DE112018001046B4

DE112018001046B4 - Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots und Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung

Info

Publication number: DE112018001046B4
Application number: DE112018001046.5T
Authority: DE
Inventors: Wataru Sugimura; Masataka Hourai
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: JP6862916B2; CN110678585B; CN110678585A; WO2018159109A1; KR102253587B1; KR20190109490A; DE112018001046T5; JP2018140915A; US20200040480A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots unter Verwendung einer Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung, die einen Tiegel, der eine mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotierte Siliziumschmelze aufbewahrt, eine Kammer, die den Tiegel aufnimmt, einen Druckregler, der einen Druck in der Kammer kontrolliert, einen Ziehteil, der einen Siliziumeinkristall-Ingot aus der Siliziumschmelze hochzieht, eine Gaszufuhr zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer, einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer abgelassen wird, und einen Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze angebracht ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, aufweist, das Folgendes umfasst:einen Ziehschritt, in dem der Siliziumeinkristall-Ingot mit dem Czochralski-Prozess hochgezogen wird;einen Messschritt, in dem eine Gaskonzentration eines Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, gemessen wird, während der Ziehschritt durchgeführt wird; undeinen Ziehbedingungs-Kontrollschritt, in dem einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, die mindestens einen Wert von dem Druck in der Kammer, einem Durchflussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze einschließen, während der Ziehschritt durchgeführt wird, so kontrolliert werden, dass die gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt, wobei in dem Messschritt die Gaskonzentration des Dotiergases, das mit dem Ar-Gas abgelassen wird, an der Seite des Ar-Gas-Auslasses gemessen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots und eine Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung. Insbesondere betrifft diese Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots vom n-Typ, der zur Herstellung eines Siliziumwafers vom n-Typ für bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (Insulated-Gate Bipolar Transistors, IGBTs) geeignet verwendet wird, sowie eine Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung.
HINTERGRUND
Ein als ein Substrat für ein Halbleiterbauelement verwendeter Siliziumwafer wird hergestellt, indem ein mit einer Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung gezogener Siliziumeinkristall-Ingot in dünne Scheiben geschnitten wird und die Scheiben einem Oberflächenschleif (Läpp)-Schritt, einem Ätzschritt und einem Spiegelpolier (Polier)-Schritt, gefolgt vom abschließenden Waschen, unterzogen werden. Ein Siliziumeinkristall mit einem großen Durchmesser von 300 mm oder mehr wird typischerweise mit dem Czochralski (CZ)-Prozess hergestellt. Eine Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung unter Verwendung des CZ-Prozesses wird beispielsweise auch als ein Siliziumeinkristall-Ziehofen oder ein CZ-Ofen bezeichnet.
Unter den Halbleiterbauelementen sind bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), die eine Art eines Leistungsbauelements sind, Gatespannungs-betriebene Schaltelemente, die zur Hochleistungskontrolle geeignet sind und Verwendung finden in elektrischen Zügen, der Stromversorgung und in auf Fahrzeugen montierten Anwendungen etc. In Anwendungen für Leistungsbauelemente, beispielsweise IGBTs, werden aktuell Siliziumwafer vom n-Typ verwendet, wobei diese Wafer erhalten werden durch Schneiden eines Siliziumeinkristall-Ingots mit einem Durchmesser von 200 mm, der mit P (Phosphor) dotiert ist und der mit dem Zonenschmelz (Floating Zone FZ)-Prozess und dem MCZ-Prozess (Czochralski-Prozess mit angelegtem Magnetfeld) hergestellt wurde, in Scheiben.
Weil das Dotierungsmittel vom n-Typ sich in einem Siliziumeinkristall-Ingot, der durch den FZ-Prozess gewachsen ist, nicht abscheidet, kann, wie in 1 illustriert ist, fast der gesamte gerade Stamm des Ingots als Produkt verwendet werden. Der Durchmesser von Siliziumeinkristall-Ingots, die mit dem FZ-Prozess stabil hergestellt werden können, ist jedoch 150 mm, und es ist schwierig, mit dem FZ-Prozess Siliziumeinkristall-Ingots mit einem Durchmesser von 200 mm oder mehr, insbesondere einem großen Durchmesser von 300 mm herzustellen.
