DE112017003016T5

DE112017003016T5 - Verfahren zur Herstellung von Silicium-Einkristall

Info

Publication number: DE112017003016T5
Application number: DE112017003016.1T
Authority: DE
Inventors: Yasuhito Narushima; Toshimichi Kubota
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: US10895018B2; JP2017222551A; WO2017217104A1; CN109415841B; JP6579046B2; US20190249331A1; CN109415841A; DE112017003016B4

Abstract

Ein Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium schließt ein: Ausbildung einer Schulter des einkristallinen Siliciums; und Ausbildung eines geraden Körpers des einkristallinen Siliciums. Um die Schulter auszubilden, wird ein Tiegel derart geheizt, dass ein Heizverhältnis, das berechnet wird durch Dividieren eines Volumens von Hitze von einer unteren Heizung durch ein Volumen von Hitze von einer oberen Heizung von einem vorgegebenen Wert von 1 oder mehr erhöht wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium.
STAND DER TECHNIK
In letzter Zeit besteht Nachfrage nach einkristallinem Silicium mit niedrigem Widerstand. In einem bekannten Herstellungsverfahren für solches einkristallines Silicium, bei dem ein Dotierungsmittel vom n-Typ dicht hinzugefügt wird, war die Einkristallbildung mitunter erschwert und daher wurden Studien zur Vermeidung eines solchen Problems durchgeführt (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).
Patentliteratur 1 offenbart, dass die Zugabe einer großen Menge des Dotierungsmittels eine Gefrierpunktserniedrigung signifikant steigert und so eine Unterkühlung der Zusammensetzung (compositional supercooling) hervorruft, und ein anormales Wachstum (Zellwachstum), das sich von einem Siliciumwachstum an einer Siliciumwachstumsfläche unterscheidet, an einer Grenzfläche des Siliciumwachstums induziert wird, wenn eine solche Unterkühlung der Zusammensetzung groß ist, was die Einkristallbildung behindert.
Gemäß dem Herstellungsverfahren der Patentliteratur 1, das berücksichtigt, dass ein Temperaturgradient in einer Siliciumschmelze nicht direkt gemessen werden kann, wird ein einkristallines Silicium derart hergestellt, dass ein vorgegebener Zusammenhang zwischen einem Temperaturgradienten des einkristallinen Siliciums, auf den anstelle des Temperaturgradienten in der Siliciumschmelze Bezug genommen wird, einer Dotierungsmittelkonzentration in der Siliciumschmelze, einer Hochziehgeschwindigkeit und einem Koeffizienten, der dem Typ des Dotierungsmittels entspricht, erfüllt ist.
LITERATURLISTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1 JP 2008-297167 A
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE(N)
Jedoch tritt mitunter Versetzung (Dislokation) in einem frühen Stadium des Kristallwachstums in dem Verfahren zur Herstellung des einkristallinen Siliciums auf und erschwert so die Einkristallbildung, was gezeigt hat, dass das Verfahren der Patentliteratur 1 das Problem nicht immer vermeiden kann.
Es ist eine erfindungsgemäße Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium zur Verfügung zu stellen, das einkristallines Silizium mit stabiler Qualität herstellen kann.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE(N)
Nach eingehenden Studien haben die Erfinder folgendes gefunden.
Es wurde herausgefunden, dass ein anormales Wachstum an einer Oberfläche der Schulter von einkristallinem Silicium mit Dislokation auftritt. Forschung nach der Ursache des anormalen Wachstums hat ergeben, dass das anormale Wachstum einer Unterkühlung der Zusammensetzung zuzuschreiben ist. Es wurde gezeigt, dass die Unterkühlung der Zusammensetzung auftritt, wenn die folgende Formel (1) erfüllt ist, in der G_L (K/mm) einen Temperaturgradienten einer Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel (einer Siliciumschmelze, das mit einem Dotierungsmittel versetzt ist) an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche bezeichnet, V (mm/min) eine Hochziehgeschwindigkeit für einkristallines Silicium bezeichnet, m (K·cm³/Atome) eine Gefrierpunktserniedrigung bezeichnet, C₀ (Atome/cm³) eine Dotierungsmittelkonzentration in der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel bezeichnet, D (cm²/s) einen Diffusionskoeffizienten bezeichnet und k₀ einen Segregationskoeffizienten bezeichnet.
Formel 1 $\frac{G_{L}}{V} \leq \frac{m C_{0}}{D} • \frac{(1 - k_{0})}{k_{0}}$
Unter den Faktoren in der Formel (1) können der Temperaturgradient G_L, die Hochziehgeschwindigkeit V und die Dotierungsmittelkonzentration C₀ bei der Herstellung eines einkristallinen Siliciums kontrolliert werden. Entsprechend wurden Studien in Bezug auf den Temperaturgradienten G_L durchgeführt, die zeigten, dass das anormale Wachstum verringert werden kann, indem während der Ausbildung der Schulter ein größeres Volumen von Hitze auf einen unteren Teil des Tiegels ausgeübt wird als auf einen oberen Teil des Tiegels. Der Mechanismus für die Verringerung des anormalen Wachstums wird wie folgt vermutet.
Die Oberfläche der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel neigt dazu, von vielen Faktoren beeinflusst zu werden, was die Oberflächentemperatur der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel instabil macht, wie beispielsweise Wärmeextraktion durch Spülgas und Verdampfungswärme, die von der Verdampfung des Dotierungsmittels herrührt. Wie in 1 gezeigt ist, wird angenommen, dass dann, wenn die Schmelze (MD) mit hinzugefügtem Dotierungsmittel mit einer instabilen Temperatur der Flüssigkeit in die Fest-Flüssig-Grenzfläche eintritt, wie durch einen Pfeil F gezeigt ist, als Ergebnis der Tatsache, dass die Oberflächentemperatur der Schmelze (MD) mit hinzugefügtem Dotierungsmittel instabil wird, sich die Temperatur der Flüssigkeit ändert und so das Kristallwachstum destabilisiert wird und infolgedessen das anormale Wachstum hervorgerufen wird.
Entsprechend wird das Volumen von Hitze, das auf den unteren Teil des Tiegels (22) ausgeübt wird, größer eingestellt als das Volumen von Hitze, das auf den oberen Teil ausgeübt wird, um eine Konvektion H zu verstärken, die von dem Boden des Tiegels (22) nach oben steigt und in Richtung der Außenseite des Tiegels (22) fließt, nachdem sie die Unterseite der Fest-Flüssig-Grenzfläche erreicht hat. Dies erhöht den Temperaturgradienten G_L. Es wird somit angenommen, dass die Konvektion H, die in entgegengesetzter Richtung zu dem Pfeil F fließt, dazu dient, dass das Eintreten einer Schmelze mit einer instabilen Temperatur der Flüssigkeit in die Fest-Flüssig-Grenzfläche verringert wird, so dass eine Schmelze mit einer relativ stabilen Temperatur der Flüssigkeit, die von dem Boden nach oben steigt, in die Fest-Flüssig-Grenzfläche eintritt und so das anormale Wachstum verringert.
