DE112018001044T5

DE112018001044T5 - Verfahren zum Herstellen von Silizium-Einkristallbarren, und Silizium-Einkristall-Barren

Info

Publication number: DE112018001044T5
Application number: DE112018001044.9T
Authority: DE
Inventors: Masataka Hourai; Wataru Sugimura; Toshiaki Ono; Toshiyuki Fujiwara
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-11-28
Also published as: US11078595B2; KR102253579B1; US20190352796A1; JPWO2018159108A1; CN110536980B; KR20190109489A; WO2018159108A1; CN110536980A; JP6699797B2

Abstract

Es wird ein Verfahren der Herstellung eines Hochwiderstandsn-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens mit kleiner Toleranzspannweite bei dem Widerstand in Kristallwachstumsrichtung bereitgestellt, der in einer Leistungsvorrichtung geeigneter Weise verwendet wird. Beim Verfahren der Herstellung eines Silizium-Einkristall-Barrens unter Verwendung von Sb oder As als einen n-Typ-Dotierstoff während ein Silizium-Einkristall-Barren 1 ausgezogen wird, wird die Menge des aus einer Siliziumschmelze 10 pro Einheitsverfestigungsverhältnis verdampften n-Typ-Dotierstoffes innerhalb eines Zielverdampfungsmengenbereichs pro Einheitsverfestigungsverhältnis gehalten, durch Steuern einer oder mehrerer Ziehbedingungswerte einschließlich des Drucks in einer Kammer 30, des Flussvolumens von Ar-Gas oder/und eines Spalts G zwischen dem Führungsbereich 70 und der Siliziumschmelze 10

