C selbst dann zu reduzieren, wenn die Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (3) niedriger denn je eingestellt wird. D.h., es ist möglich, den Silicium-Einkristall (3) schnell durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, hindurchtreten zu lassen, um die Größe des OSF-Kerns in dem Einkristall sehr klein zu machen.
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5 ist die Ansicht eines Ablaufs, die eine Variation der Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (3) und einer Variation der Leistung der Heizung (15) veranschaulicht.
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Wie in 5 illustriert, wird die Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (3) von dem Körperabschnitt (3c) bis zu dem Schwanzabschnitt (3d) hindurch durch Steuerung konstant gehalten. Die konstante Hochziehgeschwindigkeit während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts meint, dass die Variationsrate in Bezug auf die Hochziehgeschwindigkeit zu Beginn des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts innerhalb von ± 3 % fällt.
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In einem herkömmlichen allgemeinen Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts wird die Hochziehgeschwindigkeit höher eingestellt als in dem Schritt des Wachsens des Körperabschnitts, und die Leistung der Heizung (15) wird zusätzlich erhöht, um den Kristalldurchmesser zu verringern. In der vorliegenden Ausführungsform wird hingegen die Hochziehgeschwindigkeit nicht geändert und lediglich die Leistung der Heizung (15) geändert, um die Verjüngung des Schwanzes zu erzielen. Indem auf diese Weise die Hochziehgeschwindigkeit vom Beginn des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts (3d) bis zu dessen Ende konstant gehalten wird, ist es möglich, das Auftreten von Dislokation des Einkristalls in Folge von Kristallverdrehung oder Trennung von der Schmelze zu verhindern.
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Während die Kontrolle der Verjüngung des Schwanzes schwierig ist, wenn die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) und die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c) gleich eingestellt werden, wird sie erleichtert, indem die Leistung der Heizung (15) weiter erhöht wird, so dass sich die Siliciumschmelze (2) kaum verfestigt. Wenn die Leistung der Heizung (15) erhöht wird, wird der Einfluss von Strahlungswärme von der Heizung (15) größer und somit wird in Abwesenheit des Wasserkühlkörpers (18) der Temperaturbereich von 1.020°C bis 980°C, in dem sich OSF-Kerne bilden, breiter, wie oben beschrieben. Indem jedoch der Wasserkühlkörper (18) vorgesehen wird, wie oben beschrieben, ist es möglich den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, enger zu machen und dadurch die Zeit des Durchtritts (Verweilzeit) des Silicium-Einkristalls (3) durch den (in dem) Bereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, zu verringern.
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Wie oben beschrieben, ist die Leistung der Heizung (15) während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts größer als diejenige am Ende des Schritts des Wachsens des Körperabschnitts. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Leistung der Heizung (15) vom Beginn des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts allmählich erhöht wird und dass die Leistung der Heizung (15) am Ende des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts das 1,1- bis 1,5-fache der Leistung der Heizung (15) zu Beginn des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts ist. Indem auf diese Weise die Leistung der Heizung (15) während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts allmählich erhöht wird und die Leistung der Heizung (15) am Ende des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts innerhalb eines Bereichs des 1,1- bis 1,5-fachen der Leistung der Heizung (15) zu Beginn des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts fallen gelassen wird, kann die Verjüngung des Schwanzes erzielt werden, selbst wenn die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) und diejenige des Körperabschnitts (3c) gleich eingestellt werden, was wiederum Kristallverdrehung oder Dislokation verhindern kann.
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In dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts wird der Quarztiegel (11) vorzugsweise allmählich angehoben, um so die Position des Flüssigkeitsniveaus der Siliciumschmelze (2) konstant zu halten. Herkömmlich wird der Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts begonnen, nachdem die Menge der Siliciumschmelze (2) in dem Quarztiegel (11) minimiert wurde, um die Einkristallbildungsrate zu steigern. So befindet sich der Quarztiegel (11) zu Beginn des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts an einer ausreichend hohen Position und wenn der Quarztiegel (11) weiter angehoben wird, beeinflusst er den Hitzeschildkörper (17) nachteilig. Folglich muss das Anheben des Quarztiegels (11) zu Beginn oder in der Mitte des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts angehalten werden, was das Absenken der Oberfläche der Schmelze, um den Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) zu vergrößern, einschließt. Es folgt, dass der Silicium-Einkristall (3) anfällig wird für Strahlungswärme von dem Quarztiegel (11) mit dem Ergebnis, dass sich der Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, verbreitert.