Die Erfindung beruht auf den obigen Erkenntnissen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung schließt ein Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium (einen Siliciumeinkristall) gemäß einem Czochralski-Prozess unter Verwendung einer Vorrichtung zum Hochziehen eines Einkristalls, die eine Kammer; einen Tiegel, der sich in der Kammer befindet; eine Heizung, die so konfiguriert ist, dass sie den Tiegel heizt und so eine Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel, die eine Siliciumschmelze und ein zu der Siliciumschmelze hinzugefügtes Dotierungsmittel enthält, erzeugt; und eine Hochzieheinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Keimkristall hochzieht, nachdem der Keimkristall in Kontakt mit der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel gebracht wurde, wobei die Heizung eine obere Heizung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Oberfläche an der Oberseite des Tiegels heizt, und eine untere Heizung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Oberfläche an der Unterseite des Tiegels heizt, einschließt, ein: Ausbildung einer Schulter des einkristallinen Siliciums; und Ausbildung eines geraden Körpers des einkristallinen Siliciums. Bei der Ausbildung der Schulter wird die Schulter ausgebildet, indem der Tiegel so geheizt wird, dass ein Heizverhältnis (heating ratio), das berechnet wird durch Dividieren eines Volumens von Hitze (volume of heat) von der unteren Heizung durch ein Volumen von Hitze von der oberen Heizung, von einem vorgegebenen Wert von 1 oder mehr erhöht wird.
In dem obigen Aspekt wird das Heizverhältnis größer als 1 eingestellt (d.h., das Volumen von Hitze von der unteren Heizung ist größer eingestellt als das Volumen von Hitze von der oberen Heizung), um das Auftreten eines anormalen Wachstums in der Schulter wie oben beschrieben zu verringern und so einkristallines Silicium mit stabiler Qualität herzustellen, bei dem weder in der Schulter noch in dem geraden Körper Dislokation auftritt.
In dem obigen Aspekt ist es bevorzugt, dass bei der Ausbildung der Schulter, die Schulter ausgebildet wird, indem der Tiegel so geheizt wird, dass das Heizverhältnis 2 oder mehr wird.
In dem obigen Aspekt kann auf diese Weise einkristallines Silicium (SM) mit einer stabileren Qualität hergestellt werden.
In dem obigen Aspekt ist es bevorzugt, dass das Herstellungsverfahren für das einkristalline Silicium ferner die Ausbildung eines Halses des einkristallinen Siliciums anschließt und bei der Ausbildung des Halses der Einkristall in Kontakt mit der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel gebracht wird, während der Tiegel so geheizt wird, dass das Heizverhältnis 1,5 oder weniger wird.
Wenn das Heizverhältnis 1,5 übersteigt bevor der Keimkristall in Kontakt mit der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel gebracht wird, wird Strahlungswärme von der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel zu dem Keimkristall, die durch das Heizen des oberen Teils des Tiegels verursacht wird, verringert, was zu einem nicht ausreichenden Heizen des Keimkristalls führen kann. In diesem Fall wird der Temperaturunterschied zwischen dem Keimkristall und der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel groß, so dass Dislokation (Hitzeschockdislokation) in dem Hals durch einen Hitzeschock beim Kontakt zwischen dem Keimkristall und der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel hervorgerufen werden kann. Die Hitzeschockdislokation kann zum Auftreten von Dislokation in der Schulter und dem geraden Körper führen.
In dem obigen Aspekt kann Strahlungswärme von der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel zu dem Keimkristall, die vom Heizen des oberen Teils des Tiegels stammt, erhöht werden und so der Temperaturunterschied zwischen dem Keimkristall und der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel verringert werden. Dies gewährleistet eine Verringerung des Auftretens von Hitzeschockdislokation in dem Hals und folglich die Verringerung des Auftretens von Dislokation in der Schulter und dem geraden Körper, die aus der Hitzeschockdislokation resultieren.
In dem obigen Aspekt ist es bevorzugt, dass bei der Ausbildung der Schulter der Tiegel derart geheizt wird, dass das Heizverhältnis von einem vorgegebenen Wert von 1,5 oder weniger bis zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Durchmesser der sich bildenden Schulter die Hälfte des Zieldurchmessers des geraden Körpers oder mehr erreicht, erhöht wird, und zu diesem Zeitpunkt oder danach derart geheizt wird, dass das Heizverhältnis 2 oder mehr wird.
Wenn der Durchmesser der Schulter weniger als die Hälfte des Zieldurchmessers des geraden Körpers ist, hat die Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel eine relativ große Oberfläche, so dass eine große Menge Schmelze mit einer instabilen Temperatur der Flüssigkeit in die Fest-Flüssig-Grenzfläche eintritt. Selbst wenn das Heizverhältnis zu einem solchen Zeitpunkt auf 2 oder mehr eingestellt wird, kann die Konvektion (H), die in Richtung der Außenseite des Tiegels fließt, nicht verhindern, dass die Schmelze mit einer instabilen Temperatur der Flüssigkeit in die Fest-Flüssig-Grenzfläche eintritt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass ein anormales Wachstum verringert werden kann.
In dem obigen Aspekt wird das Heizverhältnis zu einem Zeitpunkt auf 2 oder mehr eingestellt, wenn der Durchmesser der Schulter die Hälfte des Zieldurchmessers des geraden Körpers ist, wobei eine geringe Menge einer Schmelze mit einer instabilen Temperatur der Flüssigkeit in die Fest-Flüssig-Grenzfläche eintritt. Dies ermöglicht es der Konvektion (H) zu verhindern, dass die Schmelze mit einer instabilen Temperatur der Flüssigkeit in die Fest-Flüssig-Grenzfläche eintritt, was die Möglichkeit der Verringerung eines anormalen Wachstums steigert.
Figurenliste