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Barrens und einen Silizium-Einkristall-Barren. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines n-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens unter Verwendung von Sb (Antimon) oder As (Arsen) als einen n-Typ Dotierstoff, welcher Barren geeigneter Weise verwendet wird, um einen n-Typ-Silizium-Wafer für isolierte Gatter-Bipolar-Transisistoren (IGBTs) herzustellen, und einen durch dieses Verfahren hergestellten Silizium-Einkristall-Barren.
HINTERGRUND
Ein Silizium-Wafer, der als ein Substrat einer Halbleitervorrichtung verwendet wird, wird durch Schneiden eines Silizium-Einkristall-Barrens in dünne Scheiben und Unterwerfen der Scheiben einem Oberflächenpolier- (Lappen) Schritt, einem Etsch-Schritt und einem Spiegelpolier-(polier) Schritt, gefolgt von einem Endwaschen, unterworfen. Ein Silizium-Ein-Kristall mit einem großen Durchmesser von 300 mm oder mehr wird typischer Weise durch den Czochralski- (CZ) Prozess hergestellt. Ein Silizium-Einkristall-Schmelzofen, der den CZ-Prozess verwendet, wird auch ein CZ-Schmelzofen genannt.
Von Halbleitervorrichtungen sind isolierte Gatter BipolarTransistoren (IGBTs), die ein Typ von Leistungsvorrichtung sind, gatterspannungsgetriebene Schaltvorrichtungen, die für Hochleistungssteuerung geeignet sind, und sie finden Verwendung in elektrischen Zügen, der Stromversorgung, fahrzeugmontierten Anwendungen etc. In Leistungsvorrichtungsanwendungen, wie etwa IGBTs, werden n-Typ-Silizium-Wafer unter den aktuellen Umständen verwendet, die durch in Scheiben schneiden eines n-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens mit einem Durchmesser von 200 mm, der mit P (Phosphor) dotiert ist, welcher durch den Fließzonenschmelz- (FZ, floating zone) Prozess und den MCZ-Magnetfeld angewendeter Czochralski) Prozess hergestellt wird.
Hier wird für den durch den FZ-Prozess wachsen gelassenen Silizium-Einkristall-Barren eine Siliziumschmelze, die als ein Silizium-Rohmaterial dient, kontinuierlich zugeführt. Weiter, im Falle der Verwendung des gasdotierten FZ-Prozesses wird auch ein Dotierstoffgas kontinuierlich und qualitativ geblasen und zugeführt in die Umgebung eines Schmelz-Halters. In beiden Fällen kann ein gleichförmiger Widerstand (Resistivität) über fast den gesamten geraden Stamm des Barrens erhalten werden. Entsprechend kann fast der gesamte gerade Stamm eines Silizium-Einkristall-Barrens, der durch den FZ-Prozess wachsen gelassen wird, wie in 1 illustriert, als ein Produkt verwendet werden. Jedoch, da der FZ-Kristall-Wachstumsprozess eine sehr schwierige Technik ist und der typischste Durchmesser von Silizium-Einkristall-Barren, die stabil durch den FZ-Prozess hergestellt werden können, 150 mm gewesen ist, und er ist erst jüngst durch einen Durchmesser von 200 mm ersetzt worden. Insbesondere wird das Herstellen von Silizium-Einkristall-Barren mit einem großen Durchmesser von 300 mm durch den FZ-Prozess als sehr schwierig angesehen.
Andererseits wird typischer Weise P als ein Dotierstoff in der Praxis bei n-Typ-Silizium-Einkristall-Barren für Leistungsvorrichtungen bei Verwendung des CZ-Prozesses oder des MCZ-Prozesses verwendet. Die Ausbeute an aus einem solchen mit P dotiertem Silizium-Einkristall-Barren erhaltenen n-Typ-Silizium-Wafern, die den Spezifikationen genügen, einschließlich beispielsweise eines Widerstands von 50 [Ω·cm] ± 10%, ist ungefähr maximal 10% unter den aktuellen Umständen (siehe in 1). Dies liegt daran, dass, da P einen Segregations-Koeffizienten von weniger als 1 aufweist, die P-Konzentration (n-Typ-Dotierkonzentration) in der Schmelze mit Fortschreiten des Ziehens des Silizium-Ein-Kristalles steigt und der Widerstand graduell sinkt. Da P einen Segregations-Koeffizienten von 0,35 aufweist, was signifikant höher als der Segregations-Koeffizient von B (Bor) von 0,8 ist, im Falle des Wachsenlassens eines Kristalls mit einem Widerstand im Zielbereich über die gesamte Kristalllänge, würde die Ausbeute von n-Typ-Silizium-Einkristall-Barren niedriger als die Ausbeute von P-Typ-Silizium-Einkristall-Barren sein. Daher sind Techniken zum Verbessern der Ausbeute von n-Typ-Silizium-Einkristall-Barren sorgfältig studiert worden.
Aus diesen Studien ist vorgeschlagen worden, dass Sb (Antimon) oder As (Arsen) deren Verdampfungsrate (Atom pro Sekunde) signifikant höher als diejenige von P ist, als ein n-Typ-Dotierstoff verwendet wird, obwohl sein Segregations-Koeffizient noch kleiner als der von P ist. Toleranzspannbreite von Durchschnittswiderstand eines Silizium-Einkristall-Barrens kann reduziert werden, indem der Druck innerhalb einer Kammer eines CZ-Schmelzofens gesenkt wird, um die Verdampfung des n-Typ-Dotierstoffes zu beschleunigen und dadurch die Segregation des n-Typ-Dotierstoffes zu kompensieren.
Andererseits schlagen wir ein Verfahren der Herstellung eines Silizium-Wafers für Vertikalsiliziumvorrichtungen durch Ausziehen eines Silizium-Einkristalls durch den Czochralski-Prozess gemäß PTL 1 aus einer Siliziumschmelze vor, der Sb (Antimon) oder As (Arsen) als flüchtiger Dotierstoff hinzugefügt wird, in welchem Verfahren das Flussvolumen von Ar-Gas, das längs der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, mit dem Prozess des Ziehens des Silizium-Ein-Kristalles steigt.
Wie in PTL 1 beschrieben, da die Oberfläche der Schmelze eine hohe Konzentration an Gas aufweist, die den flüchtigen Dotierstoff enthält, der verdampft worden ist, hängt die Verdampfungsrate des flüchtigen Dotierstoffes in der Siliziumschmelze nicht nur vom Druck innerhalb der Kammer des CZ-Schmelzofens ab, sondern auch stark vom Flussvolumen des Ar-Gases. Entsprechend wird die Verdampfungsrate des flüchtigen Dotierstoffes durch Steuern des Flussvolumens des Ar-Gases, das auf der Schmelzoberfläche fließt, durch die in PTL 1 beschriebene Technik gesteuert, so dass Segregation des Dotierstoffs kompensiert werden kann.
ZITATELISTE
Patentliteratur
PTL 1: JP 2010-059032 A
ZUSAMMENFASSUNG
Technisches Problem
Die zulässige Widerstandstoleranz-Spannbreite in einem Silizium-Wafer für Leistungsvorrichtungen wie etwa IGBTs ist signifikant klein und ist konventioneller Weise ±10% in Bezug auf den Durchschnittswiderstand gewesen. In den letzten Jahren ist jedoch verlangt worden, dass die Toleranzspannbreite ungefähr ±8% ist und eine gewünschte Toleranzspannbreite wird in der Zukunft in einem Bereich von ±7% oder weniger liegen. Obwohl es die in PTL1 beschriebene Technik ermöglicht, die Verdampfungsrate eines n-Typ-Dotierstoffes im gewissen Maße zu kontrollieren, gibt es Raum für Verbesserung beim Erzielen der Toleranzspannbreite, die in der Zukunft erforderlich ist, bei einer hohen Ausbeute in der Kristallwachstumsrichtung.
Es könnte daher hilfreich sein, ein Verfahren des Herstellens eines Hochwiderstand-n-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens mit kleiner Toleranzspannbreite bei Durchschnittswiderstand bereitzustellen, der in einer Leistungsvorrichtung geeignet verwendet wird.
Problemlösung
Wir unternahmen sorgfältige Studien um die obige Aufgabe zu lösen. In dieser Spezifikation werden Sb und As nachfolgend gemeinsam einfach als „n-Typ-Dotierstoffe“ bezeichnet. Die Relation zwischen der Konzentration eines n-Typ-Dotierstoffs in der Siliziumschmelze und der Verdampfungsrate (Verdampfungsmenge) wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
2 stellt einen Hauptteil eines typischen CZ-Schmelzofens dar und illustriert einen Zustand, bei dem eine Siliziumschmelze 10 in einem Quarztiegel 21 gelagert ist und ein Silizium-Einkristall-Barren 1 ausgezogen wird, während er durch einen Heizer 90 erhitzt wird. In 2 weist der Quarztiegel 21 eine duale Struktur auf, in welcher der Quarztiegel durch einen Kohlenstofftiegel 22 gehalten wird. Während der Silizium-Einkristall-Barren 1 ausgezogen wird, wird ein n-Typ-Dotierstoff in einer Menge von dC_s(f_s) pro Einheitsverfestigungsverhältnis hinzugefügt, wird der Dotierstoff in der Siliziumschmelze 10 durch eine Menge von dC_L(f_s) pro Einheitsverfestigungsverhältnis gelassen. Weiter verdampft der Dotierstoff aus der Siliziumschmelze 10 um eine Menge von dC_v pro Einheitszeit. Es ist anzumerken, dass hierin „Verfestigungsverhältnis“ ein Verhältnis der Masse des ausgezogenen Silizium-Einkristall-Barren 1 im Verhältnis zur Einsatzstoffmasse (d. h. der Masse der Siliziumschmelze 10 vor Ausziehen des Barrens) bedeutet.
Wir erwogen das Steuern, um die n-Typ-Dotierstoffkonzentration in der Siliziumschmelze idealer Weise konstant zu halten, um die Toleranzspannbreite des Kristalls zum Widerstand in der Wachstumsrichtung beim Wachstum eines n-Typ-Silizium-Einkristall-S unter Verwendung des flüchtigen n-Typ-Dotierstoffes weiter zu reduzieren, beschrieben in PTL1. Um eine solche Steuerung durchzuführen, ist es erforderlich, dass der n-Typ-Dotierstoff allein oder in chemischer Kombination aus der Schmelzoberfläche um eine Menge zu verdampfen ist, die äquivalent der Menge des n-Typ-Dotierstoffes ist, der in der Schmelze durch Segregation konzentriert wird. Entsprechend erwogen wir zuerst, eine feste Verdampfungsrate (Verdampfungsmenge pro Einheitszeit) des n-Typ Dotierstoffes zu halten, während das Kristall ausgezogen wird. Es ist anzumerken, dass die Verdampfung des n-Typ-Dotierstoffes mit der Schmelze angesehen wird, eine Verdampfung des Dotierstoffelementes allein zu sein, oder Verdampfung des Dotierstoffes in Form von Antimonoxid (Sb_xO_y) Arsenoxid (As_xOy) etc. Ein solches Oxid wird in der Siliziumschmelze durch eine Kombination des Rohmaterialsiliziums und von Sauerstoff, der aus dem Quarztiegel 21 gelöst worden ist, gebildet, und wird aus der Siliziumschmelze 10 in Form von Gas abgegeben.
Hier hängt die Verdampfungsrate des n-Typ-Dotierstoffes auf der Schmelzoberfläche direkt von der Flussrate von Ar-Gas direkt auf der Schmelze ab. Dies liegt daran, dass der Konzentrationsgradient der Sb-Verbindung oder As-Verbindung in der Konzentrationsgrenzschicht in der Nähe eines Gasflüssigkeitsübergangs auf der Gasphasenseite (hier ist der Massentransfer nur durch Diffusion möglich) von der Ar-Gasflussrate direkt auf der Konzentrationsgrenzschicht abhängt. Entsprechend, wenn die Ar-Gasflussrate steigt, steigt der Konzentrationsgradient der Sb-Verbindung oder As-Verbindung an und steigt auch die Verdampfungsmenge der Sb-Verbindung oder As-Verbindung, die aus der Schmelze verdampft wird. Somit, um die Verdampfungsrate des n-Typ-Dotierstoffe zu steuern, d.h. die Verdampfungsrate der Sb-Verbindung oder As-Verbindung, ist es erforderlich, die Flussrate des Ar-Gases direkt auf der Siliziumschmelze zu steuern.
Hinsichtlich der Struktur des CZ-Schmelzofens ist es schwierig, direkt das Flussvolumen von Ar selbst direkt auf der Siliziumschmelze zu regulieren. Gegeben diesen Faktor, wird die Ar-Flussrate auf der Schmelzoberfläche indirekt durch Steuern des Drucks in der Kammer des CZ-Schmelzofens , der Flussrate des in die Kammer eingeführten Ar-Gases, eines Spaltes zwischen einem Führungsbereich für das Ar-Gas und der Silizium-Schmelzoberfläche (nachfolgend als ein „Spalt“ bezeichnet) etc. gesteuert. Es ist anzumerken, dass, da die Ar-Flussrate umgekehrt proportional zum Kammerdruck ist, direkt proportional zum Ar-Flussvolumen ist und umgekehrt proportional zum Spalt ist, somit diese Relationen auch für die Verdampfungsrate des Dotierstoffes gelten.
Während das Kristall aus dem CZ-Schmelzofen ausgezogen wird, sind die Ziehrate für den Silizium-Einkristall-Barren und der Durchmesser des Silizium-Einkristall-Barrens nicht konsistent fix und variieren mit der Zeit. Weiter ist die Ziehrate für den Silizium-Einkristall-Barren auch ein Betriebsparameter zum Steuern des Barrendurchmessers und muss somit entsprechend Änderungen bei der thermischen Umgebung im CZ-Schmelzofen im Prozess des Ziehens verändert werden. Folglich, wenn sich die Kristall-Wachstumsrate des Siliziums auch aufgrund der Änderung bei der thermischen Umgebung ändert, ändert sich auch die tatsächliche Ziehrate. Somit, obwohl die Ar-Flussrate konstant gehalten wird und die Verdampfungsrate des n-Typ-Dotierstoffes fixiert sein kann, wenn sich die Ziehrate verändert, ändert sich die für die Kristalllänge oder das Verfestigungsverhältnis erforderliche Zeit, um konstant zu werden. Entsprechend ändert sich auch die Menge des Dotierstoffes, der aus der Siliziumschmelze pro Einheitsverfestigungsverhältnis verdampft, wobei die Dotierstoffkonzentration der Schmelze sich ändert, ohne konstant zu sein, und folglich die Konzentration des Dotierstoffes in dem Silizium-Einkristall-Barren in der Kristallwachstumsrichtung variiert.
Rückbezugnehmend auf 2, solch eine Veränderung bei der Ziehrate über die Zeit berücksichtigend, selbst falls die Menge des n-Typ-Dotierstoffes, wie etwa Sb oder As, der pro Einheitszeit dC_v [Atome/s] verdampft, gesteuert wird, konstant zu sein, kann die Konzentration des n-Typ Dotierstoffes in der Siliziumschmelze 10 nicht konstant gemacht werden und kann die Konzentration des Dotierstoffes im Silizium-Einkristall-Barren 1 in der Kristallwachstumsrichtung nicht gleichförmig gemacht werden. Daher ist es erforderlich, dass die Menge des verdampften n-Typ-Dotierstoffes entsprechend der Ziehrate verändert wird.
Im Hinblick auf das Obige erwogen wir zuerst in Bezug auf die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes, eine konstante Menge des n-Typ-Dotierstoffes zu halten, der pro Einheitsverfestigungsverhältnis [Atome/Einheitsverfestigungsverhältnis] verdampfte, statt Steuern der Verdampfungsrate [Atome/s], welche die Verdampfungsmenge pro Einheitszeit ist. Wenn die Menge des pro Einheitsverfestigungsverhältnisses dCv(f_s) verdampften Dotierstoffes gleich der Menge des in der Siliziumschmelze 10 pro Einheitsverfestigungsverhältnis dC_L(f_s) verbleibenden Dotierstoffs ist, kann die Konzentration des n-Typ-Dotierstoffes in der Siliziumschmelze 10 gesteuert werden, konstant zu sein, ohne von zeitlichen Variationsfaktoren abzuhängen.
Somit fanden wir, dass die Dotierstoffkonzentration in der Schmelze konstant gemacht werden kann, durch Steuerung, eine konstante Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis [Atom/Einheitsverfestigungsverhältnis] zu halten. Dies gestattet, dass die Dotierstoffkonzentration des Silizium-Einkristall-Barrens auch in der Kristallwachstumsrichtung gleichförmig gemacht wird. Folglich fanden wir, dass Toleranzspannbreite des Silizium-Einkristall-Barrens des Widerstands in der Kristallwachstumsrichtung signifikant klein gemacht werden kann im Vergleich mit dem, der durch die konventionelle Technik erzielt wird. Weiter ist es auch möglich, einen Silizium-Einkristall-Barren mit einem gegebenen Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung zu erhalten, indem die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis nach Wunsch während des Kristallziehens verändert wird. Diese Offenbarung, die basierend auf den obigen Entdeckungen abgeschlossen ist, beinhaltet primär die nachfolgenden Merkmale.

