DE112017003487B4

DE112017003487B4 - Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls

Info

Publication number: DE112017003487B4
Application number: DE112017003487.6T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hayakawa
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2037-03-04
Also published as: CN109072477A; WO2018012027A1; JP6565810B2; CN109072477B; JP2018008830A; DE112017003487T5

Abstract

Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls mit einem vorbestimmten spezifischen Widerstand, wobei das Verfahren Bestrahlen eines Ingots aus einem gewachsenen Siliziumeinkristall mit Neutronen unter einer spezifischen Bedingung umfasst, um den Siliziumeinkristall mit Phosphor zu dotieren, wobei eine Berechnung einer Zielneutronenfluenz zum Erhalten des vorbestimmten spezifischen Widerstands Folgendes beinhaltet:Einstellen mehrerer unterschiedlicher Neutronenfluenzen für jeden Siliziumeinkristall und Bestrahlen des Siliziumeinkristalls mit Neutronen unter der spezifischen Bedingung;Messen des spezifischen Widerstands mehrerer der dotierten Siliziumeinkristalle, die für jede Neutronenfluenz erhalten wurden; dadurch vorläufiges Erhalten einer Kalibrierungskurve, die eine Beziehung zwischen der Neutronenfluenz und dem spezifischen Widerstand repräsentiert; basierend auf einer Vielzahl von Neutronenfluenzen und einer Vielzahl von spezifischen Widerständen, die bei jeder der Neutronenfluenzen gemessen wurden, wobei die Kalibrierungskurve eine Variation des spezifischen Widerstands bei der spezifischen Bedingung berücksichtigt, undBestimmen der Zielneutronenfluenz als einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, der die Neutronenfluenz beinhaltet, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve der vorbestimmte spezifische Widerstand ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls.
[Technischer Hintergrund]
Ein Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls ist bekannt. Dieses Verfahren beinhaltet einen Schritt des Wachsens eines Siliziumeinkristallingots mit einem durchschnittlichen spezifischen Widerstand von 1000 Ω · cm oder mehr, während der Ingot mit Stickstoff dotiert wird, durch ein FZ-Verfahren, einen Schritt des Bestrahlens des Siliziumeinkristallingots mit Neutronen und einen Schritt des Durchführens einer Wärmebehandlung zum Beheben des Schadens, der durch die Neutronenbestrahlung verursacht wird. Dieses Verfahren beinhaltet ferner Anwenden einer Donorbeseitigungswärmebehandlung auf den Siliziumeinkristall wenigstens vor dem Schritt des Bestrahlens des Siliziumeinkristallingots mit Neutronen, Berechnen der Neutronenfluenz aus dem spezifischen Widerstand des Siliziumeinkristalls, der der Donorbeseitigungswärmebehandlung unterzogen wird, und Durchführen der Neutronenbestrahlung mit der berechneten Neutronenfluenz. Die Neutronenfluenz N in dem Neutronenbestrahlungsschritt wird basierend auf dem spezifischen Widerstand R1 des Rohmaterials und dem spezifischen Zielwiderstand RT berechnet, aber der spezifische Widerstand R2, der tatsächlich nach der Neutronenbestrahlung erhalten wird, kann von dem spezifischen Zielwiderstand RT aufgrund der Stickstoffdotierung abweichen. Es wird gesagt, dass, falls die Wärmebehandlung zum Beseitigen des Donors basierend auf Stickstoff durchgeführt wird und der Auswertungswert für den spezifischen Widerstand des Rohmaterialsiliziumeinkristalls ausgewertet nach der Wärmebehandlung verwendet wird, um die Neutronenfluenz, die zum Erhalten des spezifischen Zielwiderstands notwendig ist, vorläufig, vor dem Neutronenbestrahlungsschritt, zu berechnen, es möglich ist, den Einfluss des komplexen Donors aufgrund der Stickstoffdotierung zu unterdrücken und einen genaueren Wert zu erhalten.
[Dokument für den Stand der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] JP2007-176725A
Die DE 2 617 320 A1 offenbart es, einen reaktorspezifischen Korrekturwert zum Bestimmen einer Neutronenfluenz zu verwenden.
[Kurzfassung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
Jedoch kann, selbst wenn die Neutronenfluenz N auf einen angemessenen Wert eingestellt wird, der tatsächlich erhaltene spezifische Widerstand R2 nach der Neutronenbestrahlung aufgrund des individuellen Unterschiedes einer Neutronenbestrahlungseinrichtung (Nuklearreaktors) stark von dem spezifischen Zielwiderstand RT abweichen.
Ein durch die vorliegende Erfindung zu lösendes Problem besteht darin, ein Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls bereitzustellen, mit dem ein neutronenbestrahlter Siliziumeinkristall mit einem genauen spezifischen Zielwiderstand erhalten werden kann.
[Mittel zum Lösen der Probleme]
Die vorliegende Erfindung löst das obige Problem durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Produzieren eines Siliziumeinkristalls mit einem vorbestimmten spezifischen Widerstand gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren Bestrahlen eines Ingots aus einem gewachsenen Siliziumeinkristall mit Neutronen unter einer spezifischen Bedingung umfasst, um den Siliziumeinkristall mit Phosphor zu dotieren, wobei eine Berechnung einer Zielneutronenfluenz zum Erhalten des vorbestimmten spezifischen Widerstands Folgendes beinhaltet:

Einstellen mehrerer unterschiedlicher Neutronenfluenzen für jeden Siliziumeinkristall und Bestrahlen des Siliziumeinkristalls mit Neutronen unter der spezifischen Bedingung;
Messen des spezifischen Widerstands mehrerer der dotierten Siliziumeinkristalle, die für jede Neutronenfluenz erhalten wurden;
dadurch vorläufiges Erhalten einer Kalibrierungskurve, die eine Beziehung zwischen der Neutronenfluenz und dem spezifischen Widerstand repräsentiert; basierend auf einer Vielzahl von Neutronenfluenzen und einer Vielzahl von spezifischen Widerständen, die bei jeder der Neutronenfluenzen gemessen wurden, wobei die Kalibrierungskurve eine Variation des spezifischen Widerstands bei der spezifischen Bedingung berücksichtigt, und

Bestimmen der Zielneutronenfluenz als die Neutronenfluenz, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve der vorbestimmte spezifische Widerstand ist.
[Effekt der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden mehrere unterschiedliche Neutronenfluenzen für jeden Siliziumeinkristall eingestellt, der mit Neutronen unter der spezifischen Bedingung bestrahlt wird, einschließlich eines individuellen Unterschieds einer Neutronenbestrahlungseinrichtung, wird der spezifische Widerstand mehrerer der dotiertem Siliziumeinkristalle gemessen, die für jede Neutronenfluenz erhalten werden, und wird die Kalibrierungskurve, die die Beziehung zwischen der Neutronenfluenz und dem spezifischen Widerstand repräsentiert, somit vorläufig erhalten. Dann wird, wenn die Zielneutronenfluenz zum Erhalten des vorbestimmten spezifischen Widerstands unter der spezifischen Bedingung berechnet ist, die Neutronenfluenz, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve der vorbestimmte spezifische Widerstand ist, als die Zielneutronenfluenz eingesetzt und daher wird die Variation der spezifischen Bedingung berücksichtigt, wenn die Neutronenfluenz erhalten wird. Infolgedessen kann ein neutronenbestrahlter Siliziumeinkristall mit einem genauen spezifischen Zielwiderstand erhalten werden.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]

1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Produktionseinrichtung zum Produzieren eines Siliziumeinkristalls veranschaulicht, die in dem Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für eine Neutronenbestrahlungseinrichtung veranschaulicht, die in dem Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist ein Graph, der durch Einstellen mehrerer unterschiedlicher Neutronenfluenzen für mehrere Siliziumeinkristallingots und Bestrahlen dieser mit Neutronen, Verarbeiten mehrerer der dotierten Siliziumeinkristalle, die für jede Neutronenfluenz erhalten werden, in Wafer und Messen des spezifischen Widerstands davon erhalten wird.
4 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Messens des spezifischen Widerstandes in der diametrischen Richtung von in 3 veranschaulichten Probenwafern veranschaulicht.
5 ist ein Graph, der den tatsächlichen spezifischen Widerstand von Zeitreihenmengen in Beispielen (rechte Hälfte) und Vergleichsbeispielen (linke Hälfte) veranschaulicht.