1 illustriert einen Mechanismus für die Verringerung eines anormalen Wachstums.
2 zeigt schematisch einen Aufbau einer Vorrichtung zum Hochziehen eines Einkristalls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
3A zeigt Herstellungsbedingungen gemäß der beispielhaften Ausführungsform, insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Länge des einkristallinen Siliciums und der Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels.
3B zeigt Herstellungsbedingungen gemäß der beispielhaften Ausführungsform, insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Länge des einkristallinen Siliciums und einem Heizverhältnis.
4A zeigt Herstellungsbedingungen für Experiment 1 in den Beispielen, insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Länge des einkristallinen Siliciums und der Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels.
4B zeigt Herstellungsbedingungen für Experiment 1 in den Beispielen, insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Länge des einkristallinen Siliciums und dem Heizverhältnis.
5 ist ein Graph, der Experiment 2 in den Beispielen betrifft und der einen Zusammenhang zwischen einem spezifischen Widerstand eines Dotierungsmittels, dem Heizverhältnis und Dislokation zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Beispielhafte Ausführungsform(en)
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Aufbau einer Vorrichtung zum Hochziehen eines Einkristalls
Wie in 2 gezeigt, schließt eine Vorrichtung (1) zum Hochziehen eines Einkristalls, die eine für den CZ (Czochralski)-Prozess verwendbare Vorrichtung ist, einen Körper (2) der Hochziehvorrichtung und eine Steuerungseinheit (3) ein.
Der Körper (2) der Hochziehvorrichtung schließt eine Kammer (21), einen im Zentrum der Kammer (21) angeordneten Tiegel (22), eine Heizung (23), die so ausgelegt ist, dass sie den Tiegel (22) heizt, einen wärmeisolierenden Zylinder (24), ein Hochziehkabel (25) (einer Hochzieheinheit) und ein Hitzeschild (26) ein.
Ein Gaseinlass (21A), durch den ein Inertgas (z.B. Ar-Gas) in die Kammer (21) eingelassen wird, ist an einem oberen Teil der Kammer (21) vorgesehen. Ein Gasauslass (21B), durch den das Gas in der Kammer (21) abgelassen wird, wenn eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) betrieben wird, ist an einem unteren Teil der Kammer (21) vorgesehen.
Das Inertgas wird mit einer vorgegebenen Gasflussrate durch den Gaseinlass (21A) am oberen Teil der Kammer (21) unter Steuerung durch die Steuerungseinheit (3) in die Kammer (21) eingelassen. Das eingelassene Gas wird dann durch den Gasauslass (21B) am unteren Teil der Kammer (21) abgelassen, nachdem es im Inneren der Kammer (21) von der Oberseite in Richtung der Unterseite geflossen ist.
Der Druck (Ofendruck) innerhalb der Kammer (21) soll mit der Steuerungseinheit (3) gesteuert werden.
Der Tiegel (22) ist so ausgelegt, dass er polykristallines Silicium (d.h., ein Material eines Silicium-Wafers) schmilzt und so eine Siliciumschmelze (M) bereitstellt. Der Tiegel (22) wird durch eine Tragewelle (27) getragen, die mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit rotierbar und senkrecht beweglich ist. Der Tiegel (22) schließt einen zylindrischen Quarztiegel (221) mit einem geschlossenen Boden und einen Tragetiegel (222) ein, der aus einem Kohlenstoffmaterial hergestellt ist und den Quarztiegel (221) aufnimmt.
Die Heizung (23) befindet sich in der Nähe des Tiegels (22), um das Silicium im Inneren des Tiegels (22) zu schmelzen. Die Heizung (23) schließt eine obere Heizung (231), die so ausgelegt ist, dass sie eine Oberfläche an der Oberseite des Tiegels (22) heizt, und eine untere Heizung (232), die sich unterhalb der oberen Heizung (231) befindet und so ausgelegt ist, dass sie eine Oberfläche an der Unterseite des Tiegels (22) heizt, ein.
Der wärmeisolierende Zylinder (24) ist um den Tiegel (22) und die Heizung (23) herum angeordnet.
Das Hochziehkabel (25) hat ein erstes Ende, das mit einem Hochziehantrieb (nicht gezeigt) verbunden ist, der sich oberhalb des Tiegels (22) befindet, und ein zweites Ende, das mit einem Keimkristall (SC) verbunden ist. Das Hochziehkabel (25) ist mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit senkrecht beweglich und um eine Achse des Hochziehkabels (25) unter Steuerung durch die Steuerungseinheit (3) rotierbar.
Der Hitzeschild (26) ist so ausgelegt, dass er Strahlungswärme, die von der Heizung (23) nach oben abgestrahlt wird, abblockt.
Die Steuerungseinheit (3) ist so ausgelegt, dass sie beispielsweise die Gasflussrate und den Ofendruck in der Kammer (21), die Temperatur der von der Heizung (23) auf den Tiegel (22) ausgeübten Hitze und die jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten des Tiegels (22) und des einkristallinen Siliciums (SM) auf Basis von in einem Speicher (31) gespeicherter Information, einer Eingabe durch eine Person, die die Vorrichtung betreibt, oder dergleichen, steuert, um so das einkristalline Silicium (SM) herzustellen.
Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium
Als nächstes wird eine Beschreibung zu einem Herstellungsverfahren für das einkristalline Silicium (SM) gegeben.
Es ist anzumerken, dass ein gerader Körper des herzustellenden einkristallinen Siliciums (SM) exemplarisch einen Zieldurchmesser R von 200 mm in der beispielhaften Ausführungsform hat, dass das einkristalline Silicium (SM) jedoch mit einem anderen Zieldurchmesser, wie beispielsweise 300 mm und 450 mm hergestellt werden kann.
Als erstes legt die Steuerungseinheit (3) der Vorrichtung (1) zum Hochziehen des Einkristalls die Herstellungsbedingungen für das einkristalline Silicium (SM), wie den spezifischen Widerstand, die Sauerstoffkonzentration, die Ar-Flussrate, den Ofendruck, die jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten des Tiegels (22) und des einkristallinen Siliciums (SM) und ein Heizverhältnis zwischen der oberen Heizung (231) und der unteren Heizung (232) fest. Die Herstellungsbedingungen können von einer Person, die die Vorrichtung bedient, eingegeben oder von der Steuerungseinheit (3) beispielsweise auf Basis einer von einer Person, die die Vorrichtung bedient, eingegebenen Zielsauerstoffkonzentration berechnet werden.
Der spezifische Widerstand reicht vorzugsweise von 1,5 mΩ·cm bis 3,5 mΩ·cm bei der Verwendung von Arsen als Dotierungsmittel und vorzugsweise von 0,6 mΩ·cm bis 1,2 mΩ·cm bei der Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel.
Als nächstes steuert die Steuerungseinheit (3) die obere Heizung (231) und die untere Heizung (232) auf Basis des Vorgabewerts des Heizverhältnisses und heizt so den Tiegel (22), damit das polykristalline Siliciummaterial (Siliciummaterial) und das Dotierungsmittel in dem Tiegel (22) schmelzen und so eine Schmelze (MD) mit hinzugefügtem Dotierungsmittel hergestellt wird. Die Steuerungseinheit (3) steuert dann die Vorrichtung (1) zum Hochziehen des Einkristalls, um ein Ar-Gas mit einer vorgegebenen Flussrate durch den Gaseinlass (21A) in die Kammer (21) einzuleiten und den Druck in der Kammer (21) zu verringern, so dass eine inerte Atmosphäre unter verringertem Druck in der Kammer (21) gehalten wird.
Die Steuerungseinheit (3) führt dann einen Schritt der Ausbildung des Halses, einen Schritt der Ausbildung der Schulter, einen Schritt der Ausbildung des geraden Körpers und einen Schritt der Ausbildung des Schwanzes durch.
Bei dem Schritt der Ausbildung des Halses wird das Heizverhältnis auf 1 gesetzt (d.h., das Volumen von Hitze, die auf den oberen Teil des Tiegels (22) einwirkt, wird gleich eingestellt zu dem Volumen von Hitze, die auf den unteren Teil einwirkt) und das Hochziehkabel (25) wird nach unten bewegt, um den Keimkristall (SC) in die Schmelze (MD) mit hinzugefügtem Dotierungsmittel zu tauchen, nachdem die Temperatur der Flüssigkeit stabil wurde. Die Steuerungseinheit (3) steuert dann die Vorrichtung (1) zum Hochziehen eines Einkristalls, so dass das Hochziehkabel (25) hochgezogen wird, während der Tiegel (22) und das Hochziehkabel (25) in einer vorgegebenen Richtung rotieren, und auf diese Weise wird ein Hals (SM1) ausgebildet. Es ist anzumerken, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels (22) in dem Schritt der Ausbildung des Halses vorzugsweise dieselbe ist wie eine zu Beginn des Schritts der Ausbildung der Schulter. Ferner kann das Heizverhältnis in dem Schritt der Ausbildung des Halses größer sein als 1,0, ist jedoch höchstens 1,5.
In dem Schritt der Ausbildung der Schulter wird eine Schulter (SM2) auf eine Weise ausgebildet, dass das Auftreten von anormalem Wachstum in der Schulter (SM2) verhindert wird. Im Einzelnen steuert, wie in 3A gezeigt ist, die Steuerungseinheit (3) die Vorrichtung (1) zum Hochziehen des Einkristalls so, dass das Hochziehkabel (25) hochgezogen wird, während der Tiegel (22) mit einer Rotationsgeschwindigkeit Sr1 rotiert (Sr1 ≥ 14 U/min) wird. Sr1 kann auf einen beliebigen Wert gleich oder größer als 14 U/min eingestellt werden, ist jedoch vorzugsweise 30 U/min oder weniger. Denn eine Rotationsgeschwindigkeit Sr1 über 30 U/min destabilisiert den Betrieb der Vorrichtung zum Hochziehen des Einkristalls und ruft so Deformation der Schulter (SM2) hervor. Es ist anzumerken, dass die Abszissenachse in jeder der 3A, 3B, 4A und 4B eine Länge des einkristallinen Siliciums (SM) darstellt, den Hals (SM1) ausgenommen.