(1) Ein Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens unter Verwendung eines Silizium-Kristallziehschnellofens mit einem Tiegel, der eine mit einem n-Typ-Dotierstoff, der aus Sb oder As hergestellt ist, dotierten Siliziumschmelze lagert, einer den Tiegel unterbringenden Kammer, einem Druckregulatorteil, der einen Druck in der Kammer steuert, einem Ziehteil, der einen Silizium-Einkristall-Barren aus der Siliziumschmelze auszieht, einer Gaszufuhr zum Zuführen von Ar-Gas in die Kammer und einem Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze vorgesehen ist, um das Ar-Gas zu führen, so dass es längs der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, umfassend: einen Ziehschritt des Ausziehens des Silizium-Einkristall-Barrens durch den Czochralski-Prozess; und einen Verdampfungsmengensteuerschnitt des Haltens einer Menge des aus der Siliziumschmelze pro Einheitsverfestigungsverhältnis verdampften n-Typ-Dotierstoffes innerhalb eines Zielverdampfungsmengenbereichs pro Einheitsverfestigungsverhältnisses, durch Steuern einer oder mehrerer Ziehbedingungswerte, die zumindest einen von einem Druck in der Kammer, einem Flussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze beinhaltet, während der Ziehschritt durchgeführt wird.
(2) Das Verfahren der Herstellung eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß (1) oben, wobei die Zielverdampfungsmenge in einer Kristallwachstumsrichtung gleichförmig ist.
(3) Das Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß (1) oder (2) oben, weiter umfassend: vor dem Ziehschritt, einen Schritt des Ausbildens eines oder mehrerer Silizium-Einkristall-Barren zur Evaluierung unter Verwendung des Silizium-Ein-Kristall-Ziehschmelzofens; und einen Schritt des Bestimmens von Änderungen bei der Menge des n-Typ-Dotierstoffes, der pro Einheitsverfestigungsverhältnis in dem Silizium-Ein-Kristall-Ziehschmelzofen verdampft wird, basierend auf Änderungen bei einem Widerstand der Silizium-Einkristall-Barren zur Verdampfung in einer Kristallwachstumsrichtung, wobei in dem Verdampfungsmengen-Steuerschritt die Ziehbedingungswerte basierend auf den bestimmten Änderungen in der Verdampfungsmenge erhöht oder gesenkt werden.
(4) Das Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß (1) oder (2) oben, weiter umfassend einen Messschritt des Messens der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis, während der Ziehschritt durchgeführt wird, wobei in dem Verdampfungsmengensteuerschritt die Ziehbedingungswerte so gesteuert werden, dass die gemessene Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis innerhalb der Zielverdampfungsmenge gehalten wird.
(5) Das Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß (4) oben, wobei im Messschritt eine Konzentration des mit dem Ar-Gas auf der Ar-Gasauslassseite abgegebenen n-Typ-Dotierstoffes gemessen wird.
(6) Das Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß (5) oben, wobei im Messschritt ein Durchmesser und eine Ziehlänge des herausgezogen werdenden Silizium-Einkristall-Barrens gemessen werden und die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis auf Basis des Verfestigungsverhältnisses berechnet wird, basierend auf der Messung und der Konzentration des in dem Ar-Gas enthaltenen n-Typ-Dotierstoffs.
(7) Ein Silizium-Einkristall-Barren, der Sb oder As als einen n-Typ-Dotierstoff verwendet, der einen Widerstand im Bereich von 10 Ω·cm oder mehr und 1000 Ω·cm oder weniger und einen Kristalldurchmesser von 200 mm oder mehr aufweist, wobei 40% oder mehr des Silizium-Einkristall-Barrens einen Widerstand im Bereich von ±7% eines Spezifikationswiderstandes in der Kristallwachstumsrichtung aufweist.

Es ist anzumerken, dass sich der Spezifikationswiderstand auf einen Widerstand bezieht, der bei der Herstellung des Silizium-Einkristall-Barrens eingestellt wird.
Vorteilhafter Effekt
Diese Offenbarung stellt ein Verfahren des Herstellens eines Hochwiderstands n-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens mit kleiner Toleranzspannbreite bei Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung, der in einer Leistungsvorrichtung geeignet verwendet wird, bereit.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen:

ist 1 eine schematische Ansicht, die Änderungen und Toleranzspannweite beim Widerstand der durch den CZ-Prozess und dem FZ-Prozess gemäß konventioneller Technik erhaltenen Silizium-Einkristall-Barren illustriert;
ist 2 eine schematische Ansicht, welche die Verdampfungsmenge eines n-Typ-Dotierstoffes in einen CZ-Schmelzziegel gemäß unseren Studien illustriert;
ist 3A eine schematische Ansicht, die eine im Simulationsbeispiel 1 untersuchte Modellformel [1] illustriert;
ist 3B eine schematische Ansicht, die eine im Simulationsbeispiel 1 untersuchte Modellformel [1] illustriert;
ist 4 ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Anfangs-Sb-Konzentration in einer Schmelze und der Sb-Verdampfungsrate im Simulationsbeispiel 1 illustriert;
ist 5A ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und dem Widerstand von Kristallen relativ zum Verfestigungsverhältnis im Testbeispiel 1 gemäß dem Simulationsbeispiel 1 illustriert;
ist 5B ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und dem Widerstand von Kristallen relativ zum Verfestigungsverhältnis im Testbeispiel 2 gemäß Simulationsbeispiel 1 illustriert;
ist 6A ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und dem Widerstand von Kristallen relativ zum Verfestigungsverhältnis in Testbeispiel 3 gemäß Simulationsbeispiel 1 illustriert;
ist 6B ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Dotierstoffkonzentration und dem Widerstand von Kristallen relativ zum Verfestigungsverhältnis in Testbeispiel 4 gemäß Simulationsbeispiel 1 illustriert;
ist 7 eine schematische Ansicht, welche einen in einer Ausführungsform dieser Offenbarung verwendeten Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen darstellt;
ist 8 eine schematische Ansicht, die eine Technik zum Steuern der Verdampfungsmenge in-situ in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Offenbarung illustriert;
ist 9 eine schematische Ansicht, die Änderungen in der eingestellten (programmierten) Rate und einer Ratenspannweite der Ziehrate, und Änderungen bei der gemessenen Ziehrate mit der Zeit nach Ziehen im Beispiel illustriert;
ist 10 ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Schmelzofendruck und der Sb-Konzentration des Kristalls in einem Vortest des Beispiels illustriert;
ist 11A ein Graph, welcher die Beziehung zwischen einem Ziehbedingungswert und der Sb-Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis relativ zum Schmelzofendruck im Vortest in dem Beispiel darstellt;
ist 11B ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Ziehbedingungswert und der Sb-Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsrate relativ zu dem Ar-Flussvolumen im Vortest im Beispiel darstellt;
ist 11C ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Ziehbedingungswert und der Sb-Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis relativ zum Spalt im Vortest im Beispiel darstellt;
ist 12 ein Graph, der ein im Beispiel verwendetes Programm illustriert, in welchem die Ziehrate und der Schmelzofendruck als Funktionen des Verfestigungsverhältnisses eingestellt sind; und
ist 13 ein Graph, welcher die Verteilung des Widerstands eines im Beispiel vorbereiteten Silizium-Einkristall-Barrens in der Kristallwachstumsrichtung illustriert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Vor dem Beschreiben von Ausführungsformen im Detail wird zuerst unser Simulationsbeispiel 1, welches zum Abschluss dieser Offenbarung führt, beschrieben.
Simulationsbeispiel 1
In diesem Simulationsbeispiel wurde ein ein-dimensionales Modell gemäß der nachfolgenden Formel [1] eines Phänomens, in welchem ein n-Typ-Dotierstoff segregiert, während er verdampft wurde, verwendet, um die Verdampfungsrate des n-Typ-Dotierstoffs (pro Einheitszeit) [Atome/s] zu untersuchen. $C_{s} = k e C_{0} {(1 - f_{s})}^{k e - 1} - ρ_{s} \frac{k e}{1 - k e} \frac{p}{W_{0}} {{(1 - f_{s})}^{k e - 1} - 1}$
Das ein-dimensionale Modell der obigen Formel [1] wird unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben. 3A und 3B sind Diagramme, die ein-dimensionale Modell von Verunreinigungssegregation in einem Verfestigungsprozess illustrieren (Verunreinigungen werden nach außen bei einer konstanten Rate verdampft). Die zwei Phasen eines Kristalls (S) und einer Schmelze (L) berücksichtigend, ist das Gewichtsverhältnis der gesamten Ausgangssubstanz (W₀[g]) „1“ und sind Gewichtsfraktionen der Phasen durch f_s bzw. f_L repräsentiert. Die Verunreinigungskonzentrationen in den zwei Phasen werden durch C_s(x) und C_L [Atome/cm³] repräsentiert. Die Verteilung des n-Typ-Dotierstoffes, welcher eine Verunreinigung im Kristall ist, ist eine Funktion der verfestigten Phasenfraktion (Verfestigungsverhältnis) und der Dotierstoff wird angenommen, eine gleichförmige Konzentration in der Schmelze aufzuweisen. Die Konzentration von Verunreinigungen in der Schmelze beim Start der Verfestigung (f_s=0) wird durch C₀ [Atome/cm³] repräsentiert (3A). In 3B werden mit Fortschreiten eines Kristallwachstums von Δf_s Verunreinigungen aus der Schmelze durch p (P=dQ(df_s, p>0, Q ist die Verdampfungsmenge [Atome]) aus der Schmelze verdampft, wird beobachtet. Hier ist ρ_s die Dichte eines Feststoffs und ist ke der Segregationskoeffizient des Dotierstoffs ohne Verdampfung.