[Ausführungsweise(n) der Erfindung]
Nachfolgend werden eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Einrichtung zum Produzieren eines Siliziumeinkristalls veranschaulicht, auf den das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) angewandt wird. Diese Einrichtung wird in dem Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur auf einen Siliziumeinkristall angewandt werden, der durch das CZ-Verfahren produziert wird, sondern auch auf einen Siliziumeinkristall, der durch das Zonenschmelzverfahren (FZ(Floating Zone)-Verfahren) produziert wird. Die folgende Beschreibung erfolgt für ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf einen Siliziumeinkristall angewandt wird, der durch das CZ-Verfahren produziert wird. Eine Einrichtung 1 zum Produzieren eines Siliziumeinkristalls (auch einfach nachfolgend als „Produktionseinrichtung 1“ bezeichnet) gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine erste Kammer 11, die in einer zylindrischen Form gebildet ist, und eine zweite Kammer 12, die ebenfalls in einer zylindrischen Form gebildet ist. Die erste und zweite Kammer 11 und 12 sind auf eine luftdichte Weise miteinander verbunden.
Ein Quarztiegel 21 zum Aufnehmen einer Siliziumschmelze M und ein Graphittiegel 22 zum Schützen des Quarztiegels 21 werden durch eine Stützwelle 23 in der ersten Kammer 11 gestützt und ein Antriebsmechanismus 24 ermöglicht, dass sie sich drehen und aufwärts und abwärts bewegen. Außerdem sind ein kreisförmiges Heizelement 25 und eine Wärmeisolationstonne 26, die ebenfalls eine kreisförmige Form aufweist und aus einem Wärmeisolationsstoff gebildet ist, so angeordnet, dass sie den Quarztiegel 21 und den Graphittiegel 22 umgeben. Die abgestrahlte Wärme von dem kreisförmigen Heizelement 25 wird nicht nur zu dem Seitenteil übertragen, sondern auch zu dem unteren Teil des Graphittiegels 22, so dass der Seitenteil und der untere Teil des Quarztiegels 21 erwärmt werden. Wenn sich der Quarztiegel 21 und der Graphittiegel 22 in der abgesenkten Position befinden, wird berücksichtigt, dass die Menge an Wärme, die von dem Heizelement 25 zu den unteren Teilen des Quarztiegels 21 und Graphittiegels 22 übertragen wird, kleiner ist, als wenn sich die Tiegel 21 und 22 in der angehobenen Position befinden. Ein zusätzliches Heizelement kann unterhalb des Quarztiegels 21 hinzugefügt werden.
Ein zylindrisches Wärmeabschirmungselement 27 ist innerhalb der ersten Kammer 11 und oberhalb des Quarztiegels 21 bereitgestellt. Das Wärmeabschirmungselement 27 ist aus einem Material gebildet, das durch Füllen des Inneren einer äußeren Hülle erhalten wird, die aus einem hitzebeständigen Metall, wie etwa Molybdän oder Wolfram, Kohlenstoff oder Graphit, mit einem Kohlenstoffwärmeisolationsstoff gefertigt ist. Das Wärmeabschirmungselement 27 dient dazu, die Strahlung von der Siliziumschmelze M zu einem Siliziumeinkristall C zu blockieren und das Gas zu regeln, das in die erste Kammer 11 fließt. Das Wärmeabschirmungselement 27 ist an der Wärmeisolationstonne 26 unter Verwendung einer Halterung 28 angebracht. Bei einer Ausführungsform kann das untere Ende des Wärmeabschirmungselements 27 mit einem Wärmebarriereteil versehen sein, der der gesamten Oberfläche der Siliziumschmelze M zugewandt sein soll. Dies kann die Strahlung von der Oberfläche der Siliziumschmelze M abschneiden und eine Wärmebeibehaltung an der Oberfläche der Siliziumschmelze M fördern.
Die zweite Kammer 12, die mit dem oberen Teil der ersten Kammer 11 verbunden ist, ist eine Kammer, die einen gewachsenen Siliziumeinkristall C aufnimmt. Der Siliziumeinkristall C kann durch die zweite Kammer 12 entnommen werden. Der obere Teil der zweiten Kammer 12 ist mit einem Hochziehmechanismus 32 versehen, der den Siliziumeinkristall, während er gedreht wird, mit einem Draht 31 hochzieht. Ein Impfkristall S ist an einem Chuck an dem unteren Ende des Drahtes 31 angebracht, der vertikal von dem Hochziehmechanismus 32 aufgehängt ist. Ein inertes Gas, wie etwa Argongas, wird in die erste Kammer 11 von einem Gaseinlassanschluss 13 eingeführt, der an dem oberen Teil der ersten Kammer 11 bereitgestellt ist. Das inerte Gas durchquert einen Raum zwischen dem Siliziumeinkristall C, der hochgezogen wird, und dem Wärmeabschirmungselement 27, durchläuft dann einen Raum zwischen dem unteren Ende des Wärmeabschirmungselements 27 und der Schmelzoberfläche der Siliziumschmelze M, steigt weiter zu dem oberen Ende des Quarztiegels 21 auf und wird schließlich von einem Gasauslassanschluss 14 ausgegeben.
Eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung 41 ist außerhalb der ersten Kammer 11 (die aus einem nichtmagnetischen Abschirmungsmaterial gebildet ist) angeordnet, so dass sie die erste Kammer 11 umgibt. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 41 dient dazu, ein Magnetfeld an die Schmelze M in dem Quarztiegel 21 anzulegen. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 41, die so konfiguriert ist, dass sie eine oder mehrere elektromagnetische Spulen beinhaltet, erzeugt ein horizontales Magnetfeld zu dem Quarztiegel 21 hin. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 41 kann die thermische Konvektion der Schmelze M in dem Quarztiegel 21 steuern, wodurch ermöglicht wird, dass die Fremdstoffverteilung in einem Wafer gleichförmig ist. Dieser Effekt ist signifikant, insbesondere wenn ein Siliziumeinkristall mit einem großen Durchmesser produziert wird. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfeldes oder eines Magnetfeldes mit Scheitelpunkt nach Bedarf verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 41 weggelassen werden, wenn sie nicht notwendig ist.
Wenn die Produktionseinrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, um einen Siliziumeinkristall durch das CZ-Verfahren zu wachsen, wird die Siliziumschmelze M zuerst vorbereitet, indem der Quarztiegel 21 mit einem Siliziumrohmaterial gefüllt wird, das aus polykristallinem Silizium und, falls notwendig, einem Dotierungsstoff besteht, und das Heizelement 25 eingeschaltet wird, um das Siliziumrohmaterial in dem Quarztiegel 21 zu schmelzen. Anschließend wird die Temperatur der Siliziumschmelze M auf eine Hochziehstarttemperatur angepasst, während die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 41 eingeschaltet ist, um zu beginnen, ein horizontales Magnetfeld an den Quarztiegel 21 anzulegen. Nachdem die Temperatur der Siliziumschmelze M und die Magnetfeldstärke stabilisiert sind, wird der Quarztiegel 21 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch den Antriebsmechanismus 24 gedreht, während das inerte Gas von dem Gaseinlassanschluss 13 eingeführt und über den Gasauslassanschluss 14 ausgegeben wird, und wird der an dem Draht 31 angebrachte Impfkristall S in die Siliziumschmelze M eingetaucht. Dann wird, nachdem der Draht 31 langsam hochgezogen wurde, während er auch mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht wurde, um einen Halsteil des Siliziumeinkristalls C zu bilden, der Durchmesser von diesem auf einen gewünschten Durchmesser erhöht. Der Siliziumeinkristall C wird dementsprechend so gewachsen, dass er einen geraden Körperteil einer näherungsweise zylindrischen Form aufweist.