Anschließend beginnt die Rotationsgeschwindigkeit, die bei Sr1 gehalten wurde, allmählich zu einem vorgegebenen Zeitpunkt verringert zu werden, wenn ein Durchmesser des gezogenen einkristallinen Siliciums (SM) (Schulter (SM2)) (1/2)R (Hälfte des Zieldurchmessers des geraden Körpers) oder mehr erreicht (d.h., die Länge des einkristallinen Siliciums (SM) erreicht L1). Im Einzelnen wird die Rotationsgeschwindigkeit linear so verringert, dass sie den Wert Sr2 erreicht, der zur Ausbildung des geraden Körpers geeignet ist, wenn der Durchmesser des einkristallinen Siliciums (SM) R wird (d.h., wenn die Ausbildung der Schulter (SM2) abgeschlossen ist). Es ist anzumerken, dass Sr2 vorzugsweise von 4 U/min bis 12 U/min reicht. Denn eine Rotationsgeschwindigkeit Sr2 weniger als 4 U/min destabilisiert die Schmelze MD mit hinzugefügtem Dotierungsmittel und ruft Dislokation hervor, und Sr2 über 12 U/min erhöht Schwankungen der Verteilung der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Ebene und des spezifischen Widerstands in dem einkristallinen Silicium (SM) und destabilisiert so die Kristallqualität. Die Rotationsgeschwindigkeit kann durch den Schritt der Ausbildung der Schulter hindurch bei Sr1 gehalten werden.
Wie in 3B gezeigt ist, erhöht die Steuerungseinheit (3) allmählich das Heizverhältnis von 1, während die Rotationsgeschwindigkeit bei Sr1 gehalten wird. Im Einzelnen wird das Heizverhältnis linear derart erhöht, dass das Heizverhältnis T (≥ 2) wird, wenn die Länge des einkristallinen Siliciums (SM) L2 erreicht. Das Heizverhältnis wird dann bis zum Abschluss der Ausbildung der Schulter (SM2) bei T gehalten.
Es ist anzumerken, dass T vorzugsweise gleich oder weniger als 4 ist. Bei einem Heizverhältnis von mehr als 4 kann eine große Hitzebelastung des unteren Teils des Tiegels (22) Deformation des Tiegels (22) und/oder Abblättern von Quarz hervorrufen.
Anschließend wird der Schritt der Bildung des geraden Körpers und der Bildung des Schwanzes durchgeführt und so die Herstellung des einkristallinen Siliciums (SM) abgeschlossen.
Vorteil(e) beispielhafter Ausführungsform(en)
In der beispielhaften Ausführungsform wird der Tiegel (22) so geheizt, dass das Heizverhältnis 2 oder mehr wird, um die Ausbildung der Schulter durchzuführen, und so das Auftreten von anormalem Wachstum in der Schulter (SM2) verringert. Folglich tritt keine Dislokation in der Schulter (SM2) und dem geraden Körper auf, so dass das einkristalline Silicium (SM) mit stabiler Qualität hergestellt werden kann.
Ferner wird beim Inkontaktbringen des Keimkristalls (SC) mit der Schmelze (MD) mit hinzugefügtem Dotierungsmittel der Tiegel (22) derart geheizt, dass das Heizverhältnis 1,5 oder weniger wird und auf diese Weise das Auftreten von Hitzeschockdislokation in dem Hals (SM1) und folglich das Auftreten von Dislokation in der Schulter (SM2) und dem geraden Körper verringert.
Ferner wird in dem Schritt der Ausbildung der Schulter das Heizverhältnis von einem Wert gleich oder weniger als 1,5 allmählich so erhöht, dass es 2 oder mehr erreicht zu einem Zeitpunkt, wenn der Durchmesser der Schulter (SM2) 1/2 R oder mehr wird und dann bei 2 gehalten und so die Möglichkeit erhöht, ein anormales Wachstum zu verringern.
In ähnlicher Weise ist es wahrscheinlicher, dass in dem Schritt der Ausbildung des geraden Körpers eine Rotation des Tiegels bei 14 U/min oder mehr eine ungleichmäßige Verteilung innerhalb der Ebene, beispielsweise der Sauerstoffkonzentration und des spezifischen Widerstandes des geraden Körpers, hervorruft. Die Rotationsgeschwindigkeit wird jedoch bei Sr1 gehalten, bis der Durchmesser der Schulter (SM2) 1/2 R erreicht und allmählich zu einem vorgegebenen Zeitpunkt verringert, wenn der Durchmesser 1/2 R oder mehr wird, und so nicht nur das Auftreten von Dislokation in dem geraden Körper verringert, sondern auch die ungleichmäßige Verteilung der Sauerstoffkonzentration und des spezifischen Widerstandes.
Modifikation(en)
Es versteht sich, dass der Bereich der Erfindung nicht durch die beispielhafte Ausführungsform von oben beschränkt ist, sondern unterschiedliche Verbesserungen und Modifikationen, die mit der Erfindung kompatibel sind, möglich sind, und ferner spezifische Prozesse, Aufbauten und dergleichen in der Praxis der Erfindung geändert werden können, so lange das Ziel der Erfindung erreicht werden kann.
Das Heizverhältnis wird beispielhaft von einem vorgegebenen Wert gleich oder mehr als 1 in linearer Weise erhöht, wie in 3B und 4B gezeigt ist, es kann jedoch auf andere Weise erhöht werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird die Rotationsgeschwindigkeit auf nicht-lineare Weise oder schrittweise erhöht.
Beispiel(e)
Als nächstes wird die Erfindung nachstehend mit Bezug auf Beispiele ausführlicher beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, dass der Bereich der Erfindung in keiner Weise durch diese Beispiele beschränkt ist.
Experiment 1: Zusammenhang zwischen
Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels, Heizverhältnis und Dislokation
In Experiment 1 wurden Siliciumeinkristalle mit den folgenden Eigenschaften hergestellt und ausgewertet.