Bei den in Tabelle 1 unten gegebenen Wachstumsbedingungen wurde der Zielwiderstand von Silizium-Einkristall-Barren auf 30, 50, 100, 200, 250, 300 und 350 [Ω·cm] eingestellt und wurde die Anfangsdotierstoffkonzentration in der Schmelze und die Verdampfungsrate des Dotierstoffes unter Verwendung der obigen Formel [1] so berechnet, dass der Zielwiderstand in der Kristallwachstumsrichtung gleichförmig ist. Es ist anzumerken, dass der n-Typ-Dotierstoff Sb war und ke der Segregationskoeffizient von Sb von 0,023 war und ρ_s die Dichte von Si von 2,33 [g/cm³] war. Hier, um gleichförmigen Widerstand im Barren zu erhalten (d. h. Dotierstoffkonzentration), muss die Zugrate konstant sein, und ist es erforderlich, dass die Verdampfungsrate des Dotierstoffes konsistent konstant ist, um die Anfangs-Sb-Dotierstoffkonzentration in der Schmelze während des Kristallwachstums aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 und Tabelle 3 unten gegeben, und der aus der Dotierstoffkonzentration in der Schmelze umgewandelte gemessene Widerstand [Ω·cm], der ermittelt wurde, wenn die Anfangs-Sb-Konzentration in der Schmelze und die Verdampfungsrate wie in Tabelle 2 und Tabelle 3 angegeben waren, waren in enger Übereinstimmung mit dem Zielwiderstand. Weiter, wenn ein Kristall mit dem Zielwiderstand bei einer anderen Ziehrate wachsen gelassen wird, können Einstellbedingungen der Anfangs-Sb-Konzentration in der Schmelze und die Verdampfungsrate in ähnlicher Weise gefunden werden. Tabelle 1

Chargengröße	110 kg
Durchmesser	205 mm
Schulterlänge	100 mm
Schwanzlänge	140 mm
Im Tiegel verbleibende Menge	7,00 kg
Ziehrate	1,00 mm/min

Tabelle 2

Zielwiderstand [Ω·cm]	30	50	100	200
Anfangs-SB-Konzentration in Schmelze [Atome/ s]	6,63E+15	4,10E+15	2,00E+15	1,00E+15
SB-Verdampfungsrate [Atome]	3,28E+15	2,05E+15	9,90E+14	4, 95E+14
SB-Konzentration im Barren [Atome/cm³]	1,41E+14	8,65E+13	4,24E+13	2,12E+13
Messwiderstand [Ω·cm]	30,6	49,49	100,63	200,83

Tabelle 3

Zielwiderstand [Ω·cm]	250	300	350
Anfangs-SB-Konzentration in Schmelze [Atome/ s]	7,97E+14	6, 63E+14	2,81E+14
SB-Verdampfungsrate [Atome]	3,95E+14	3,28E+14	2,81E+14
SB-Konzentration im Barren [Atome/cm³]	1,69E+13	1,41E+13	1,20E+13
Messwiderstand [Ω·cm]	251,89	302,56	353, 9