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Indem der Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts gestartet wird, bevor die Siliciumschmelze (2) ausreichend verbraucht ist und der Quarztiegel (11) angehoben wird bis zum Ende des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts, um so die Höhenposition der Oberfläche der Schmelze konstant zu halten, ist es andererseits in der vorliegenden Ausführungsform möglich, den Einfluss von Wärmestrahlung von dem Quarztiegel (11) zu unterdrücken und dadurch eine Verbreiterung des Temperaturbereichs zu vermeiden, in dem sich OSF-Kerne bilden.
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Während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts wird der Kristalldurchmesser allmählich verringert und so variiert der Kristallhochziehzustand von Moment zu Moment, so dass der Silicium-Einkristall (3) leicht Dislokationen bilden kann. Zusätzlich ist, wenn die Hochziehgeschwindigkeit während des Wachstums des Schwanzabschnitts niedriger denn je eingestellt wird, die für den Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts erforderliche Zeit entsprechend verlängert, was das Risiko von Dislokation weiter erhöht. Um in einem solchen Zustand das Risiko von Dislokation zu minimieren, ist es bevorzugt, die Rotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (3) und diejenige des Quarztiegels (11) in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts konstant zu halten. Die Rotationsgeschwindigkeiten können gleich oder verschieden von denen in dem Schritt des Wachsens des Körperabschnitts sein. Dies kann die Konvektion der Siliciumschmelze (2) in dem Quarztiegel (11) stabil machen und so die Temperatur der Schmelze stabilisieren.
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Ferner ist es auch in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts bevorzugt, den Magnetfeldgenerator (21) zu aktivieren und ein horizontales Magnetfeld oder ein vertikales Magnetfeld an die Siliciumschmelze (2) anzulegen. Dies kann die Konvektion der Siliciumschmelze (2) in dem Quarztiegel (11) weiter stabilisieren. Ein Teil des Silicium-Einkristalls (3), der als ein Waferprodukt verwendet wird, ist nicht der Schwanzabschnitt (3d), sondern der Körperabschnitt (3c), so dass es nicht notwendig ist, das Magnetfeld derart anzulegen, dass die Kristallqualität, wie das Niveau der Sauerstoffkonzentration oder die Verteilung des Niveaus der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Ebene in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts (S16) zu kontrollieren. In dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts (S16) ist es wichtig, den Einkristall von der Siliciumschmelze (2) schnell zu trennen, um die Qualität des Körperabschnitts (3c) des Silicium-Einkristalls (3), der bisher gewachsen ist, nicht zu vermindern. Das Anlegen des Magnetfeldes während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts kann jedoch die Konvektion der Siliciumschmelze (2) in dem Quarztiegel (11) stabil machen und so die Temperatur der Schmelze stabilisieren, und so Kristallverdrehung oder Dislokation vermeiden.
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6 ist eine Querschnittsseitenansicht, die schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
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Wie in 6 illustriert, hat die Vorrichtung (1B) zur Herstellung eines Einkristalls die Merkmale, dass der Wasserkühlkörper (18) aus einem zylindrischen Bauteil hergestellt ist, das ausreichend länger ist als dasjenige der ersten Ausführungsform und sich von dem oberen Ende (unteres Ende der Ziehkammer) der Hauptkammer nach unten in den Innenbereich (17i) (umgeben von der langen strichpunktierten Linie in 6) des Hitzeschildkörpers (17) erstreckt. D.h., der Wasserkühlkörper (18) ist so vorgesehen, dass er den Hochziehpfad für den Silicium-Einkristall (3) so lange wie möglich abdeckt.
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Ebenso ist der Wasserkühlkörper (18) in der vorliegenden Ausführungsform oberhalb des unteren Endes (17b) des Hitzeschildkörpers (17) und innerhalb des Innenbereichs (17i) des Hitzeschildkörpers (17) angeordnet, so dass die Temperatur in dem Hochtemperaturbereich, in dem der Einkristall gelangt, nachdem er durch die Öffnung des unteren Endes (17b) des Hitzeschildkörpers (17) hindurchgetreten ist, verringert und dadurch die Breite des Temperaturbereichs von 1.020°C bis 980°C in Wachstumsrichtung des Kristalls verringert werden kann. Dies macht es möglich, die Verweilzeit des Silicium-Einkristalls (3) in dem Temperaturbereich von 1.020°C bis 980°C zu halten, selbst wenn die Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls (3) niedriger denn je eingestellt wird. D.h., es ist möglich, den Silicium-Einkristall (3) schnell durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, hindurchtreten zu lassen und so die Größe des OSF-Kerns in dem Silicium-Einkristall sehr klein zu machen.