Andererseits wird P typischerweise als ein Dotierungsmittel verwendet, das in Siliziumeinkristall-Ingots vom n-Typ für Leistungsbauelemente unter Verwendung des CZ-Prozesses praktisch verwendet wird. Die Ausbeute an Siliziumwafern vom n-Typ, die aus einem solchen mit P dotierten Siliziumeinkristall-Ingot erhalten werden und die Spezifikationen erfüllen, einschließlich beispielsweise einen spezifischen Widerstand von 50 [Ω·cm] ± 10%, ist aktuell höchstens etwa 10% (siehe 1). Denn weil P einen Abscheidungskoeffizienten (Segregationskoeffizienten) von weniger als 1 hat, nimmt die P-Konzentration (Konzentration des Dotierungsmittels vom n-Typ) in der Schmelze mit Fortschreiten des Ziehens des Siliziumeinkristalls zu und der Widerstand nimmt allmählich ab. Weil P einen Abscheidungskoeffizienten von 0,35 hat, der bedeutend höher ist als der Abscheidungskoeffizient von B (Bor) von 0,8, wäre im Fall des Wachsenlassens eines Kristalls mit einem Widerstand in einem Zielbereich über die gesamte Kristalllänge die unter Verwendung von Siliziumeinkristall-Ingots vom n-Typ erzielte Ausbeute niedriger als die unter Verwendung eines Siliziumeinkristall-Ingots vom p-Typ erzielte. Folglich wurden Techniken sorgfältig studiert, um die Ausbeute an Siliziumwafern zu verbessern, die aus einem Siliziumeinkristall-Ingot vom n-Typ erhalten werden.
Im Rahmen der Studien wurde ebenso vorgeschlagen, dass Sb (Antimon) oder As (Arsen), deren Verdampfungsrate bedeutend höher ist als diejenige von P, als Dotierungsmittel vom n-Typ verwendet werden, obwohl ihr Abscheidekoeffizient sogar kleiner ist als derjenige von P. Der Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand eines Siliziumeinkristall-Ingots kann verkleinert werden, indem der Druck innerhalb einer Kammer eines CZ-Ofens verringert wird, um die Verdampfung des Dotierungsmittels vom n-Typ zu beschleunigen und hierdurch die Abscheidung des Dotierungsmittels vom n-Typ zu kompensieren.
Andererseits schlagen wir in JP 2010-059032 A (PTL 1) ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumwafers für vertikale Siliziumbauelemente vor, indem ein Siliziumeinkristall mit dem Czochralski-Prozess aus einer Siliziumschmelze, zu der Sb (Antimon) oder As (Arsen) als flüchtiges Dotierungsmittel hinzugefügt wurde, hochgezogen wird, wobei in dem Verfahren das Durchflussvolumen von Ar-Gas, das entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, mit dem Prozess des Ziehens des Siliziumeinkristalls zunimmt.
Wie in PTL 1 beschrieben ist, hängt, weil die Oberfläche der Siliziumschmelze eine hohe Konzentration eines Gases aufweist, das das flüchtige Dotierungsmittel enthält, welches verdampft wurde, die Verdampfungsrate des flüchtigen Dotierungsmittels in der Siliziumschmelze nicht nur von dem Druck im Inneren der Kammer des CZ-Ofens, sondern auch in hohem Maße von dem Durchflussvolumen des Ar-Gases ab. Entsprechend wird mit der in PTL 1 beschriebenen Technik die Verdampfungsrate des flüchtigen Dotierungsmittels kontrolliert, indem das Durchflussvolumen des Ar-Gases, das an der Oberfläche der Schmelze fließt, kontrolliert wird, und so kann die Abscheidung (Segregation) des Dotierungsmittels kompensiert werden.
Gemäß der PTL 2 wird die Anreicherung von Antimon als Dotiermittel während des Ziehvorgangs durch die Reduzierung des Gasdrucks in der Kammer des CZ-Ofens kompensiert. Dadurch wird die Verdampfungsgeschwindigkeit des Antimons erhöht und dessen Konzentration in der Siliziumschmelze verringert. Im Einzelnen sieht die PTL 2 vor, dass der pneumatische Druck in der hermetisch abgeschlossenen Kammer und die Zufuhrgeschwindigkeit des Inertgases in Übereinstimmung mit einem bereitgestellten Steuerungsmuster gesteuert werden, wobei das Steuerungsmuster durch Lösen einer partiellen Differentialgleichung erhalten wird.
In dem Verfahren zum Ziehen eines Siliziumeinkristalls mit dem CZ-Prozess gemäß der PTL 3 wird das Inertgas entsprechend einer Auslassrate, die mit einem Mittel zur Berechnung der Auslassrate berechnet wird, durch einen Auslass abgeführt. Dabei wird die Auslassrate in mehreren Schritten berechnet. Die Berechnung der Auslassrate erfolgt letztendlich aus dem notwendigen Druck in dem Ofen. In der Ketten der Berechnungen wird unter anderem die Verdampfungsrate des Dotierstoffs berechnet.