Es ist anzumerken, dass aus Tabelle 2 und Tabelle 3 die Beziehung zwischen der Anfangs-Sb-Konzentration in der Schmelze und die in 4 gegebenen Sb-Verdampfungsrate erhalten wird und eine lineare Beziehung auf einer logarithmischen Skala aufgefunden wird. Weiter verschiebt sich für eine andere Ziehrate diese Beziehung parallel.
Testbeispiele 1, 2
Die Ziehrate wurde auf 1,0 [mm/min], wie in der obigen Berechnung, fixiert, und die Anfangs-Sb-Konzentration in der Schmelze und die Sb-Verdampfungsdate wurden auf die Werte für einen Zielwiderstand von 30 [Ω·cm] (Testbeispiel 1) und einen Zielwiderstand von 50 [Ω·cm] (Testbeispiel 2) in Tabelle 2 eingestellt und die Verteilungen der Dotierstoffkonzentration und des Widerstands in der Kristallwachstumsrichtung in den Testbeispielen 1 und 2 wurden unter Verwendung der Formel [1] berechnet. Die Ergebnisse der Testbeispiele 1 und 2 sind in 5A und 5B angegeben. Wie in 5A und 5B repräsentiert, stimmten ein Anstieg des Dotierstoffes in der Schmelze aufgrund von Segregation und die Menge der aus der Schmelzoberfläche verdampften Dotierstoffverbindung überein, so dass die Dotierstoffkonzentration in der Schmelze konstant gehalten wurde und die Dotierstoffkonzentration im Kristall und der Widerstand gleichförmig waren, in enger Übereinstimmung mit dem Zielwiderstand in der kristallographischen Achsenrichtung. 5A und 5B illustrieren auch die Ergebnisse von Fällen, bei denen keine Verdampfung (d. h. nur Segregation) als aufgetreten angenommen wird. Im Vergleich mit dem Fall, bei dem keine Verdampfung auftrat, wurde eine signifikante Differenz bei der Konsistenz der Dotierstoffkonzentration und dem Widerstand beobachtet. Dies gilt auch für 6A und 6b, die unten beschrieben sind.
Testbeispiele 3,4
Wenn sich andererseits die Ziehrate von jener in Tabelle 1 unterschied; spezifisch, wenn die Ziehrate 1,2 [mm/min] (Testbeispiel 3) und 0,8 [mm/min] (Testbeispiel 4) betrug, wurden dieselben Werte wie die Anfangs-Sb-Konzentrationen der Schmelze: 4,1 × 10¹⁵ [Atome/cm³] und die Sb-Verdampfungsrate: 2,05 × 10¹⁵ [Atome/cm³], welche die eingestellten Bedingungen für den Zielwiderstand von 50 [Ω·cm] in Tabelle 2 waren, eingestellt und wurden die Verteilungen der Dotierstoffkonzentration und der Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung berechnet. Die Ergebnisse von Testbeispielen 3 und 4 sind in 6A und 6B angegeben. 6A und 6B zeigen, dass jene Ziehraten es nicht gestatteten, dass die Dotierstoffkonzentration oder der Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung gleichförmig sind. 6A und 6B illustrieren auch die Ergebnisse von Fällen, bei denen keine Verdampfung (d. h. nur Segregation) als aufgetreten angenommen wird.
In dem Fall von Testbeispiel 3 (6A), selbst wenn die Anfangs-Sb-Konzentration in der Schmelze und die Sb-Verdampfungsrate in den eingestellten Bedingungen für den Zielwiderstand von 50 [Ω·cm] in Tabelle 2 übereinstimmten, da die Ziehrate hoch war, war der Anstieg des Dotierstoffes pro Einheitszeit aufgrund von Segregation größer als die Dotierstoffverdampfungsmenge pro Einheitszeit. Entsprechend stieg die Sb-Konzentration in der Schmelze mit wachsendem Kristall und stieg auch die Dotierstoffkonzentration im Barren an.
Weiter, im Falle von Testbeispiel 4 (6B), selbst wenn die Anfangs-Sb-Konzentration in der Schmelze und die Sb-Verdampfungsrate in den eingestellten Bedingungen für den Zielwiderstand von 50 [Ω·cm] in Tabelle 2 übereinstimmten, da die Ziehrate niedrig war, war der Anstieg des Dotierstoffs pro Einheitszeit aufgrund von Segregation kleiner als die Menge des Dotierstoffs, die pro Einheitszeit verdampfte. Entsprechend sank die Sb-Konzentration in der Schmelze mit wachsendem Kristall und sank auch die Dotierstoffkonzentration im Barren.
Wie in Testbeispielen 3 und 4, wenn die Ziehrate von vorbestimmten Werten nicht übereinstimmt, variiert der Anstieg beim Dotierstoff, der in der Schmelze pro Einheitszeit aufgrund Segregation konzentriert wird. Andererseits ändert sich die Menge des aus der Silizium schmelzenden Oberfläche pro Einheitszeit verdampften Dotierstoffes nicht. Entsprechend sind der Anstieg des Dotierstoffs aufgrund der Konzentration des Dotierstoffes und die Verdampfungsmenge unausgeglichen. Entsprechend kann die Dotierstoffkonzentration in der Schmelze nicht mit wachsendem Kristall konstant gehalten werden und kann die Dotierstoffkonzentration in dem Kristall nicht gleichförmig gehalten werden.
Basierend auf den obigen Ergebnissen ist gefunden worden, dass einfaches Halten der Verdampfungsrate des n-Typ-Dotierstoffes konstant nicht ausreichte und wie oben beschrieben die Konzentration des n-Typ-Dotierstoffes in der Siliziumschmelze 10 gesteuert werden sollte, konstant zu sein, ohne von zeitlichen Variationsfaktoren abzuhängen, durch Steuern der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffs in Übereinstimmung mit der Ziehrate für den Barren. Basierend auf den Simulationsbeispielergebnissen werden Ausführungsformen dieser Offenbarung nunmehr beschrieben.
Verfahren zum Herstellen von Silizium-Einkristall-Barren
Ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristall-Barren gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung kann unter Verwendung eines schematisch in 7 illustrierten Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofens 100 durchgeführt werden. Dieser Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 hat einen Tiegel 20, der eine Siliziumschmelze 10 lagert, eine Kammer 30, die den Tiegel 20 aufnimmt, einen Druckregulatorbereich 40, der den Druck in der Kammer 30 (nachfolgend „Schmelzofendruck“) steuert, einen Ziehbereich 50, der einen Silizium-Einkristall-Barren 1 (nachfolgend als „Barren 1“ abgekürzt) aus der Siliziumschmelze 10 auszieht, eine Gaszufuhr 60 zum Zuführen von Ar-Gas in die Kammer 30, ein Führungsbereich 70, der über der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 vorgesehen ist, zum Führen des Ar-Gases zum Fluss längs der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 und optional anderer Komponenten. Hier ist in dem Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 die Siliziumschmelze 10 mit einem n-Typ-Dotierstoff dotiert, der aus Sb oder As hergestellt ist (nachfolgend einfach als „n-Typ-Dotierstoff“ abgekürzt).
Das Herstellverfahren dieser Ausführungsform beinhaltet einen Ziehschritt des Herausziehens des Silizium-Einkristall-Barrens 1 durch den Czochralski-Prozess und einen Verdampfungsmengen-Steuerschritt des Haltens der Menge des aus der Siliziumschmelze 10 verdampft werdenden n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis innerhalb eines Zielverdampfungsmengenbereichs pro Einheitsverfestigungsverhältnis durch Steuern, während der Ziehschritt durchgeführt wird, eines oder mehrerer Ziehbedingungswerte, einschließlich zumindest einem vom Drucker der Kammer 30 (d. h. Schmelzofendruck), dem Flussvolumen von Ar-Gas und einem Spalt G zwischen dem Führungsbereich 70 und der Siliziumschmelze 10 (nachfolgend als „Spalt“ abgekürzt).
Der Ziehschritt kann durch eine konventionelle bekannte Technik unter Verwendung des CZ-Prozesses durchgeführt werden. In dieser Ausführungsform ist ein charakteristischer Schritt der Verdampfungsmengen-Steuerschritt von, während der Ziehschritt durchgeführt wird, halten der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis [Atome/Einheitsverfestigungsverhältnis] innerhalb eines Zielverdampfungsmengenbereichs gemäß dem Ziehen des Barrens 1. Es ist anzumerken, dass „Halten der Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis innerhalb des Bereichs der Zielverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis“ im Verdampfungsmengen-Steuerschritt nicht bedeutet, die Verdampfungsmenge auf einer festen Menge im mathematischen Sinne zu halten, sondern bedeutet, ein oder mehrere Ziehbedingungswerte zu steuern, um die Verdampfungsmenge innerhalb eines gewünschten Verdampfungsmengenbereichs zu halten. Wenn beispielsweise die Zielverdampfungsmenge eine gewünschte Verdampfungsmenge A pro Einheitsverfestigungsverhältnis [Atome/Einheitsverfestigungsverhältnis] ist, ist das Steuern zum Halten von Änderungen bei der Verdampfungsmenge innerhalb eines Bereichs von A±10% in „Halten der Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis innerhalb des Bereichs der Zielverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis“ enthalten, und werden Änderungen bei der Verdampfungsmenge vorzugweise gesteuert, innerhalb eines Bereichs von A±8% gehalten zu werden, bevorzugterer Weise werden Änderungen in der Verdampfungsmenge gesteuert, innerhalb eines Bereichs von A±7% gehalten zu werden.
Die Zielverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis ist vorzugsweise in der Kristallwachstumsrichtung gleichförmig. Dies liegt daran, dass der Widerstand fast über die gesamte Fläche der Kristallwachstumsrichtung gleichförmig sein kann. Jedoch kann die Zielverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis graduell gesteigert oder gesenkt werden, abhängig von der Länge des herausgezogen werdenden Kristalls; alternativ kann die Zielverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis abhängig von Kristalllängenklammern erhöht oder gesenkt werden. Somit kann ein Silizium-Einkristall-Barren mit einem gegebenen Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung erhalten werden.
Der Verdampfungsmengen-Steuerschritt kann hauptsächlich durch die nachfolgenden zwei Verfahren durchgeführt werden. Beim ersten Verfahren wird die Korrespondenz zwischen der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis und den Ziehbedingungswerten zuvor bestimmt und wird die Korrespondenz auf das Ziehen in den nächsten und nachfolgenden Chargen angewendet. Dieses erste Verfahren wird nachfolgend als „Zwischenchargen-Steuerverfahren“ bezeichnet. Das zweite Verfahren ist ein Verfahren, in welchem die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis in-situ gemessen wird, während das Kristall gezogen wird, und die Verdampfungsmenge wird während einer Ziehoperation gesteuert. Dieses zweite Verfahren wird nachfolgend als „In-Situ-Steuerverfahren“ bezeichnet.
Zwischenchargen-Steuerverfahren
Wenn das Zwischenchargen-Steuerverfahren auf dieser Ausführungsform angewendet wird, beinhaltet das Verfahren am bevorzugtesten vor dem Ziehschritt das Ausbilden eines oder mehrerer Silizium-Einkristall-Barren zum Evaluieren unter Verwendung des Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofens 100 und Bestimmen von Änderungen bei der Menge des pro Einheitsverfestigungsverhältnisses verdampften n-Typ-Dotierstoffes in dem Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100, basierend auf Änderungen beim Widerstand des Silizium-Einkristall-Barrens zur Evaluierung in der Kristallwachstumsrichtung. Im Verdampfungsmengensteuerschritt werden vorzugweise die Ziehbedingungswerte erhöht oder gesenkt, basierend auf den so bestimmten Änderungen bei der Verdampfungsmenge. Diese Schritte werden im Detail unten beschrieben.
In dem Schritt des Bildens der Silizium-Einkristall-Barren zur Evaluierung, unter Verwendung eines Programmes zum Einstellen der Ziehrate im Ziehschritt, wird zumindest einer der Bedingungswerte des Schmelzofendrucks, des Flussvolumens von Ar-Gas und der Spalt G gesteuert, um Silizium-Einkristall-Barren zur Evaluierung (nachfolgend „Evaluierungsbarren“) auszubilden.
Als Nächstes werden die so gebildeten Evaluierungsbarren in der Kristallwachstumsrichtung analysiert und werden Änderungen in der Dotierstoffkonzentration oder dem Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses bestimmt. Aus den Änderungen können Änderungen bei der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis in dem Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 (d. h. die Verdampfungsmenge als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses) berechnet werden, somit wird gefunden, dass die Bedingungswerte einschließlich des Schmelzofendrucks, des Flussvolumens von Ar-Gas und des Spalts G beim Vorbereiten der Evaluierungsbarren einen Effekt auf die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis haben.
Wie oben beschrieben, ist die Ar-Flussrate umgekehrt proportional zum Schmelzofendruck, direkt proportional zum Ar-Flussvolumen und umgekehrt proportional zum Spalt. Die Bedingungswerte beim Ziehen können in Übereinstimmung mit dem Verfestigungsverhältnis verändert werden, so dass die Verdampfungsmenge gesteigert, gesenkt oder gehalten wird, um die Verdampfungsmenge des Dotierstoffes innerhalb eines Bereichs der Zielverdampfungsmenge in Übereinstimmung mit dem Verfestigungsverhältnis der Evaluierungsbarren zu halten.