Zieldurchmesser des geraden Körpers: 200 mm
Dotierungsmittel: Arsen
Spezifischer Widerstand: 2,0 mΩ·cm

Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium
Vergleichsbeispiel 1
Wie in 4A und Tabelle 1 gezeigt ist, wurde in dem Schritt der Ausbildung der Schulter die Rotationsgeschwindigkeit so gesteuert, dass das Kabel hochgezogen wurde und der Tiegel mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 14 U/min rotiert wurde und die Rotationsgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt allmählich zu verringern begonnen wurde, wenn der Durchmesser des einkristallinen Siliciums 100 mm (die Hälfte des Zieldurchmessers des geraden Körpers) oder mehr wurde, um beim Abschluss der Ausbildung der Schulter 6 U/min zu erreichen. Das Heizverhältnis wurde konstant auf 1 eingestellt, wie in 4B und Tabelle 1 gezeigt ist. Anschließend wurden der Schritt der Ausbildung des geraden Körpers und der Schritt der Ausbildung des Schwanzes durchgeführt.

Bei dem Herstellungsverfahren wurde der Siliciumeinkristall untersucht, um festzustellen, ob Dislokation auftrat. Wenn Dislokation auftrat, wurde die Hochziehoperation angehalten und der Siliciumeinkristall in einer Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel geschmolzen (Schritt des Rückschmelzens, melt-back). Das obige Verfahren wurde wiederholt, bis ein Siliciumeinkristall hergestellt wurde, der einen geraden Körper ohne Dislokation enthielt. Tabelle 1 zeigt die Häufigkeit des Hochziehens („Versuchs“häufigkeit), die Häufigkeit des Auftretens von Dislokation (Dislokationshäufigkeit) und das Vorkommen von Dislokation (Dislokationsrate = Dislokationshäufigkeit / Versuchshäufigkeit).
Tabelle 1