Nach der Lehre der PTL 4 wird mit dem CZ-Verfahren ein Einkristall mit gleichförmiger Konzentration an Verunreinigungen erhalten, indem die Menge der Verunreinigungen auf Basis der Konzentration an Dotiergas am Ausgang der Ziehvorrichtung gemessen wird. Über diese Messung werden Abweichungen durch Segregation des Dotiermittels kompensiert, indem die Flussrate des Dotiergases entsprechend angepasst wird.
In der PTL 5 wird die Reinheit des Gases in einer CZ-Vorrichtung mittels Massenspektrometrie bestimmt.
LITERATURLISTE
Patentliteratur

PTL 1: JP 2010-059032 A
PTL 2: DE 690 19 472 T2
PTL 3: JP 2012-206 874 A
PTL 4: JP S55-121 994 A
PTL 5: JP H05-221 782 A

ZUSAMMENFASSUNG
[Technische Aufgabe]
Der zulässige Toleranzbereich für den Widerstand in einem Siliziumwafer für Leistungsbauelemente, wie IGBTs ist sehr klein und der Toleranzbereich war herkömmlich ±10%, bezogen auf den mittleren spezifischen Widerstand. In letzter Zeit wird jedoch gefordert, dass der Toleranzbereich etwa ±8% ist, und in der Zukunft wird ein gewünschter Toleranzbereich in einem Bereich von ±7% oder weniger liegen. Obwohl es die in PTL 1 beschriebene Technik ermöglicht, die Verdampfungsrate eines Dotierungsmittels vom n-Typ in gewissem Maße zu kontrollieren, besteht Raum zur Verbesserung, um den in der Zukunft erforderlichen Toleranzbereich mit hoher Ausbeute in Richtung des Kristallwachstums zu erzielen.
Es könnte folglich hilfreich sein, ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots vom n-Typ mit hohem Widerstand und kleinem Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand in Kristallwachstumsrichtung, der geeignet als ein Leistungsbauelement verwendet wird, zur Verfügung zu stellen, sowie eine Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung bereitzustellen.
(Lösung der Aufgabe)
Wir haben sorgfältige Studien durchgeführt, um die obigen Ziele zu erreichen. Wir zogen eine Kontrolle in Erwägung, um die Konzentration an Dotierungsmittel vom n-Typ in der Siliziumschmelze konstant zu halten und den Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand eines Kristalls in Wachstumsrichtung beim Wachstum eines Siliziumeinkristalls vom n-Typ unter Verwendung des in PTL 1 beschriebenen flüchtigen Dotierungsmittels vom n-Typ weiter zu reduzieren. Um eine solche Kontrolle durchzuführen, muss das Dotierungsmittel vom n-Typ in einer Menge von der Oberfläche der Schmelze verdampft werden, die der Menge des Dotierungsmittels vom n-Typ entspricht, die sich in der Schmelze durch Abscheidung konzentriert. Entsprechend haben wir zuerst überlegt, eine festgelegte Verdampfungsrate des Dotierungsmittels vom n-Typ aus der Siliziumschmelze beim Hochziehen des Kristalls einzuhalten. Es ist zu beachten, dass die Verdampfung des Dotierungsmittels vom n-Typ aus der Schmelze als Verdampfung des Dotierungsmittels in Form von Gas des Dotierungselements alleine oder des Gases einer Verbindung, wie beispielsweise Phosphoroxid (P_xO_y), Antimonoxid (Sb_xO_y), Arsenoxid (As_xO_y) oder dergleichen angesehen wird. Es ist vorstellbar, dass sich ein solches Oxid in der Siliziumschmelze durch eine Kombination von Rohstoffsilizium und Sauerstoff, der aus dem Quarztiegel herausgelöst wurde, bildet und von der Oberfläche der Siliziumschmelze in Form von Gas abgeführt wird.
Die Verdampfungsrate des Dotierungsmittels vom n-Typ an der Oberfläche der Schmelze hängt direkt von der Durchflussrate von Ar-Gas direkt auf der Schmelze ab. Denn der Konzentrationsgradient der Verbindung des Dotierungsmittels vom n-Typ an der Konzentrationsgrenzschicht in der Nähe einer Gas-Flüssig-Grenzfläche auf der Seite der Gasphase (in der Massentransfer nur durch Diffusion möglich ist) hängt von der Durchflussrate von Ar-Gas direkt an der Konzentrationsgrenzschicht ab. Entsprechend nimmt, wenn die Durchflussrate von Ar-Gas zunimmt, der Konzentrationsgradient der Verbindung des Dotierungsmittels vom n-Typ zu, und auch die Menge der Verbindung des Dotierungsmittels vom n-Typ, die von der Schmelze verdampft, erhöht sich. Um die Verdampfungsrate des Dotierungsmittels vom n-Typ zu kontrollieren, ist es folglich erforderlich, die Durchflussrate von Ar-Gas direkt auf der Siliziumschmelze zu kontrollieren.