Spezifisch, wenn die Verdampfungsmenge des Dotierstoffs gesteigert wird, kann ein Reduzieren des Schmelzofendrucks, Steigern des Ar-Flussvolumens oder/und Reduzieren des Spalts G durchgeführt werden. Es ist anzumerken, dass all jene drei Steuerfaktoren nicht notwendiger Weise gesteuert werden, um die Verdampfung zu fördern; beispielsweise kann die Justierung durchgeführt werden durch, während die Ar-Flussrate gesteigert wird, Steigern des Schmelzofendrucks zur Feinjustierung und Vergrößern oder Verkleinern des Spalts G.
Umgekehrt, wenn die Verdampfungsmenge des Dotierstoffes gesenkt wird, kann das Steigern des Schmelzofendrucks, Senken des Ar-Flussvolumens oder/und Erhöhen des Spalts G durchgeführt werden. Weiter werden jene drei Steuerfaktoren nicht notwendiger Weise gesteuert, um die Verdampfung zu unterdrücken; beispielsweise kann die Justierung durchgeführt werden, indem, während die Ar-Flussrate reduziert wird, der Schmelzofendruck zur Feinjustierung reduziert wird und der Spalt G vergrößert oder verkleinert wird.
Weiter, falls die Verdampfungsmenge des Dotierstoffes zu einem Zeitpunkt fixiert ist, innerhalb eines vorbestimmten Timings in Übereinstimmung mit dem Verfestigungsverhältnis der Evaluierungsbarren können die obigen Bedingungswerte zum Zeitpunkt aufrecht erhalten werden. Im Verdampfungsmengen-Steuerschritt werden die Bedingungswerte optimiert, und wird der Barren 1 im Ziehschritt unter Verwendung der Bedingungswerte gezogen, die gegenüber den Bedingungswerten für Testbarren verbessert worden sind.
Vorzugsweise werden eine Vielzahl von Evaluierungsbarren mit unterschiedlichen Bedingungswerten gebildet und werden die Ziehbedingungswerte erhöht oder gesenkt, basierend auf den so bestimmten Änderungen bei der Verdampfungsmenge im Verdampfungsmengen-Steuerschritt, basierend auf der Vielzahl von Evaluierungsbarren. Die Evaluierungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes, welches pro Einheitsverfestigungsverhältnis verdampft wird, kann gesteuert werden, innerhalb des Zielverdampfungs-Mengenbereichs gehalten zu werden, bei höherer Genauigkeit.
Weiter kann die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis auch in der nachfolgenden Weise gesteuert werden. In diesem Fall können Evaluierungsbarren tatsächlich gebildet werden oder können Parameter durch numerische Berechnung bestimmt werden.
<1> Zuerst werden eine Vielzahl von Evaluierungsbarren durch Fixieren der Ziehrate auf die Durchschnittsziehrate eines Subjekt-Impfkristalls (oder eines Nachbarwertes), Fixieren des Ar-Flussvolumens und des Spalts G auf Standardwerte für den zu verwendenden CZ-Schmelzofen und Ändern des Schmelzofendrucks, wie in 9 illustriert, wachsen gelassen.
<2> Der Widerstand C_S(f_s) jedes Evaluierungsbarrens in der Kristallwachstumsrichtung wird gemessen (f_s ist das Verfestigungsverhältnis).
<3> Die Dotierstoffkonzentration C_L(f_s) in der Siliziumschmelze 10 wird aus der Relation von Segregation (C_S(f_s) = k₀C_L(f_s), k₀: Segregations-Koeffizienten des Falls, bei dem keine Verdampfung auftritt) aufgefunden.
<4> Weiter wird die Verdampfungsmenge dCv(fs) pro Einheitsverfestigungsverhältnis aus der Differenz zwischen der Dotierstoffkonzentration in der Schmelze ohne Verdampfung bestimmt: C_L ⁰(f_s) = C₀(1-f_s)^ke-1 wobei die Anfangsdotierstoffkonzentration in der Schmelze C₀ ist und C_L(f_s) in <3> oben gefunden ist.
<5> Die Verdampfungsmenge dCv(f_s) pro Einheitsverfestigungsverhältnis wird gemittelt und die Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Schmelzofendruck wird bestimmt.
<6> In ähnlicher Weise werden eine Vielzahl von Evluierungsbarren durch Fixieren der Ziehrate auf die Durchschnittsziehrate eines Subjekt-Impfkristalles (oder eines Nachbarwertes), Fixieren des Schmelzofendrucks und des Spalts G auf Standardwerte für den zu verwendenden CZ-Schmelzofen und Ändern des Ar-Flussvolumens, wie in 9 illustriert, wachsen gelassen. Weiter werden die Prozeduren von <2> bis <5> durchgeformt, um die Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Ar-Flussvolumen zu bestimmen.
<7> In ähnlicher Weise werden eine Vielzahl von Kristallen durch Fixieren der Ziehrate auf die Durchschnittsziehrate eines Subjekt-Impfkristalles (oder eines Nachbarwertes), Fixieren des Schmelzofendruckes und des Ar-Flussvolumens auf Standardwerte für den zu verwendenden CZ-Schmelzofen und Ändern des Spalts wie in 9 illustriert, wachsen gelassen. Weiter werden die Prozeduren von <2> bis <5> durchgeführt, um die Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Spalt G zu bestimmen.
<8> Unter Verwendung der obigen Beziehung zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Schmelzofendruck wird ein Programm für den Schmelzofendruck als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses eingestellt, welches Programm ein Programm für die Ziehrate als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses des zu ziehenden Barren 1 entspricht, eingestellt.
<9> Das Ziehratenprogramm und das Schmelzofendruckprogramm, die in <8> oben eingestellt sind, werden verwendet, um das Ziehen des zu ziehenden Barrens 1 durchzuführen.
<10> Wenn der so präparierte Barren 1 eine relative Nicht-Übereinstimmung mit dem gewünschten Widerstand aufweist, wird dieser Barren 1 als ein Evaluierungsbarren verwendet. Der Barren 1 wird unter den Bedingungen ausgezogen, bei denen ein genaueres Programm zum Ziehen in Bezug auf den Druck, das Ar-Flussvolumen und den Spalt eingestellt ist, unter Verwendung des Schmelzofendrucks als Hauptbetriebsparameter unter Verwendung des Ar-Flussvolumens oder des Spalts G als ein Betriebsparameter für die Feinjustierung.
In-Situ-Steuerverfahren
Das In-Situ-Steuerverfahren wird auch vorzugsweise anstelle des Zwischenchargen-Steuerverfahrens verwendet. Im Prinzip kann die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes zuverlässiger gesteuert werden, um innerhalb des Zielverdampfungsmengenbereichs gehalten zu werden.
Wenn das In-Situ-Steuerverfahren auf dieser Ausführungsform angewendet wird, beinhaltet das Verfahren weiter einen Messschritt des, während der Ziehschritt durchgeführt wird, Messens der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis und werden im Verdampfungsmengen-Steuerschritt die Ziehbedingungswerte vorzugsweise so justiert, dass die gemessene Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis innerhalb des Zielverdampfungsmengenbereichs gehalten wird.
Hier wird es in dem obigen Messschritt bevorzugt, die Konzentration des n-Typ-Dotierstoffes, der mit dem Ar-Gas abgegeben wird, auf der Ar-Gas-Auslassseite zu messen.
Um einen solchen Messschritt durchzuführen, ist eine Messeinheit 81 zum Messen unter Verwendung von beispielsweise Infrarot-Spektrometrie oder Massenspektrometrie auf der Ar-Gas-Auslassseite des Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofens 100 vorgesehen und kann eine Gasanalyse des mit dem Ar-Gas abgelassenen n-Typ-Dotierstoffs unter Verwendung der Messeinheit 81 durchgeführt werden. Als Messeinheit 81 kann beispielsweise ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) verwendet werden. Wenn der n-Typ-Dotierstoff Sb ist, ist Sb als elementares Sb oder in Form von SbO, Sb₂O₃, etc. im Ar-Gas enthalten, so dass die Gaskonzentration von SbO analysiert werden kann. Wenn beispielsweise die Gaskonzentration von SbO ab der Anfangsstufe des Wachsens des Barrens 1 konstant ist, kann auch die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis konstant gehalten werden. Um die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffs zu steuern, können ein oder mehrere Ziehbedingungswerte gesteuert werden, wie oben beschrieben, in Bezug auf das Zwischenchargen-Steuerverfahren.
Weiter werden im obigen Messschritt der Durchmesser und die Ziehlänge des gezogen werdenden Barren 1 gemessen, und wird die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis vorzugsweise basierend auf dem Verfestigungsverhältnis auf Basis der vorstehenden Messung und der Konzentration des in dem Ar-Gas enthaltenen n-Typ-Dotierstoffes gemessen. Es ist anzumerken, dass der Durchmesser des ausgezogen werdenden Barren 1 durch Messen des Durchmessers während des Wachstums unter Verwendung einer CCD-Kammera zum Messen des Durchmessers, die nicht in 7 gezeigt ist, gemessen werden kann, und die Zuglänge davon durch Messen der Wicklungslänge eines Drahts 52 entsprechend der Ziehlänge unter Verwendung einer Steuereinheit 80 gemessen werden kann. Somit kann die Verdampfungsmenge präziser gesteuert werden, abhängig von dem Verfestigungsverhältnis während des Wachstums.
Ein bevorzugter Messschritt dieser Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die schematische Ansicht von 8 beschrieben. Aus dem Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 während des Kristallwachstums werden der Durchmesser und die Ziehlänge des Barrens 1 gemessen, so dass das Verfestigungsverhältnis zum Zeitpunkt des Ziehens und die Änderungsrate des Verfestigungsverhältnisses bestimmt werden. Unter Verwendung der oben beschriebenen Messeinheit 81 kann die Menge des in dem Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 pro Einheitszeit verdampften n-Typ-Dotierstoffs (Verdampfungsrate) oder ein äquivalenter Wert gemessen werden. Die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffs pro Einheitsverfestigungsverhältnis kann in-situ aus dem Verfestigungsverhältnis und der Verdampfungsrate des n-Typ-Dotierstoffs, die gemessen worden sind, evaluiert werden. Entsprechend, wenn die Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffs pro Einheitsverfestigungsverhältnis, die in-situ evaluiert wird, wahrscheinlich aus dem Zielverdampfungsmengenbereich herausgeht, kann die Verdampfungsmenge durch Justieren des Schmelzofendrucks, des Ar-Flussvolumens oder/und des Spalts G gesteuert werden, um die Differenz zu kompensieren.
Es wird auch bevorzugt, ein Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß dieser Ausführungsform durchzuführen, indem das Zwischenchargen-Steuerverfahren und das In-Situ-Steuerverfahren kombiniert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform kann das Steuern der Verdampfung der Sb-Verbindung oder der As-Verbindung die Widerstandsausbeute in der kristallgraphischen Achsenrichtung des n-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens 1 verbessern und nebenher können die Kristallkosten reduziert werden. Die Verdampfung einer Verbindung eines flüchtigen n-Typ-Dotierstoffes, wie etwa Sb oder As wird aktiv gefördert, was die Ar-Flussrate auf der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 erhöht; entsprechend wird erwartet, dass eine Kohlenstoffkontamination (die verursacht wird, wenn durch eine Reaktion zwischen einem Kohlenstoffelement eines Heizers etc. und aus der Schmelze volatisiertes SiO hergestelltes CO-Gas zurück zur Schmelze fließt, was in Wiederauflösung und Aufbau des CO-Gases in der Schmelze resultiert) reduziert wird.
Es ist anzumerken, dass diese Ausführungsform auf Fälle angewendet werden kann, wo der n-Typ-Dotierstoff entweder Sb oder As ist, wird jedoch effektiver auf den Fall angewendet, wo Sb verwendet wird. Dies liegt daran, dass die Verdampfungsrate von Sb signifikant höher als diejenige von As ist.
Spezifische Aspekte der Merkmale des Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofens 100 sind unten beschrieben; jedoch ist diese Offenbarung nicht auf jene Aspekte in irgendeiner Weise beschränkt.
Die Siliziumschmelze 10 ist eine Ausgangssubstanz des Silizium-Einkristall-Barrens 1. Die Ausgangssubstanz ist typischer Weise Polysilizium und die Ausgangssubstanz wird durch beispielsweise den Herd 90, der auf dem Umfang des Tiegels 20 vorgesehen ist, geschmolzen, um den Zustand der Schmelze aufrechtzuerhalten. Es kann der Siliziumschmelze zusätzlich zum n-Typ-Dotierstoff Stickstoff hinzugefügt werden.
Der Tiegel 20 speichert die Siliziumschmelze 10 und kann eine duale Struktur aufweisen, die typischere Weise einen inneren Quarztiegel und einen äußeren Kohlenstofftiegel enthält. Ein Hebe- und Drehmechanismus 21 kann auf dem unteren Ende des Tiegels 20 vorgesehen sein.
Der Hebe- und Drehmechanismus 21 kann das Heben und Drehen durchführen und kann Steuerung des Spalts G mit Verwendung der Steuereinheit 80 durchführen. Die Richtung der Rotation des Hebe- und Drehmechanismus 21 wird typischer Weise in der reversen Richtung zur Rotationsrichtung des Ziehbereichs 50 rotiert.
Ein Ar-Gasauslass kann am Boden der Kammer 30 vorgesehen sein und eine Ar-Gaszufuhr kann über der Kammer vorgesehen sein. Obwohl 7 diesen Aspekt illustriert, ist die Anordnung der Komponenten nicht auf die Anordnung im Diagramm beschränkt. Ar-Gas kann durch das Ventil 41 zugeführt und durch das Ventil 42 abgegeben werden. Die Ventile 41 und 42 und eine Vakuumpumpe 43 dienen als Druckregulatorbereiche 40 in dieser Ausführungsform. Eine Versorgungsquelle von Ar-Gas kann stromaufwärts des Ventils 41 platziert sein und die Versorgungsquelle dient als die Gasversorgung 60.