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Wie oben beschrieben, ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls der Wasserkühlkörper (18) oberhalb des unteren Endes (17b) des Hitzeschildkörpers (17) und innerhalb des Hitzeschildkörpers (17) angeordnet. Ferner wird in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts der Silicium-Einkristall (3) durch den Wasserkühlkörper (18) unmittelbar nach der Kristallisation gekühlt, und der Schwanzabschnitt (3d) wird mit einer Geschwindigkeit gleich der Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c) hochgezogen. Auf diese Weise ist es möglich, einen Silicium-Einkristall hoher Qualität mit einer extrem verringerten Zahl von OSF-Kernen, die Epi-Defekte hervorrufen, herzustellen, während Kristallverdrehung oder Trennung von der Schmelze in dem Schritt (S16) des Wachsens des Schwanzabschnitts vermieden wird.
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Während die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen können innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden. Entsprechend sind all diese Modifikationen in die vorliegende Erfindung eingeschlossen.
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[Beispiele]
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Die Einkristallbildungsraten und das Auftreten von Epi-Defekten wurden auf Basis der Hochziehgeschwindigkeit des Einkristalls in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts und der Anwesenheit/Abwesenheit des Wasserkühlkörpers (18) bewertet. Bei diesem Bewertungstest wurde die in 1 illustrierte Vorrichtung (1A) zur Herstellung eines Einkristalls verwendet, um Probenstücke 1 bis 6 von Silicium-Einkristallbarren, die jeweils einen Durchmesser von 300 mm hatten, zu ziehen. Beim Hochziehen des Einkristalls war die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts auf 1,0 mm/min eingestellt, und der Quarztiegel wurde angehoben, um den Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem unteren Ende des Hitzeschildkörpers konstant zu halten, nicht nur während des Wachstums des Körperabschnitts, sondern auch während des Wachstums des Schwanzabschnitts.
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Für die Probenstücke 1 und 2 wurde die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) höher eingestellt (auf das 1,1-Fache) als die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c). Für die Probenstücke 3 und 4 wurde die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) gleich eingestellt zu der Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c). Für die Proben 5 und 6 wurde die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) niedriger eingestellt (auf das 0,9-Fache) als die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c). Ferner wurde jedes der Probenstücke 1, 3 und 5 unter Verwendung der Vorrichtung (1A) zur Herstellung eines Einkristalls, die den Wasserkühlkörper nicht aufwies, hochgezogen, und die Probenstücke 2, 4 und 6 wurden jeweils unter Verwendung der Vorrichtung (1A) zur Herstellung eines Einkristalls, in der der Wasserkühlkörper (18) vorhanden war, hochgezogen.
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Dann wurden die so erhaltenen Probenstücke 1 bis 6 des Silicium-Einkristallbarrens bearbeitet und so ein Siliciumwafer (polierter Wafer) mit einer Dicke von 775 µm hergestellt. Dann wurde eine Epitaxieschicht mit einer Dicke von 4 µm auf der Oberfläche des Siliciumwafers ausgebildet und so epitaxiale Siliciumwafer entsprechend den Probenstücken 1 bis 6 hergestellt. Dann wurde die Zahl von Epi-Defekten in jedem epitaxialen Siliciumwafer unter Verwendung eines Partikelzählgeräts gemessen.
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Tabelle 1 zeigt die Resultate des Bewertungstests betreffend die Einkristallbildungsrate und die Epi-Defekte, der für die Probenstücke
1 bis
6 durchgeführt wurde.