Angesichts dieser Situation haben wir in Erwägung gezogen, die Gaskonzentration des Dotiergases, das als Bestandteil ein Dotierungsmittel vom n-Typ enthält und in Form von Gas in einem CZ-Ofen abgelassen wird, zu messen, und die Durchflussrate von Ar-Gas so zu kontrollieren, dass die Gaskonzentration konstant sein kann. Die während des Wachstums des Siliziums gemessene Konzentration an Dotierungsgas spiegelt direkt die Konzentration des von der Oberfläche der Siliziumschmelze verdampften Dotierungsmittels vom n-Typ wider. Die Gaskonzentration des Dotierungsgases wird in-situ gemessen, und die Durchflussrate von Ar-Gas wird so kontrolliert, dass die Gaskonzentration in einem geeigneten Bereich gehalten werden kann, indem die Prozessbedingungen geändert werden, und so kann ein Siliziumeinkristall-Ingot, der es ermöglicht, Siliziumwafer mit hoher Ausbeute zu erhalten, hergestellt werden.
Wir haben gefunden, dass die Durchführung einer derartigen Kontrolle die Dotierungsmittelkonzentration in dem Siliziumeinkristall-Ingot in der Richtung des Kristallwachstums gleichmäßig machen kann, und der Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand des Siliziumeinkristall-Ingots in der Richtung des Kristallwachstums verglichen mit dem mit herkömmlichen Techniken erhaltenen bedeutend verkleinert werden kann. Darüber hinaus kann ein Siliziumeinkristall-Ingot mit einem gegebenen spezifischen Widerstand in Richtung des Kristallwachstums gezogen werden, wenn die Gaskonzentration während des Siliziumwachstums wie gewünscht geändert wird. Diese Offenbarung beruht auf den obigen Befunden und schließt in erster Linie die folgenden Merkmale ein.

(1) Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots unter Verwendung einer Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung, die einen Tiegel, der eine mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotierte Siliziumschmelze aufbewahrt, eine Kammer, die den Tiegel aufnimmt, einen Druckregler, der einen Druck in der Kammer kontrolliert, einen Ziehteil, der einen Siliziumeinkristall-Ingot aus der Siliziumschmelze hochzieht, eine Gaszufuhr zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer, einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer abgelassen wird, und einen Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze angebracht ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- einen Ziehschritt, in dem der Siliziumeinkristall-Ingot mit dem Czochralski-Prozess hochgezogen wird;
- einen Messschritt, in dem eine Gaskonzentration eines Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, gemessen wird, während der Ziehschritt durchgeführt wird; und
- einen Ziehbedingungs-Kontrollschritt, in dem einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, die mindestens einen von dem Druck in der Kammer, einem Durchflussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze einschließen, während der Ziehschritt durchgeführt wird, so kontrolliert werden, dass die gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt,
- wobei in dem Messschritt die Gaskonzentration des Dotiergases, das mit dem Ar-Gas abgelassen wird, an der Seite des Ar-Gas-Auslasses gemessen wird.
(2) Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß (1) oben, bei dem die Zielgaskonzentration in einer Kristallwachstumsrichtung gleichmäßig ist.
(3) Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß (1) oder (2) oben, bei dem die Gaskonzentration des Dotiergases unter Verwendung eines Massenspektrometers gemessen wird.
(4) Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß mindestens einem von (1) bis (3) oben, bei dem das Dotierungsmittel vom n-Typ eines von Sb und As ist.
(5) Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Tiegel, der eine mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotierte Siliziumschmelze aufbewahrt; einen Anhebe- und Rotationsmechanismus, der an einem unteren Ende des Tiegels vorgesehen ist, um den Tiegel zu rotieren, anzuheben und abzusenken; eine Kammer, die den Tiegel aufnimmt; einen Druckregler, der einen Druck in der Kammer kontrolliert; einen Ziehteil, der einen Siliziumeinkristall-Ingot mit dem Czochralski-Prozess aus der Siliziumschmelze hochzieht; eine Gaszufuhr zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer; einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer abgelassen wird; und einen Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze vorgesehen ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, die ferner eine Messeinheit zum Messen der Gaskonzentration des Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält und das mit dem Ar-Gas abgelassen wird, an der Seite des Ar-Gas-Auslasses umfasst, und die ferner eine Kontrolleinheit umfasst, die den Anhebe- und Rotationsmechanismus, den Druckregler, den Ziehteil, die Gaszufuhr und die Messeinheit kontrolliert, wobei einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, eingeschlossen mindestens einer von dem Druck in der Kammer, einem Durchflussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze unter Verwendung der Kontrolleinheit kontrolliert werden, während das Ziehen durchgeführt wird, so dass die mit der Messeinheit gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt.