Die heiße Zone verweist auf ein Gebiet, das aufgrund der Wärme von dem Heizelement 25 während des Wachstums eines Einkristalls auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Bedingungen für eine heiße Zone werden durch das Material, die Form und die Anordnung der ersten Kammer 11, des Quarztiegels 21, des Graphittiegels 22, der Stützwelle 23, des Heizelements 25, der Wärmeisolationstonne 26, des Wärmeabschirmungselements 27, der Siliziumschmelze M, des Siliziumeinkristalls C und dergleichen oder verschiedene thermische Charakteristiken, die ihnen zuschreibbar sind, beeinflusst. Um die Variation in der Schmelzoberfläche zu unterdrücken, wird die Höhe in der vertikalen Richtung der Schmelzoberfläche der Schmelze M so durch den Antriebsmechanismus 24 während des Hochziehens des Siliziumeinkristalls C gesteuert, dass sie konstant ist. Diese Steuerung durch den Antriebsmechanismus 24 wird zum Beispiel basierend auf Informationselementen, wie etwa der Position des Quarztiegels 21, der Position der Schmelzoberfläche der Siliziumschmelze M, die durch eine CCD-Kamera oder dergleichen gemessen wird, der Hochziehlänge des Siliziumeinkristalls C, der Temperatur in der ersten Kammer 11, der Oberflächentemperatur der Siliziumschmelze M, der Flussrate des inerten Gases und der Anzahl an Umdrehungen pro Zeiteinheit des Quarztiegels 21, ausgeführt. Dementsprechend wird die vertikale Position des Quarztiegels 21 durch den Antriebsmechanismus 24 bewegt.
Eine der Bedingungen für die heiße Zone ist ein Spalt H in der Höhenrichtung zwischen dem unteren Ende des Wärmeabschirmungselements 27 und der Schmelzoberfläche in dem Quarztiegel 21. Dieser Spalt H wird auf einen vorbestimmten Wert gemäß dem Zieldurchmesser eines zu produzierenden Siliziumeinkristalls, der Zielsauerstoffkonzentration und anderen Produktspezifikationen eingestellt. Der Antriebsmechanismus 24 für den Quarztiegel 21, der Hochziehmechanismus 32 für den Draht 31, die Heizleistung des Heizelements 25 und andere Produktionsbedingungen werden automatisch gesteuert, so dass der Spalt H den vorbestimmten Wert während des Hochziehvorgangs beibehält. Außerdem wird der Zieldurchmesser des Siliziumeinkristalls gemäß dem Durchmesser von Siliziumwafern eingestellt und der Durchmesser des Kristalls C, der tatsächlich hochgezogen werden soll, wird optisch detektiert und wird zu der Hochziehgeschwindigkeit und anderen Bedingungen rückgekoppelt.
Der Siliziumeinkristall C, der hochgezogen wurde, wird aus der zweiten Kammer 12 entnommen, der obere Teil und der Endteil werden abgeschnitten und lediglich der mittlere Teil mit einem vorbestimmten Durchmesser wird zu einem Neutronenbestrahlungsschritt gebracht. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Siliziumeinkristall C zu dem Neutronenbestrahlungsschritt gebracht werden, ohne den oberen Teil und den Endteil abzuschneiden.
In dem Neutronenbestrahlungsschritt wird der Siliziumeinkristallingot unter Verwendung einer Neutronenbestrahlungseinrichtung mit Neutronen bestrahlt. In dem Fall einer Neutronenbestrahlungseinrichtung, bei der die Bestrahlungsrichtung des thermischen Neutronenflusses fest ist, wird die Bestrahlung durchgeführt, während sich der Siliziumeinkristallingot mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht. 2 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für eine Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 veranschaulicht. Die in der Figur veranschaulichte Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 umfasst einen Kern 51, der thermische Neutronenflüsse 52 erzeugt und kollimiert, und ein Ingotlager 53, das mit Neutronen zu bestrahlende Ingots I in festen Positionen hält. Das Ingotlager 53 ist so konfiguriert, dass es bei niedriger Geschwindigkeit drehbar ist, wodurch die Ingots I auch mit der konstanten Geschwindigkeit gedreht werden. Der Neutronenbestrahlungsschritt der vorliegenden Ausführungsform setzt ein Verfahren des Dotierens der Siliziumeinkristallingots mit Phosphor unter Verwendung eines Neutronentransmutationsdotierung(NTD)-Verfahrens ein und dieses Verfahren wird verwendet, um Siliziumeinkristallingots für n-Typ-Halbleiter zu erhalten.
Wenn ein Siliziumeinkristall mit Neutronen bestrahlt wird, durchläuft ³⁰Si, das in dem Silizium vorhanden ist (²⁸Si (=92,21%), ²⁹Si (=4,70%) und ³⁰Si (=3,09%) existieren als Isotopenelemente von Silizium Si), die Neutronenbestrahlung und findet dadurch eine (n, γ)-Reaktion mit thermischen Neutronen, die eine geringe Energie aufweisen, statt, so dass ³¹Si erzeugt wird. Nach einer Halbwertszeit von 2,6 Stunden mit einem β-Zerfall ist das ³¹Si in ein stabiles Isotop ³¹P transmutiert. Das Neutronentransmutationsdotierung(NTD)-Verfahren ist ein Verfahren, das diese Reaktion nutzt, um das Silizium einheitlich mit Phosphor P zu dotieren. Dieses NTD-Verfahren ist insofern vorteilhaft, dass die Verteilung von Phosphor in dem Siliziumeinkristall eine Gleichmäßigkeit aufzeigt, die durch ein herkömmliches Verfahren des Dotierens mit einem Fremdstoffelement (wie etwa Ionenimplantation) nicht erhalten werden kann, und die Konzentration von dotiertem Phosphor kann mit einem hohen Genauigkeitsgrad durch Steuern der Neutronenbestrahlungszeit erzielt werden.
Hier wird unter der Voraussetzung, dass der thermische Neutronenfluss von der Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 φ_th (n/cm²· s) ist und die Bestrahlungszeit von Neutronen t (s) ist, der folgende Vergleichsausdruck (1) hergeleitet, wenn ein n-Typ-Siliziumeinkristall, dessen spezifischer Widerstand nach der Neutronenbestrahlung R2 (Ωcm) ist, aus einem p-Typ-Siliziumeinkristall gefertigt wird, dessen spezifischer Widerstand vor der Neutronenbestrahlung R1 (Ωcm) ist.
[Vergleichsausdruck 1] $(1,3 \times 10^{16} /R 1) + (5 \times 10^{15} /R 2) = 1,7 \times 10^{- 4} \times φ_{th} \times t$
Andererseits wird, wenn ein n-Typ-Siliziumeinkristall, dessen spezifischer Widerstand nach der Neutronenbestrahlung R2 (Ωcm) ist, aus einem n-Typ-Siliziumeinkristall gefertigt wird, dessen spezifischer Widerstand vor der Neutronenbestrahlung R1 (Ωcm) ist, der folgende Vergleichsausdruck (2) hergeleitet.