[Tabelle 1]
| Probe | Hochziehgeschwindigkeit | Kühlkörper | Einkristallbildungsrate | Auftreten von Epi-Defekten |
| 1 | höher | abwesend | × | - |
| 2 | höher | liegt vor | × | - |
| 3 | gleich | abwesend | 75 % oder höher | 5 bis 10/Wf |
| 4 | gleich | liegt vor | 75 % oder höher | unter 5/Wf |
| 5 | niedriger | abwesend | 75 % oder höher | über 10/Wf |
| 6 | niedriger | liegt vor | 75 % oder höher | über 10/Wf |
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Die Tabelle 1 zeigt, dass in dem Probenstück 1, das unter den Bedingungen hergestellt wurde, dass der Wasserkühlkörper (18) nicht verwendet wird und die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) höher eingestellt ist als die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c), Trennung des Schwanzabschnitts (3d) von der Siliziumschmelze auftritt, was die Einkristallbildungsrate verringert. Auch in Probenstück 2, das unter den Bedingungen hergestellt wurde, dass der Wasserkühlkörper (18) verwendet wird und die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) höher eingestellt ist als die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c), trat Trennung des Schwanzabschnitts (3d) von der Siliciumschmelze auf, was die Einkristallbildungsrate verringert. Folglich kann für die Probenstücke 1 und 2 das Auftreten von Epi-Defekten nicht bewertet werden.
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In dem unter den Bedingungen hergestellten Probenstück 3, dass der Wasserkühlkörper (18) nicht verwendet wird und die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) gleich eingestellt ist zu der Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c), ist die Einkristallbildungsrate 75 % oder höher und die Zahl von Epi-Defekten ist 5 bis 10/Wf. In dem unter den Bedingungen hergestellten Probenstück 4, dass der Wasserkühlkörper (18) verwendet wird und die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) gleich eingestellt ist zu der Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c), ist die Einkristallbildungsrate 75 % oder höher und die Zahl von Epi-Defekten ist mit unter 5/Wf sehr niedrig, was den Qualitätsstandard für Epi-Defekte erfüllt.
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In den unter der Bedingung hergestellten Probestücken 5 und 6, dass die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) niedriger eingestellt ist als die Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c), ergibt sich eine hohe Einkristallbildungsrate von75 % oder höher, unabhängig von der Gegenwart/Abwesenheit des Wasserkühlkörpers (18); die Zahl von Epi-Defekten ist jedoch über 10/Wf.
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Die obigen Resultate zeigen, dass in Probenstück 4 (der Wasserkühlkörper (18) wird verwendet und die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) wird gleich eingestellt zu der Hochziehgeschwindigkeit des Körperabschnitts (3c)) die Qualitäten betreffend die Einkristallbildungsrate und die Epi-Defekte beide erfüllt sind.
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Dann wurden Simulationen durchgeführt, um zu untersuchen, welchen Einfluss der Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) auf den Temperaturgradienten des Einkristalls in Kristallwachstumsrichtung unter den Bedingungen für das Probenstück 4 hatte.
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7 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen der Hochziehposition des Einkristalls und einer Zeit, die der Einkristall benötigt, um durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden (1.020°C bis 980°C) hindurchzutreten, zeigt. Die waagrechte Achse des Graphen von 7 gibt einen Abstand von dem Boden (unteres Ende des Schwanzabschnitts (3d)) des Einkristalls an, und die senkrechte Achse gibt die Durchtrittszeit des Einkristalls durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, an.
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Der Graph der 7 zeigt, dass unter der Bedingung, dass sich der Abstand (Spalt Δd) zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) vergrößert, d.h., wenn der Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) nicht durch Steuerung konstant gehalten wird, indem der Quarztiegel (11) in Antwort auf die Absenkung der Oberfläche der Schmelze angehoben wird, die Durchtrittszeit des Einkristalls durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, länger wird, wenn die Hochziehposition sich dem Boden nähert. Die Hochziehgeschwindigkeit des Schwanzabschnitts (3d) ist konstant, so dass eine Zunahme der Durchtrittszeit des Einkristalls durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, bedeutet, dass der Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, in Richtung der Hochziehwelle ausgedehnt wird, wenn die Hochziehposition dem Boden näher kommt.
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Andererseits wird unter der Bedingung, dass der Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) konstant gehalten wird, die Durchtrittszeit des Einkristalls durch den Temperaturbereich, in dem sich OSF-Kerne bilden, nicht so stark verlängert, selbst wenn die Hochziehposition dem unteren Ende des Schwanzabschnitts (3d) näher kommt. Somit zeigen die obigen Simulationsresultate, dass es möglich ist, die Verbreiterung des Temperaturbereichs, in dem sich OSF-Kerne bilden, auch in dem Schritt des Wachsens des Schwanzabschnitts zu vermeiden, indem der Abstand zwischen der Oberfläche der Schmelze und dem Hitzeschildkörper (17) konstant gehalten wird.