(6) Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung gemäß (5) oben, in der die Messeinheit ein Massenspektrometer ist.

(Vorteilhafter Effekt)
Diese Offenbarung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots vom n-Typ mit hohem Widerstand und einem kleinen Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand in Kristallwachstumsrichtung, der geeignet in einem Leistungsbauelement verwendet wird, sowie eine Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung zur Verfügung.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen ist:

1 eine schematische Ansicht, die den Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand von Siliziumeinkristall-Ingots, die mit herkömmlichen Techniken erhalten wurden, illustriert;
2 eine schematische Ansicht, die einen Siliziumeinkristall-Ziehofen darstellt, der in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
3 ein Graph, der die SbO-Konzentration relativ zu der Kristalllänge in den Beispielen zeigt; und
4 ein Graph, der die Verteilung des spezifischen Widerstands relativ zu der Kristalllänge jedes in den Beispielen hergestellten Siliziumeinkristall-Ingots illustriert.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
(Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots)
Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann durchgeführt werden unter Verwendung einer Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100, die in 2 schematisch illustriert ist. Diese Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 weist zumindest einen Tiegel 20, der eine Siliziumschmelze 10 aufbewahrt, eine Kammer 30, die den Tiegel 20 aufnimmt, einen Druckregler 40, der den Druck in der Kammer 30 (nachstehend „Ofendruck“) kontrolliert, einen Ziehteil 50, der einen Siliziumeinkristall-Ingot 1 von der Siliziumschmelze 10 hochzieht, eine Gaszufuhr 60 zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer 30, einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer 30 abgelassen wird, und einen Führungsteil 70, der oberhalb der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 angebracht ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 fließt, auf, und sie hat optional weitere Komponenten. Hier wird ein Dotierungsmittel vom n-Typ zu der Siliziumschmelze 10 in der Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 hinzugegeben. Es ist zu beachten, dass eines oder mehrere von P (Phosphor), As (Arsen) und Sb (Antimon) als das Dotierungsmittel vom n-Typ verwendet werden können.
Das Herstellungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform schließt einen Ziehschritt, in dem der Siliziumeinkristall-Ingot 1 mit dem Czochralski-Prozess hochgezogen wird; einen Messschritt, in dem eine Gaskonzentration eines Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, gemessen wird, während der Ziehschritt durchgeführt wird; und einen Ziehbedingungs-Kontrollschritt, in dem einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, die mindestens einen von einem Druck in der Kammer 30, einem Durchflussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil 70 und der Siliziumschmelze 10 (nachstehend Spalt G) einschließen, während der Ziehschritt durchgeführt wird, so kontrolliert werden, dass die gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt. Diese Schritte werden nachstehend der Reihe nach ausführlich beschrieben.
Der Ziehschritt kann mit einer herkömmlich bekannten Technik unter Verwendung des CZ-Prozeses durchgeführt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird, während der Ziehschritt durchgeführt wird, der obige Messschritt durchgeführt; währenddessen wird der obige Ziehbedingungs-Kontrollschritt unter Verwendung der in dem Messschritt gemessenen Gaskonzentration durchgeführt. Es ist zu beachten, dass „das Kontrollieren, so dass die gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt“ in dem Ziehbedingungs-Kontrollschritt meint, dass einer oder mehrere Ziehbedingungswerte kontrolliert werden, um die Gaskonzentration während der Messung innerhalb eines gewünschten Gaskonzentrationsbereichs zu halten. Wenn die Zielgaskonzentration eine gewünschte Gaskonzentration C_G ist, ist die Schwankung der Gaskonzentration innerhalb des Bereichs von C_G ± 10% involviert durch das „Kontrollieren, so dass die gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt“ und die Schwankung der Gaskonzentration wird vorzugsweise innerhalb des Bereichs von C_G ± 8% gehalten, und die Schwankung der Gaskonzentration wird mehr bevorzugt innerhalb des Bereichs von C_G ± 7% gehalten.
Die Zielkonzentration ist vorzugsweise in der Kristallwachstumsrichtung gleichmäßig. Dies ermöglicht es, dass der spezifische Widerstand über den gesamten Bereich in Kristallwachstumsrichtung fast gleichmäßig ist. Die Zielkonzentration kann jedoch abhängig von der Länge des Kristalls, der hochgezogen wird, allmählich erhöht oder erniedrigt werden; alternativ kann die Zielkonzentration abhängig von der unterteilten Kristalllänge erhöht oder erniedrigt werden. So kann ein Siliziumeinkristall-Ingot mit einem vorgegebenen spezifischen Widerstand in Kristallwachstumsrichtung erhalten werden.