	Vergl.-Beispiel 1	Beispiel 1	Beispiel 2
Rotationsgeschwindigkeit im Tiegel (U/min)	14→6	14→6	20→6
Heizverhältnis	1	1→2	1→2
Versuchshäufigkeit	6	3	20
Dislokationshäufigkeit	4	0	0
Dislokationsrate	67 %	0 %	0 %

Beispiel 1
Ein Siliciumeinkristall wurde unter denselben Bedingungen wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass das Heizverhältnis so gesteuert wurde, dass das Kabel hochgezogen wurde, wobei der Tiegel mit einem Heizverhältnis von 1 geheizt wurde, während er auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 rotiert wurde, unmittelbar nach der Hochziehoperation das Heizverhältnis allmählich zu erhöhen begonnen wurde, um 2 zu einem Zeitpunkt zu erreichen, als die Rotationsgeschwindigkeit begann, verringert zu werden, und dann die Rotationsgeschwindigkeit bis zum Abschluss der Ausbildung der Schulter bei 2 gehalten wurde. Tabelle 1 zeigt die Versuchshäufigkeit, Dislokationshäufigkeit und Dislokationsrate.
Beispiel 2
Ein Siliciumeinkristall wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass der Tiegel während des Zeitraums, in dem der Tiegel in Beispiel 1 bei 14 U/min rotiert wurde, bei 20 U/min rotiert wurde. Tabelle 1 zeigt die Versuchshäufigkeit, Dislokationshäufigkeit und Dislokationsrate.
Auswertung
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, trat mitunter Dislokation in dem Siliciumeinkristall in Vergleichsbeispiel 1 auf, während in den Beispielen 1 und 2 keine Dislokation in irgendeinem Bereich auftrat. Dies hat gezeigt, dass einkristallines Silicium ohne Dislokation hergestellt werden kann, indem der Tiegel so geheizt wird, dass das Heizverhältnis während der Ausbildung der Schulter 2 oder mehr wird (d.h., das Heizverhältnis allmählich von 1 erhöht wird, um 2 oder mehr zu einem Zeitpunkt zu erreichen, wenn der Durchmesser der Schulter 1/2 R oder mehr erreicht) und dann das Heizverhältnis von 2 beibehalten wird.
Experiment 2: Zusammenhang zwischen spezifischem Widerstand des Dotierungsmittels, Heizverhältnis und Dislokation
In Experiment 2 wurden Siliciumeinkristalle mit den folgenden Eigenschaften hergestellt und ausgewertet.