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Als nächstes wurde der Einfluss bewertet, den ein Unterschied in der Leistung der Heizung (15) während des Schritts des Wachsens des Schwanzabschnitts auf die Qualität des Einkristalls hatte. Bei dem Bewertungstest wurde ein Verhältnis der Leistung der Heizung D/C in einen Bereich von 0,9 bis 1,8 geändert, wobei C (kW) die Leistung der Heizung (15) zu Beginn des Wachstums des Schwanzabschnitts ist und D (kW) die Leistung der Heizung (15) am Ende des Wachstums des Schwanzabschnitts ist. Die übrigen Hochziehbedingungen wurden gleich zu denjenigen in dem oben beschriebenen Bewertungstest betreffend die Einkristallbildungsrate und Epi-Defekte eingestellt.
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Tabelle 2 zeigt die Resultate des Bewertungstests bezüglich eines Kristallwachstumszustands auf Basis eines Unterschieds in dem Verhältnis der Leistung der Heizung.
[Tabelle 2]
| Nr. | Verhältnis der Leistung der Heizung (D/C) zwischen dem Beginn der Schwanzbildung und dem Ende der Schwanzbildung | Zustand des verjüngten Schwanzes |
| 1 | 0, 9 | × |
| 2 | 1, 0 | × |
| 3 | 1, 05 | × |
| 4 | 1,1 | gut |
| 5 | 1,2 | gut |
| 6 | 1,3 | gut |
| 7 | 1,4 | gut |
| 8 | 1,5 | gut |
| 9 | 1,6 | Kristallverdrehung |
| 10 | 1,7 | Kristallverdrehung |
| 11 | 1, 8 | Kristallverdrehung |
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Wie in Tabelle 2 gezeigt, kann die Verjüngung des Schwanzes nicht erzielt werden, wenn das Verhältnis der Leistung der Heizung D/C unter 1,1 fällt. Ferner tritt, wenn das Verhältnis der Leistung der Heizung D/C 1,5 überschreitet, Kristallverdrehung auf, was es unmöglich macht, den Schwanzabschnitt (3d) in einer feinen konischen Form auszubilden. Andererseits kann die Verjüngung des Schwanzes erzielt werden, wenn das Verhältnis der Leistung der Heizung D/C in einem Bereich von 1,1 bis 1,5 fällt, was es erlaubt, den Schwanzabschnitt (3d) wachsen zu lassen.
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Die obigen Resultate zeigen, dass dann, wenn der Silicium-Einkristall unter den Bedingungen wachsengelassen wird, dass das Verhältnis der Leistung der Heizung D/C am Ende des Wachstums des Schwanzabschnitts zu demjenigen zu dessen Beginn in einen Bereich von 1,1 bis 1,5 fällt und dass die Leistung der Heizung während des Wachstums des Schwanzabschnitts konstant größer ist als an dessen Beginn, der Schwanzabschnitt mit einer feinen Form wachsen kann und Kristallverdrehung und Trennung des Einkristalls von der Siliciumschmelze nicht auftreten.
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Bezugszeichenliste
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- 1A, 1B
- Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls
- 2
- Siliciumschmelze
- 3
- Silicium-Einkristall (Barren)
- 3a
- Halsabschnitt
- 3b
- Schulterabschnitt
- 3c
- Körperabschnitt
- 3d
- Schwanzabschnitt
- 10
- Kammer
- 10a
- Hauptkammer
- 10b
- Ziehkammer
- 10c
- Gaseinlass
- 10d
- Gasauslass
- 10e
- Beobachtungsfenster
- 11
- Quarztiegel
- 12
- Suszeptor
- 13
- Rotationswelle
- 14
- Wellenantriebsmechanismus
- 15
- Heizung
- 16
- Wärmeisolationsmaterial
- 17
- Hitzeschildkörper
- 17a
- Öffnung des Hitzeschildkörpers
- 17b
- unteres Ende des Hitzeschildkörpers
- 17b
- innerer Bereich des Hitzeschildkörpers
- 18
- Wasserkühlkörper
- 19
- Draht
- 20
- Drahtaufwickelmechanismus
- 22
- CCD-Kamera
- 23
- Bildverarbeitungseinheit
- 24
- Steuerungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010030856 [0006]
- JP H10095698 [0006]