Wie oben beschrieben wird die Gaskonzentration eines Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, in dem Messschritt gemessen, während der Ziehschritt durchgeführt wird. In diesem Messschritt wird die Konzentration des das Dotierungsmittel vom n-Typ enthaltenden Gases, das mit dem Ar-Gas abgelassen wird, auf der Seite des Ar-Gas-Auslasses gemessen. Das von der Siliziumschmelze 10 verdampfte Dotierungsmittel vom n-Typ ist ein Gas aus Phosphor alleine, Arsen alleine oder Antimon alleine; oder einer Phosphorverbindung (P_xO_y etc.), einer Antimonverbindung (Sb_xO_y etc.) oder einer Arsenverbindung (As_xO_y etc.). Wenn das Dotierungsmittel vom n-Typ Sb ist, werden hauptsächlich ein Gas aus Sb alleine, SbO-Gas und Sb₂O₃-Gas gleichzeitig zusammen mit dem Ar-Gas abgelassen, wobei in diesem Fall die Gaskonzentration von einem von Sb-, SbO-Gas und Sb₂O₃-Gas gemessen werden kann; alternativ kann die Gaskonzentration von zwei oder mehreren von ihnen analysiert werden.
Ein solcher Messschritt kann durchgeführt werden, indem eine Messeinheit 81 zur Messung unter Verwendung der Infrarotspektroskopie oder Massenspektrometrie auf der Seite des Ar-Gas-Auslasses der Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 bereitgestellt wird, und die Gasanalyse des das Dotierungsmittel vom n-Typ enthaltenden Dotiergases, das mit dem Ar-Gas abgelassen wird, unter Verwendung der Messeinheit 81 durchgeführt wird. Die Messeinheit 81 verwendet vorzugsweise ein Massenspektrometer; beispielsweise kann ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) verwendet werden, oder ein Infrarotspektrometer kann stattdessen verwendet werden. Insbesondere wenn ein Quadrupol-Massenspektrometer verwendet wird, kann die quantitative Analyse des Dotiergases, das ein betreffendes Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, verlässlicher und mit höherer Präzision durchgeführt werden. Beispielsweise wird, wenn die Gaskonzentration von SbO-Gas gemessen wird, der Ziehbedingungs-Kontrollschritt so durchgeführt, dass die Gaskonzentration von SbO-Gas von dem Anfangsstadium des Wachstums des Ingots 1 an konstant gehalten wird.
Es ist zu beachten, dass der Messschritt vorzugsweise die gesamte Zeit von dem Schmelzen des Polysilizium-Ausgangsmaterials bis zum Kühlen des Kristalls während des Ziehschritts durchgeführt wird; alternativ kann der Messschritt alle mehrere zehn Sekunden oder alle mehrere Minuten durchgeführt werden. Es ist während des Ziehschritts bevorzugt, den Messschritt die gesamte Zeit durchzuführen, um die Messresultate in dem Ziehbedingungs-Kontrollschritt widerzuspiegeln, weil die Schwankung der Gaskonzentration des Dotiergases, d.h. die Schwankung der Konzentration des Dotierungsmittels in Kristallwachstumsrichtung des Siliziumeinkristall-Ingots 1, verringert werden kann.
Hierbei ist die Durchflussrate von Ar auf der Siliziumschmelze 10 umgekehrt proportional zu dem Ofendruck, direkt proportional zu dem Ar-Durchflussvolumen und umgekehrt proportional zu dem Spalt G. Somit werden in dem Ziehbedingungs-Kontrollschritt einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, eingeschlossen mindestens einen von dem Ofendruck, dem Durchflussvolumen des Ar-Gases und dem Spalt G so kontrolliert, dass die Gaskonzentration des in dem Messschritt von oben gemessenen Dotiergases in einen Zielkonzentrationsbereich fällt.
Im Einzelnen können auf Basis einer Änderung der gemessenen Gaskonzentration mit der Zeit, wenn die Gaskonzentration nahe an der Untergrenze des Zielbereichs der Gaskonzentration liegt, eine oder mehrere Maßnahmen der Verringerung des Ofendrucks, der Erhöhung des Ar-Durchflussvolumens und der Verkleinerung des Spalts durchgeführt werden, um die Verdampfung des Dotierungsmittels vom n-Typ zu beschleunigen. Ferner werden alle drei dieser Kontrollfaktoren nicht notwendigerweise kontrolliert, um die Verdampfung zu beschleunigen; beispielsweise kann die Anpassung durchgeführt werden, indem zur Feinanpassung der Ofendruck erhöht wird, und der Spalt G vergrößert oder verkleinert wird, während die Ar-Durchflussrate erhöht wird.