[Vergleichsausdruck 2] $- (5 \times 10^{15} /R 1) + (5 \times 10^{15} /R 2) = 1,7 \times 10^{- 4} \times φ_{th} \times t$
Der eingestellte Wert einer Neutronenfluenz (φ_th×t) n/cm² wird in dem Neutronenbestrahlungsschritt in die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 eingegeben.
Nuklearreaktoren, die zur Neutronenbestrahlung verwendet werden, beinhalten Leichtwasserreaktoren und Schwerwasserreaktoren. Die Schwerwasserreaktoren verwenden ein Rohmaterial aus natürlichem Uran, in dem das Nuklid Uran 238 (²³⁸U) ist, das eine geringe Emissionsrate von schnellen Neutronen während der Kernspaltung aufweist, weil die Absorption von Neutronen gering ist, im Gegensatz zu Leichtwasserreaktoren, die ein Rohmaterial verwenden, das durch Anreichern von Uran 235 (²³⁵U) erhalten wird, das eine große Menge an schnellen Neutronen während der Kernspaltung emittiert. Schnelle Neutronen weisen eine große Energie auf und ein großer Anteil an Neutronen mit hoher Geschwindigkeit erhöht den Bestrahlungsschaden der Kristalle. Die Kristalldefekte und der spezifische Widerstand können daher in den Schwerwasserreaktoren, in denen der Anteil an schnellen Neutronen in den Reaktoren gering ist, leicht behoben bzw. wiederhergestellt werden und der Schaden an dem Siliziumeinkristall kann im Vergleich zu den Leichtwasserreaktoren reduziert werden. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, einen Schwerwasserreaktor als den Nuklearreaktor auszuwählen, der die Siliziumeinkristallingots mit Neutronen bestrahlt.
Wie oben beschrieben, kann die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 einschließlich eines Nuklearreaktors von dem Gesichtspunkt des Sicherstellens der Sicherheit und dergleichen nicht einfach gekauft oder selbst hergestellt werden, im Gegensatz zu der Siliziumeinkristallproduktionseinrichtung 1, wie in 1 veranschaulicht. Die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 gehört dementsprechend einer beschränkten Organisation oder Gesellschaft. Außerdem wird die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 nicht nur zum Bestrahlen von Siliziumeinkristallen mit Neutronen verwendet, sondern auch für verschiedene Anwendungen. Die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 involviert daher eine spezielle individuelle Differenz (Variation) bei der Herstellung. Zum Beispiel existieren die Variation des thermischen Neutronenflusses, der von der Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 emittiert wird, die Anzahl und die festgelegte Form der Ingots I, die in die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 gestellt werden, die Zustandsvariation, die spezifisch für die Einrichtung ist, und dergleichen als individuelle Differenzen bei der Herstellung, die spezifisch für die Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 sind. Dementsprechend treten, selbst wenn der spezifische Widerstand R1 vor der Neutronenbestrahlung und der spezifische Zielwiderstand R2 nach der Neutronenbestrahlung in den oben beschriebenen Vergleichsausdruck (1) oder (2) eingesetzt werden, um den Wert von φ_th×t zu erhalten, und dieser Wert in die Neutronenbestrahlungseinrichtung eingegeben wird, Variationen des spezifischen Widerstands aufgrund der individuellen Differenz bei der Herstellung spezifisch für die Einrichtung auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet eine Berechnung der Zielneutronenfluenz φ_th×t zum Erhalten des vorbestimmten spezifischen Widerstands R2 Einstellen mehrerer unterschiedlicher Neutronenfluenzen φ_th×t für jeden Siliziumeinkristall und Bestrahlen des Siliziumeinkristalls mit Neutronen unter spezifischen Bedingungen für eine gegebene Neutronenbestrahlungseinrichtung 5 oder dergleichen, Messen des spezifischen Widerstands von mehreren der dotierten Siliziumeinkristalle, die für jede Neutronenfluenz erhalten werden, und dementsprechend vorläufiges Erhalten einer Kalibrierungskurve, die eine Beziehung zwischen der Neutronenfluenz φ_th×t und dem spezifischen Widerstand R2 repräsentiert. Dann wird, wenn ein Siliziumeinkristallingot, der ein tatsächliches Produkt sein soll, mit Neutronen bestrahlt wird, die Zielneutronenfluenz als ein Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bestimmt, der die Neutronenfluenz beinhaltet, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve, die vorläufig für jeden speziellen Zustand erhalten wurde, der vorbestimmte spezifische Widerstand ist.
Tabelle 1 wird durch Produzieren mehrerer Siliziumeinkristallingots I für Wafer mit einem Durchmesser von 200 mm (die Anzahl an Proben in der untersten Spalte: n=386) unter Verwendung einer Produktionseinrichtung 1 für Siliziumeinkristalle, wie in 1 veranschaulicht, auf die das CZ-Verfahren angewandt wird, Einstellen mehrerer unterschiedlicher Neutronenfluenzen φ_th×t (fünf Korrekturkoeffizienten bei diesem Beispiel) für die mehreren Siliziumeinkristallingots I mit einem spezifischen Zielwiderstand von 51 Ωcm und Bestrahlen dieser mit Neutronen, Verarbeiten mehrerer der dotierten Siliziumeinkristalle, die für jede Neutronenfluenz erhalten wurden, zu Wafern, Messen des spezifischen Widerstands R2 bei fünf Punkten in der diametrischen Richtung jedes Wafers und Berechnen des Durchschnittswertes des tatsächlichen spezifischen Widerstands erhalten. Die „Genauigkeit“ in der Tabelle verweist auf einen Auswertungswert, der durch ((Spezifischer Zielwiderstand - Durchschnitt des tatsächlichen spezifischen Widerstands)/spezifischer Zielwiderstand) definiert wird. Wenn der Absolutwert des Wertes der Genauigkeit nahe bei Null ist, nähert sich der Durchschnitt des tatsächlichen spezifischen Widerstands dem spezifischen Zielwiderstand an. 3 ist ein Graph, der durch Auftragen der gemessenen Werte, die in der obigen Tabelle 1 aufgelistet sind, mit der horizontalen Achse von mehreren Neutronenfluenzen φ_th×t (fünf Korrekturkoeffizienten bei diesem Beispiel) und der vertikalen Achse als der tatsächliche spezifische Widerstand erhalten wird. Die in 3 veranschaulichte gerade Linie ist eine approximierte gerade Linie des tatsächlichen spezifischen Widerstands, die durch das Verfahren der kleinsten Quadrate für die fünf Korrekturkoeffizienten erhalten wird, was die Kalibrierungskurve der vorliegenden Ausführungsform ist. Der Korrekturkoeffizient ist als ein Koeffizient α definiert, der mit dem Ausdruck der Neutronenfluenz in dem obigen [Vergleichsausdruck 1] und [Vergleichsausdruck 2] zu multiplizieren ist, und diese Ausdrücke werden unter Berücksichtigung des Korrekturkoeffizienten α wie folgt modifiziert.
[Vergleichsausdruck 1] $(1,3 \times 10^{16} /R 1) + (5 \times 10^{15} /R 2) = 1,7 \times 10^{- 4} \times α (φ_{th} \times t)$