Der Ziehbereich 50 kann einen Drahtwicklungsmechanismus 51, einen durch den Drahtwicklungsmechanismus 51 gewickelten Ziehdraht 52 und ein Impfhalterung 53 zum Halten des Impfkristalls aufweisen.
Der Führungsbereich 70 kann durch den Endbereich eines Wärmeabschirmbauteils 71 in dem Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 auf Seiten der Siliziumschmelze 10 aufgebaut sein oder kann vorzugsweise als eine Führungsplatte auf dem Endbereich vorgesehen sein. Die Führungsplatte hilft, das Ar-Gas längs der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 nach außen zu führen, was es leichter macht, die Flussrate zu steuern. In diesem Fall ist der Spalt ein Spalt zwischen der Schmelzoberfläche und der Führungsplatte. Das Wärmeabschirmbauteil 71 verhindert das Erwärmen des Siliziumbarrens 1 und unterdrückt Änderungen bei der Temperatur der Siliziumschmelze 10. Es ist anzumerken, dass der Führungsbereich 70 eine Form mit einem scharfen Winkel aufweisen kann, anders als in 7.
Der Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 kann aufweisen die Steuereinheit 80 , und die Steuereinheit 80 steuert den Hebe- und Drehmechanismus 21, den Ziehbereich 50, und die Gaszufuhr 60, und die Messeinheit 81, so dass die oben beschriebenen Ziehbedingungswerte gesteuert werden können.
Die Messeinheit 81 führt Messung der Gaskonzentration des Dotierstoffgases, welches den n-Typ-Dotierstoff enthält, als ein Bestandteilselement, durch Infrarot-Spektroskopie oder Massenspektrometrie wie oben beschrieben durch. Die Messeinheit 81 verwendet vorzugsweise ein Massenspektrometer; beispielsweise kann ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) verwendet werden. Dies gestattet eine rasche Trennung eines großen Volumens von Gas und ermöglicht es, die Größe der Einrichtung zu reduzieren. Alternativ kann ein Infrarot-Spektrometer verwendet werden. Die Messeinheit wird vorzugsweise so vorgesehen, dass sie mit einem Rohr stromaufwärts das Ventils 42 verbunden ist. Obwohl nicht gezeigt, kann das durch die Messeinheit 81 analysierte Gas zwischen dem Ventil 42 und der Pumpe 43 wiedergewonnen werden.
Weiter, obwohl in 7 nicht gezeigt, kann der Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofen 100 einen Heizer, eine Magnetfeld-Zufuhreinheit und dergleichen, die konventioneller Weise bekannt sind, aufweisen.
Vorzugsweise wird im Ziehschritt das Verhältnis von v/G bevorzugt auf beispielsweise um 0,22 bis 0,27 gesteuert, wo die Wachstumsrate des Barrens 1 v [mm/min] ist und der Temperaturgradient vom Schmelzpunkt bis 1350°C während Ein-Kristallwachstum des Barrens 1 G [°C/mm] ist. Wenn v/G den Bereich übersteigt, werden leicht COPs und Hohlräume gebildet und wenn das Verhältnis niedriger als dieser Bereich ist, werden leicht Dislokationscluster gebildet.
Weiter wird im Ziehschritt eine Stickstoffdotierung vorzugsweise bei einer Stickstoffkonzentration von 2 × 10¹³ [Atome/cm³] oder mehr und 1 × 10¹⁵ [Atome/cm³] oder weniger im Schmelzofen durchgeführt. Weiter wird es im Ziehschritt auch bevorzugt, eine Wasserstoffdotierung durch Hinzufügen von Wasserstoffgas in den Schmelzofen bei 3% oder mehr und 8% oder weniger relativ zum Ar-Gas durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt wird ein v/G-Gradientenziehen durchgeführt (spezifischer für die gesamte Länge der Kristallwachstumsrichtung wird die Ziehrate in einer V-Form oder einer W-Form variiert) unter Bedingungen, wo das Dotieren mit Stickstoff oder Wasserstoff nicht durchgeführt wird, um einen v/G-Bereich, innerhalb welchem COPs oder Hohlräume und Dislokationscluster nicht gebildet werden, zu bestimmen. Das Dotieren mit Stickstoff oder Wasserstoff wird vorzugsweise bei v/G innerhalb des obigen Bereichs durchgeführt.
Darüber hinaus wird der Bereich der Konzentration von interstitiellem Sauerstaff Oi [Oi] im Barren 1 vorzugsweise [Oi] ≤ 6 × 10¹⁷ [Atome/cm³] (ASTM F-121 (1979) dasselbe nachfolgend), bevorzugterer Weise [Oi] ≤ 4 × 10¹⁷ [Atome/cm³], besonders bevorzugt [Oi] ≤ 1 × 10¹⁷ [Atome/cm³]. Innerhalb eines Bereichs von [Oi] ≤ 6 × 10¹⁷ [Atome/cm³] werden aus Sauerstoff und Stickstoff herstammende Donoren nicht gebildet. Weiter, wenn der Bereich [Oi] ≤ 4 × 10¹⁷ [Atome/cm³] ist, wird kein Sauerstoffpräzipitat durch Infrarot-Tomographie detektiert (Detektionsgrenzgröße: gleich oder kleiner 25 nm) in einem wachsenden Zustand und nach Wärmebehandlung, zur Markierung von Sauerstoffpräzipitat (780 °C drei Stunden lang, zusätzlich 1000 °C 16 Stunden lang, O₂-Atmosphäre). Darüber hinaus, wenn der Bereich [Oi] 1 × 10¹⁷ [Atome/cm³] ist, wird kein Sauerstoffpräzipitat selbst durch reaktives Ionenätzen (RIE) detektiert (Detektionsgrenzgröße: 5 nm bis 7 nm), in einem gewachsenen Zustand und nach Wärmebehandlung zum Markieren von Sauerstoffpräzipitat (780 °C/3 h, zusätzlich 1000 °C/16 h, O₂-Athmosphäre). Die interstitielle Sauerstoffkonzentration kann durch Justieren der Drehzahl des Tiegels 20 gesteuert werden.
Silizium-Einkristall-Barren
Ein Silizium-Einkristall-Barren mit einem Widerstand in einem Bereich von 10 Ω·cm oder größer und 1000 Ω·cm oder kleiner und einem Kristalldurchmesser von 200 mm oder größer, 40% oder mehr jenes Barrens ein Widerstand im Bereich von ±7% einer Spezifikationswiderstands in Kristallwachstumsrichtung des Silizium-Einkristall-Barrens aufweist, kann unter Verwendung von Sb oder As als einen n-Typ-Dotierstoff gemäß dem Produktionsverfahren der obigen Ausführungsform hergestellt werden. Ein Hochwiderstand-n-Typ Silizium-Einkristall-Barren mit kleiner Toleranzspannweite beim Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung, der geeignet in einer Leistungsvorrichtung verwendet wird, kann erhalten werden. Es ist anzumerken, dass der Widerstand den Widerstand nur des graden Stamms des Barrens ausschließlich eines Halsbereichs, eines Kronenbereichs und eines Schwanzbereichs des Barrens involviert, die nicht ein Produkt bilden.
Weiter kann der Widerstand 50 Ω · cm oder größer sein. Darüber hinaus kann der Kristalldurchmesser 300 mm oder größer sein. Der Widerstand von 40% oder mehr des Silizium-Einkristall-Barrens kann in einem Bereich von ±7% des Spezifikationswiderstands in der Kristallwachstumsrichtung sein.
Beispiele
Als Nächstes, um die Effekte dieser Offenbarung zu klären, wird unten ein Beispiel gegeben; jedoch ist diese Offenbarung nicht in irgendeiner Weise auf das nachfolgende Beispiel beschränkt.
Ein Silizium-Einkristall-Barren, der Sb als einen n-Typ-Dotierstoff verwendet, wurde anhand der Prozeduren <1> bis <10> des oben beschriebenen Zwischenchargen-Steuerverfahrens präpariert.
<1> Sieben Testbarren wurden durch Fixieren der Ziehrate auf die Durchschnittsziehrate des Barrens 1 wachsen gelassen, um tatsächlich ausgezogen zu werden (die Strichpunkt-Punktlinie in 9), wobei auch das Ar-Flussvolumen und der Spalt G auf feste Standardwerte für den zu verwendenden CZ-Schmelzofen fixiert werden, und Ändern des Schmelzofendruckes wie in 9 illustriert. Die Dotierstoffkonzentration jedes Testbarrens wurde bestimmt. Der Schmelzofendruck betrug 10 Torr, 15 Torr, 20 Torr, 25 Torr, 30 Torr, 40 Torr und 100.
Es ist anzumerken, dass die Anfangs-Sb-Dotierstoffkonzentration in der Schmelze und die Verdampfungsraten so eingestellt wurden, dass die Dotierstoffkonzentration in der Siliziumschmelze und die Dotierstoffkonzentration im Testbarren fixiert wurden, wenn der Schmelzofendruck 20 Torr betrug, und der Zielwiderstand 50 Ω·cm unter den Wachstumsbedingungen in der oben angegebenen Tabelle 1 waren. Entsprechend war die Durchschnittsziehrate 1.0 [mm/min], war die Dotierstoffkonzentration in der Schmelze 4,1 × 10¹⁵ [Atome/cm³] und betrug die Verdampfungsrate 2,01 × 10¹⁵ [Atome/s].
<2> Die Dotierstoffkonzentration C_S(f_s) jedes Testbarrens wurde als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses aus dem Widerstand C_S(f_s) jedes Testbarrens in der Kristallwachstumsrichtung bestimmt (f_s: Verfestigungsverhältnis). Die Ergebnisse sind in 10 gegeben.
<3> Die Dotierstoffkonzentration C_L(f_s) in der Siliziumschmelze wurde als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses aus der Relation der Segregation (C_S(f_s) = k₀C_L(f_s), k₀: Gleichgewichtssegregations-Koeffizient des Falls, bei dem keine Verdampfung aufgetreten ist) aufgefunden.
<4> Weiter wurde die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis dCv(f_s) als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses aus der Dotierstoffkonzentration in der Schmelze ohne Verdampfung bestimmt: C_L ⁰(f_s) = C₀(1-f_s)^ke-1, wo die Anfangsdotierstoffkonzentration in der Schmelze C₀ betrug und die Dotierstoffkonzentration in der Siliziumschmelze CL(fs), in <3> oben gefunden wurde.
<5> Die Verdampfungsmenge dCv(f_s) wurde gemittelt und die Beziehung zwischen der gemittelten Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Schmelzofendruck wurde wie in 11A dargestellt bestimmt.
<6> In ähnlicher Weise wurde eine Vielzahl von Evaluierungsbarren durch Fixieren der Ziehrate auf die Durchschnittsziehrate des Barrens 1, der tatsächlich auszuziehen ist, wachsen gelassen, Fixieren des Schmelzofendrucks und des Spalts auf Standardwerte für den zu verwendenden CZ-Schmelzofen und Ändern des Ar-Flussvolumens. Weiter wurden die Prozeduren von <2> bis <5> durchgeführt, um die Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Ar-Flussvolumen zu bestimmen. Die Relation ist in der schematischen Ansicht von 11B illustriert.
<7> In ähnlicher Weise wurde eine Vielzahl von Kristallen durch Fixieren der Ziehrate auf die Durchschnittsziehrate des tatsächlich auszuziehenden Barrens 1 , Fixieren des Schmelzofendrucks und des Ar-Flussvolumens auf Standardwerte für den zu verwendenden CZ-Schmelzofen und Ändern des Spalts G wachsen gelassen. Weiter wurden die Prozeduren von <2> bis <5> durchgeführt, um die Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Spalt G zu bestimmen. Die Relation ist in der schematischen Ansicht von 11C illustriert.
<8> Unter Verwendung der Beziehung zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Schmelzofendruck (11A), der Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und der Ar-Flussrate ( 11B) und der Relation zwischen der Durchschnittsverdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis und dem Spalt G (11C), oben beschrieben; ein Programm für den Schmelzofendruck als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses entsprechend einem Programm für die Ziehrate als eine Funktion des Verfestigungsverhältnisses des tatsächlich auszuziehenden Barren 1 wurde wie in 12 dargestellt erzeugt. Das Programm wurde auf die Steuereinheit 80 des Silizium-Ein-Kristallziehschmelzofens 100 eingestellt.
<9> Das Ziehratenprogramm und das Schmelzofendruckprogramm, die eingestellt worden sind, wurden verwendet, um das Ausziehen des Barrens 1 durchzuführen.
<10> Die Widerstandsverteilung des Barrens 1 nach Ausziehen (erste Zeit) ist in 13 gegeben. Basierend auf 1, obwohl die Toleranzspannbreite signifikant im Vergleich zu konventioneller Toleranzspannbreite verbessert war, war der Widerstand in Nicht-Übereinstimmung mit der gewünschten Widerstandstoleranzspannweite (50 [Ω·cm] ±7%). Entsprechend wurde ein genaueres Programm in Bezug auf den Druck, die Ar-Flussrate und den Spalt unter Verwendung des Schmelzofendruckes als Hauptbetriebsparameter und Verwenden des Ar-Flussvolumens und des Spalts G als Betriebsparamter zur Feinjustierung rückgesetzt. Wenn dieses Programm auf das Ziehen der nächsten Charge (zweites Mal) angewendet wurde, wurde gefunden, dass die Dotierstoffverdampfung mit höherer Genauigkeit gesteuert wurde und der Widerstand innerhalb der Zieltoleranzspannweite gesteuert wurde. Für die erste Charge wurden gefunden, dass ungefähr 50% des Barrens einen Widerstand im Bereich von ungefähr ±7% des Spezifikationswiderstands in Kristallwachstumsrichtung aufweisen und für den zweiten Batch wurde gefunden, dass 100% des (der gesamte) Barrens einen Widerstand im Bereich von ±7% des Spezifikationswiderstands in Kristallwachstumsrichtung aufweist.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Diese Offenbarung kann ein Verfahren zum Herstellen eines Hochwiderstands n-Typ-Silizium-Einkristall-Barrens mit kleiner Toleranzspannweite beim Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung bereitstellen, der in einer Leistungsvorrichtung geeigneter Weise verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Silizium-Einkristall-Barren
10: Siliziumschmelze
20: Tiegel
30: Kammer
40: Druckregulatorbereich
50: Ziehbereich
60: Ar-Gaszufuhr
70: Führungsbereich
80: Steuereinheit
81: Messeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010059032 A [0009]