Zieldurchmesser des geraden Körpers: 200 mm
Dotierungsmittel: siehe Tabelle 2
Spezifischer Widerstand: siehe Tabelle 2

	Dotierungsmittel	Spezifischer Widerstand (mΩ·cm)
Referenzbeispiel 1	Arsen	3,0
Referenzbeispiel 2	Arsen	1,8
Referenzbeispiel 3	roter Phosphor	1,3
Referenzbeispiel 4	roter Phosphor	0,7

Für Referenzbeispiele 1 bis 4 wurden die Siliciumeinkristalle hergestellt, indem in dem Schritt der Ausbildung der Schulter durch Steuerung die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels innerhalb eines Bereichs von 14 U/min bis 20 U/min, wie in 4A und 4B gezeigt ist, und das Heizverhältnis innerhalb eines Bereichs von 1 bis 2, wie in 34A und 4B gezeigt ist, gehalten wurde und anschließend der Schritt der Ausbildung des geraden Körpers und der Schritt der Ausbildung des Schwanzes durchgeführt wurden.
Im Zusammenhang mit den Referenzbeispielen 1 bis 4 zeigt 5 einen Zusammenhang zwischen dem minimalen Heizverhältnis, das Dislokation nicht hervorruft, und dem spezifischen Widerstand des einkristallinen Siliciums. 5 zeigt, dass Heizverhältnisse oberhalb einer Linie, die diesen Zusammenhang wiedergibt, keine Dislokation hervorrufen, wohingegen Heizverhältnisse unterhalb der Linie Dislokation hervorrufen.
Wie in 5 gezeigt ist, wurde gezeigt, dass das Heizverhältnis, das Dislokation nicht hervorruft, mit einer Verringerung des spezifischen Widerstandes des einkristallinen Siliciums ansteigt.
Bezugszeichenliste
1...Vorrichtung zum Hochziehen eines Einkristalls, 21...Kammer, 22...Tiegel, 23...Heizung, 231...obere Heizung, 232...untere Heizung, 24...wärmeisolierender Zylinder, 25...Hochziehkabel (Hochzieheinheit), M...Siliciumschmelze, MD...Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel, SC...Keimkristall, SM...einkristallines Silicium (Siliciumeinkristall), SM2...Schulter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008297167 A [0005]

Claims

Herstellungsverfahren für einkristallines Silicium gemäß einem Czochralski-Prozess unter Verwendung einer Vorrichtung zum Hochziehen eines Einkristalls, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Kammer; einen Tiegel, der sich in der Kammer befindet; eine Heizung, die so konfiguriert ist, dass sie den Tiegel heizt und so eine Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel, die eine Siliciumschmelze und ein zu der Siliciumschmelze hinzugefügtes Dotierungsmittel umfasst, erzeugt; und eine Hochzieheinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen Keimkristall hochzieht, nachdem der Keimkristall mit der Schmelze mit hinzugefügtem Dotierungsmittel in Kontakt gebracht wurde, wobei die Heizung eine obere Heizung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Oberfläche an der Oberseite des Tiegels heizt, und eine untere Heizung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Oberfläche an der Unterseite des Tiegels heizt, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Ausbildung einer Schulter des einkristallinen Siliciums; und Ausbildung eines geraden Körpers des einkristallinen Siliciums, wobei bei der Ausbildung der Schulter die Schulter ausgebildet wird, indem der Tiegel derart geheizt wird, dass ein Heizverhältnis, das berechnet wird durch Dividieren eines Volumens von Hitze von der unteren Heizung durch ein Volumen von Hitze von der oberen Heizung, von einem vorgegebenen Wert von 1 oder mehr erhöht wird.
Herstellungsverfahren für das einkristalline Silicium gemäß Anspruch 1, bei dem bei der Ausbildung der Schulter die Schulter ausgebildet wird, indem der Tiegel derart geheizt wird, dass das Heizverhältnis 2 oder mehr wird.
Herstellungsverfahren für das einkristalline Silicium gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner die Ausbildung eines Halses des einkristallinen Siliciums umfasst, wobei bei der Ausbildung des Halses der Keimkristall in Kontakt mit der Schmelze mit zugefügten Dotierungsmittel gebracht wird, während der Tiegel derart geheizt wird, dass das Heizverhältnis 1,5 oder weniger wird.
Herstellungsverfahren für das einkristalline Silicium gemäß Anspruch 3, bei dem bei der Ausbildung der Schulter der Tiegel derart geheizt wird, dass das Heizverhältnis von einem vorgegebenen Wert von 1,5 oder weniger bis zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Durchmesser der sich bildenden Schulter die Hälfte eines Zieldurchmessers des geraden Körpers oder mehr erreicht, erhöht wird und zu diesem Zeitpunkt oder danach derart geheizt wird, dass das Heizverhältnis 2 oder mehr wird.