[Vergleichsausdruck 2] $- (5 \times 10^{15} /R 1) + (5 \times 10^{15} /R 2) = 1,7 \times 10^{- 4} \times α (φ_{th} \times t)$

Wenn der Siliziumeinkristallingot I, der ein tatsächliches Produkt sein soll, mit Neutronen bestrahlt wird, wird die Zielneutronenfluenz als ein Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bestimmt, der die Neutronenfluenz beinhaltet, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve, die vorläufig für jeden speziellen Zustand (z. B. für jede Neutronenbestrahlungseinrichtung 5) erhalten wurde, der vorbestimmte spezifische Widerstand, zum Beispiel 50 Dem, ist. Hier wird, wenn die Neutronenfluenz, bei der der spezifische Zielwiderstand zu 50 Ωcm wird, aus der in 3 veranschaulichten Kalibrierungskurve erhalten wird, der Korrekturkoeffizient auch als x=0,9884 erhalten. Es wird daher am meisten bevorzugt, die zuvor eingestellte Neutronenfluenz mit dem Korrekturkoeffizienten zu multiplizieren, weil in diesem Fall die vorliegende Zielneutronenfluenz erhalten werden kann. Jedoch involviert der tatsächliche spezifische Widerstand, wie in Tabelle 1 aufgelistet und in 3 veranschaulicht, auch einen gewissen Grad einer Variation, sodass der Korrekturkoeffizient nicht auf den genauen Punkt von x=0,9884 beschränkt ist und auf einen Wert wenigstens oberhalb eines angrenzenden Korrekturkoeffizienten von x=0,9800 eingestellt werden kann. Dies kann so verallgemeinert werden, dass, wenn die Neutronenfluenz in Intervallen von 0,01 mit dem Korrekturkoeffizienten verschieden gemacht wird, ein Wert innerhalb eines Bereichs von ±0,01 für den Korrekturkoeffizienten eingestellt werden kann. Bei dem obigen Beispiel entspricht der Korrekturkoeffizient von x=0,9884±0,01 dem „Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, der die Neutronenfluenz beinhaltet, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve, die vorläufig für jede spezifische Bedingung erhalten wurde, der vorbestimmte spezifische Widerstand ist“.
[Tabelle 1] Tabelle 1