Claims

Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens unter Verwendung eines Silizium-Kristallziehschnellofens, mit einem Tiegel, der eine mit einem n-Typ-Dotierstoff, der aus Sb oder As hergestellt ist, dotierten Siliziumschmelze lagert, einer den Tiegel unterbringenden Kammer, einem Druckregulatorteil, der einen Druck in der Kammer steuert, einem Ziehteil, der einen Silizium-Einkristall-Barren aus der Siliziumschmelze auszieht, einer Gaszufuhr zum Zuführen von Ar-Gas in die Kammer und einem Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze vorgesehen ist, um das Ar-Gas zu führen, so dass es längs der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, umfassend: einen Ziehschritt des Ausziehens des Silizium-Einkristall-Barrens durch den Czochralski-Prozess; und einen Verdampfungsmengensteuerschnitt des Haltens einer Menge des aus der Siliziumschmelze pro Einheitsverfestigungsverhältnis verdampften n-Typ-Dotierstoffes innerhalb eines Zielverdampfungsmengenbereichs pro Einheitsverfestigungsverhältnisses, durch Steuern einer oder mehrerer Ziehbedingungswerte, die zumindest einen von einem Druck in der Kammer, einem Flussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze beinhaltet, während der Ziehschritt durchgeführt wird.
Verfahren der Herstellung eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß Anspruch 1, wobei die Zielverdampfungsmenge in einer Kristallwachstumsrichtung gleichförmig ist.
Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend: vor dem Ziehschritt, einen Schritt des Ausbildens eines oder mehrerer Silizium-Einkristall-Barren zur Evaluierung unter Verwendung des Silizium-Ein-Kristall-Ziehschmelzofens; und einen Schritt des Bestimmens von Änderungen bei der Menge des n-Typ-Dotierstoffes, der pro Einheitsverfestigungsverhältnis in dem Silizium-Ein-Kristall-Ziehschmelzofen verdampft wird, basierend auf Änderungen bei einem Widerstand der Silizium-Einkristall-Barren zur Verdampfung in einer Kristallwachstumsrichtung, wobei in dem Verdampfungsmengen-Steuerschritt die Ziehbedingungswerte basierend auf den bestimmten Änderungen in der Verdampfungsmenge erhöht oder gesenkt werden.
Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen Messschritt des Messens der Verdampfungsmenge des n-Typ-Dotierstoffes pro Einheitsverfestigungsverhältnis, während der Ziehschritt durchgeführt wird, wobei in dem Verdampfungsmengensteuerschritt die Ziehbedingungswerte so gesteuert werden, dass die gemessene Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis innerhalb der Zielverdampfungsmenge gehalten wird.
Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß Anspruch 4, wobei im Messschritt eine Konzentration des mit dem Ar-Gas auf der Ar-Gasauslassseite abgegebenen n-Typ-Dotierstoffes gemessen wird.
Verfahren des Herstellens eines Silizium-Einkristall-Barrens gemäß Anspruch 5, wobei im Messschritt ein Durchmesser und eine Ziehlänge des herausgezogen werdenden Silizium-Einkristall-Barrens gemessen werden und die Verdampfungsmenge pro Einheitsverfestigungsverhältnis auf Basis des Verfestigungsverhältnisses berechnet wird, basierend auf der Messung und der Konzentration des in dem Ar-Gas enthaltenen n-Typ-Dotierstoffs.
Silizium-Einkristall-Barren, der Sb oder As als einen n-Typ-Dotierstoff verwendet, der einen Widerstand im Bereich von 10 Ω·cm oder mehr und 1000 Ω·cm oder weniger und einen Kristalldurchmesser von 200 mm oder mehr aufweist, wobei 40% oder mehr des Silizium-Einkristall-Barrens einen Widerstand im Bereich von ±7% eines Spezifikationswiderstandes in der Kristallwachstumsrichtung aufweist.