Korrekturkoeffizient für die Neutronenfluenz	0,95	0,96	0,97	0,98	0,99
Standardabweichung	0,40	0,51	1,02	0,84	0,91
Genauigkeit	-5,27	-3,50	-2,80	-1,69	0,60
Anzahl an Proben n	22	6	114	154	90

4 veranschaulicht die Ergebnisse des Messens des spezifischen Widerstandes R2 in der diametrischen Richtung der in Tabelle 1 aufgelisteten und in 3 veranschaulichten Probenwafer. Die horizontale Achse repräsentiert die Position in der diametrischen Richtung mit dem Waferzentrum von 0 mm und die vertikale Achse repräsentiert den spezifischen Widerstand bei jeder Position.
Wie 4 veranschaulicht, zeigt der spezifische Widerstand R2 nach der Neutronenbestrahlung eine ebeneninterne Verteilung auf, bei der der spezifische Widerstand bei dem äußeren Umfang niedrig ist und bei dem zentralen Teil aufgrund der Selbstabschwächung des Kristalls hoch ist. Entsprechend kann, falls die Zielneutronenfluenz (oder der Korrekturkoeffizient für den vorherigen eingestellten Wert) unter Verwendung von lediglich dem spezifischen Widerstand bei dem zentralen Teil des Kristalls eingestellt wird, die Zielneutronenfluenz in dem äußeren Umfangsgebiet des Kristalls, in dem der spezifische Widerstand niedrig ist, niedriger als die untere Grenze von Spezifikationen sein. Es wird daher bevorzugt, fünf oder mehr Stellen auf der diametrischen Linie in einer Waferebene zu messen. Es wird auch bevorzugt, die Zielneutronenfluenz oder den Korrekturkoeffizienten so einzustellen, dass, wenn der minimale Wert Rmin und der maximale Wert Rmax ist, der spezifische Zielwiderstand Folgendes erfüllt: (Rmax+Rmin)/2 mehrerer Wafer (vorzugsweise 5 oder mehr Wafer) ≤ spezifischer Zielwiderstand < Rmax mehrerer Wafer (bevorzugt 5 oder mehr Wafer). Mit anderen Worten wird der spezifische Zielwiderstand bevorzugt innerhalb eines Bereichs von dem Mittelpunkt zwischen dem minimalen Wert Rmin und dem maximalen Wert Rmax des spezifischen Widerstands zu dem maximalen Wert Rmax eingestellt.
Die rechte Hälfte von 5 ist ein Graph, der den tatsächlichen spezifischen Widerstand (◯: Rmax, × : Rmin) bei Beispielen veranschaulicht, bei denen die oben beschriebene Kalibrierungskurve erhalten wird und dann die Zielneutronenfluenz (hier der Korrekturkoeffizient) geändert wird und in jedem Fall auf einen optimalen Wert basierend auf der Kalibrierungskurve eingestellt wird, wobei die horizontale Achse die Zeitreihenmengen repräsentiert und die vertikale Achse den spezifischen Widerstand und den Korrekturkoeffizienten repräsentiert. Andererseits ist die linke Hälfte von 5 ein Graph, der den tatsächlichen spezifischen Widerstand (◯: Rmax, × : Rmin) bei Vergleichsbeispielen veranschaulicht, bei denen der Korrekturkoeffizient für die nächste Neutronenfluenz basierend auf nur dem Ergebnis des tatsächlichen spezifischen Widerstands lediglich für die vorherige Neutronenfluenz, ohne die oben beschriebene Kalibrierungskurve zu erhalten, eingestellt wird. Die horizontale Achse repräsentiert die Zeitreihenmengen und die vertikale Achse repräsentiert den spezifischen Widerstand und den Korrekturkoeffizienten.
Bei den Vergleichsbeispielen auf der linken Hälfte von 5 wird der Ausdruck der Neutronenfluenz (φ_th×t) mit dem Korrekturkoeffizienten α multipliziert, sodass der Absolutwert der Genauigkeit des spezifischen Widerstands unter Verwendung des tatsächlichen spezifischen Widerstands zur Zeit der Bestrahlung mit der vorherigen Neutronenfluenz und des spezifischen Zielwiderstands minimiert wird. Wenn ein solches Verfahren verwendet wird, wird das Ergebnis jedoch durch die Variation der Neutronenfluenz einschließlich der temporären Variation des Neutronenflusses beeinflusst. Wie bei den Vergleichsbeispielen auf der linken Hälfte von 5 veranschaulicht, wird, selbst wenn der Korrekturkoeffizient häufig am Anfang der Zeitreihen geändert wird, die Variation des spezifischen Widerstands danach nicht reduziert. Im Gegensatz dazu wird der Korrekturkoeffizient bei den Beispielen auf der rechten Hälfte von 5 basierend auf der Kalibrierungskurve geändert und wird die Variation des spezifischen Widerstands nach der Änderung dementsprechend reduziert.
[Beschreibung von Bezugsziffern]

1: Produktionseinrichtung für einen Siliziumeinkristall
11: Erste Kammer
12: Zweite Kammer
13: Gaseinlassanschluss
14: Gasauslassanschluss
21: Quarztiegel
22: Graphittiegel
23: Stützwelle
24: Antriebsmechanismus
25: Heizelement
26: Wärmeisolationstonne
27: Wärmeabschirmungselement
28: Halterung
31: Draht
32: Hochziehmechanismus
41: Magnetfelderzeugungsvorrichtung
M: Siliziumschmelze
C: Siliziumeinkristall
S: Impfkristall
5: Neutronenbestrahlungseinrichtung
51: Kern
52: Thermischer Neutronenfluss
53: Ingotlager
I: Ingot aus Siliziumeinkristall

Claims

Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls mit einem vorbestimmten spezifischen Widerstand, wobei das Verfahren Bestrahlen eines Ingots aus einem gewachsenen Siliziumeinkristall mit Neutronen unter einer spezifischen Bedingung umfasst, um den Siliziumeinkristall mit Phosphor zu dotieren, wobei eine Berechnung einer Zielneutronenfluenz zum Erhalten des vorbestimmten spezifischen Widerstands Folgendes beinhaltet: Einstellen mehrerer unterschiedlicher Neutronenfluenzen für jeden Siliziumeinkristall und Bestrahlen des Siliziumeinkristalls mit Neutronen unter der spezifischen Bedingung; Messen des spezifischen Widerstands mehrerer der dotierten Siliziumeinkristalle, die für jede Neutronenfluenz erhalten wurden; dadurch vorläufiges Erhalten einer Kalibrierungskurve, die eine Beziehung zwischen der Neutronenfluenz und dem spezifischen Widerstand repräsentiert; basierend auf einer Vielzahl von Neutronenfluenzen und einer Vielzahl von spezifischen Widerständen, die bei jeder der Neutronenfluenzen gemessen wurden, wobei die Kalibrierungskurve eine Variation des spezifischen Widerstands bei der spezifischen Bedingung berücksichtigt, und Bestimmen der Zielneutronenfluenz als einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, der die Neutronenfluenz beinhaltet, bei der der spezifische Widerstand durch die Kalibrierungskurve der vorbestimmte spezifische Widerstand ist.
Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls nach Anspruch 1, wobei das Messen des spezifischen Widerstands Messen von fünf oder mehr Stellen auf einer diametrischen Linie in einer Waferoberfläche beinhaltet.
Verfahren zum Produzieren eines neutronenbestrahlten Siliziumeinkristalls nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn ein minimaler Wert und ein maximaler Wert des gemessenen spezifischen Widerstands Rmin bzw. Rmax sind, die Zielneutronenfluenz Rt so eingestellt wird, dass Folgendes erfüllt wird: (Rmin + Rmax)/2 ≤ der vorgegebene Widerstand ≤ Rmax.