Im Gegensatz dazu können, wenn die gemessene Gaskonzentration die konstante Zielkonzentration übersteigt, um die Verdampfung des Dotierungsmittels vom n-Typ zu unterdrücken, eine oder mehrere Maßnahmen der Erhöhung des Ofendrucks, der Verringerung der Ar-Durchflussrate und der Vergrößerung des Spalts G durchgeführt werden. Ferner werden sämtliche drei dieser Kontrollfaktoren nicht notwendigerweise kontrolliert, um die Verdampfung zu unterdrücken; beispielsweise kann die Anpassung durchgeführt werden, indem, während das Ar-Durchflussvolumen verringert wird, der Ofendruck zur Feinanpassung verringert wird, und der Spalt G vergrößert oder verkleinert wird.
Während die gemessene Gaskonzentration bei einer konstanten Zielkonzentration gehalten wird, können die Ziehbedingungswerte beibehalten werden. Es ist zu beachten, dass im Hinblick auf die Kontrolle der Gaskonzentration vorzugsweise sowohl der Ofendruck als auch das Durchflussvolumen des Ar-Gases angepasst werden. Vorzugsweise wird zuerst die Gaskonzentration angepasst, indem nur das Ar-Durchflussvolumen kontrolliert wird, und wenn die Zielkonzentration wahrscheinlich nicht erreicht wird, wird der Ofendruck kontrolliert. Alternativ ist es ebenso bevorzugt, die Gaskonzentration anzupassen, indem zunächst nur das Ar-Durchflussvolumen kontrolliert wird und optional der Ofendruck kontrolliert wird, wenn die Gaskonzentration die Zielkonzentration wahrscheinlich nicht übersteigt.
Ferner kann die konstante Zielkonzentration bestimmt werden, indem zuvor der Zusammenhang zwischen dem spezifischen Zielwiderstand des Siliziumeinkristall-Ingots 1 und der Gaskonzentration des Dotiergases bestimmt wurde, und auf Basis des Zusammenhangs eine Gaskonzentration für den gewünschten spezifischen Widerstand ausgewählt wird. Zusätzlich kann die Gaskonzentration des Dotiergases zu einer gegebenen Zeit während des Wachstums des Siliziumeinkristall-Ingots 1 aufrechterhalten werden. Es ist ebenso bevorzugt, dass die Gaskonzentration des Dotiergases zu einem Zeitpunkt im Anfangsstadium des Wachstums so aufrechterhalten wird, dass die Gaskonzentration während des Wachstums bei einer konstanten Konzentration gehalten wird.
Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsform auf Fälle angewandt werden kann, in denen das Dotierungsmittel vom n-Typ ein beliebiges von P, As oder Sb ist, und sie wird wirksamer auf den Fall angewandt, in dem As oder Sb verwendet werden, sie wird jedoch besonders wirksam auf den Fall angewandt, in dem Sb verwendet wird. Denn die Verdampfungsraten von Sb, As und P aus der Siliziumschmelze sind in absteigender Reihenfolge angegeben.
Vorzugsweise wird in dem Ziehschritt das Verhältnis von v/G auf beispielsweise etwa 0,22 bis 0,27 kontrolliert, wobei v [mm/min] die Wachstumsrate des Ingots 1 ist und G [°C/mm] der Temperaturgradient von dem Schmelzpunkt bis 1350°C während des Wachstums eines Einkristalls für den Ingot 1 ist. Wenn v/G diesen Bereich übersteigt, bilden sich leicht COPs und Fehlstellen, und wenn das Verhältnis kleiner ist als dieser Bereich bilden sich leicht Dislokationskluster.
Gemäß dieser Ausführungsform kann das Kontrollieren der Verdampfungsrate des Dotierungsmittels vom n-Typ die Ausbeute betreffend den Widerstand in Richtung der kristallographischen Achse des Siliziumeinkristall-Ingots 1 vom n-Typ verbessern und außerdem können die Kosten für den Kristall gesenkt werden. Darüber hinaus beschleunigt das Beibehalten der Gaskonzentration des Dotiergases die Verdampfung einer Verbindung des Dotierungsmittels vom n-Typ verglichen mit dem Fall, in dem keine nennenswerte Kontrolle durchgeführt wird, so dass die Ar-Durchflussrate an der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 vergrößert wird; entsprechend wird erwartet, dass die Verunreinigung durch Kohlenstoff (Verunreinigung und Aufbau von CO-Gas, die hervorgerufen werden, wenn CO-Gas durch eine Reaktion zwischen einem Bauelement einer Heizung etc. aus Kohlenstoff erzeugt wird und aus der Schmelze verflüchtigtes SiO in die Schmelze zurückfließt) verringert wird.
Gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform kann ein Siliziumeinkristall-Ingot 1 vom n-Typ mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 10 Ω·cm oder mehr und 1000 Ω·cm oder weniger und einem Kristalldurchmesser von 200 mm oder mehr, wobei 40% oder mehr dieses Ingots den spezifischen Widerstand im Bereich von ±7% des spezifischen Widerstands gemäß Spezifikation in der Kristallwachstumsrichtung haben, hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass der spezifische Widerstand nur den spezifischen Widerstand des geraden Stamms des Ingots abdeckt und ein Halsteil, ein Kronenteil und ein Schwanzteil des Ingots, die kein Produkt bilden, ausgenommen sind. Dieses Herstellungsverfahren wird insbesondere vorteilhaft verwendet, um den Siliziumeinkristall-Ingot 1 mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ω·cm oder mehr herzustellen, es wird auch vorteilhaft verwendet, um den Siliziumeinkristall-Ingot 1 mit einem Kristalldurchmesser von 300 mm oder mehr herzustellen, und es wird noch mehr bevorzugt verwendet, um den Siliziumeinkristall-Ingot 1 herzustellen, von dem 40% oder mehr einen spezifischen Widerstand im Bereich von ±7% des spezifischen Widerstands gemäß Spezifikation in Kristallwachstumsrichtung haben.
(Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung)
Als Nächstes wird die Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100, die wirksam in der Ausführungsform des Herstellungsverfahrens von oben verwendet wird, beschrieben. Gleiche Bauelemente werden mit denselben Bezugszahlen wie in der obigen Ausführungsform bezeichnet, und eine wiederholte Beschreibung der Bauelemente ist weggelassen.
Die Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist einen Tiegel 20, der eine mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotierte Siliziumschmelze 10 aufbewahrt; einen Anhebe- und Rotationsmechanismus 21, der an einem unteren Ende des Tiegels 20 angebracht ist, um den Tiegel 20 zu rotieren, anzuheben und abzusenken; eine Kammer 30, die den Tiegel 20 aufnimmt; einen Druckregler 40, der den Druck in der Kammer 30 kontrolliert; einen Ziehteil 50, der den Siliziumeinkristall-Ingot 1 mit dem Czochralski-Prozess aus der Siliziumschmelze 10 hochzieht; eine Gaszufuhr 60 zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer 30; einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer 30 abgelassen wird; und einen Führungsteil 70, der oberhalb der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 angebracht ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 fließt, auf.
Die Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 weist ferner eine Messeinheit 81 zur Messung der Gaskonzentration eines Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, an der Seite des Ar-Gas-Auslasses auf. Schließlich weist die Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 eine Kontrolleinheit 80 auf. Diese Merkmale werden nachstehend der Reihe nach detailliert beschrieben.
<Dotierungsmittel vom n-Typ>
Das verwendete Dotierungsmittel vom n-Typ kann eines von P, As und Sb, vorzugsweise eines von As und Sb sein und ist besonders bevorzugt Sb.
<Siliziumschmelze>
Die Siliziumschmelze 10 ist Ausgangsmaterial für den Siliziumeinkristall-Ingot 1. Das Ausgangsmaterial ist typischerweise Polysilizium, und das Ausgangsmaterial wird beispielsweise mit der Heizung 90 geschmolzen, die am Umfang des Tiegels 20 vorgesehen ist, um den Zustand der Schmelze aufrecht zu erhalten. Zusätzlich zu dem Dotierungsmittel vom n-Typ kann Stickstoff zu der Siliziumschmelze hinzugegeben werden.
<Tiegel>
Der Tiegel 20 bewahrt die Siliziumschmelze 10 auf und kann eine Doppelstruktur haben, die typischerweise einen inneren Quarztiegel und einen äußeren Kohlenstofftiegel einschließt.
<Anhebe- und Rotationsmechanismus>
Der Anhebe- und Rotationsmechanismus 21 ist am unteren Ende des Tiegels 20 vorgesehen. Der Anhebe- und Rotationsmechanismus 21 kann das Anheben und die Rotation durchführen und den Spalt G unter Verwendung der Kontrolleinheit 80 kontrollieren. Die Richtung der Rotation des Anhebe- und Rotationsmechanismus 21 ist typischerweise eine entgegengesetzte Richtung zu der Rotationsrichtung des Ziehteils 50.
<Kammer>
Die Kammer 30 nimmt den Tiegel 20 auf, und üblicherweise ist die Ar-Gas-Zufuhr 60 oberhalb der Kammer 30 angebracht, und der Ar-Gas-Auslass am Boden der Kammer 30. Ferner kann die Kammer 30 den Führungssteil 70 und ein Wärmeabschirmbauelement 71 und eine Heizung 90 einschließen, sowie Merkmale, die typischerweise in einem CZ-Ofen verwendet werden, jedoch nicht gezeigt sind. Wenn 2 auch diesen Aspekt illustriert, ist die Anordnung der Bauelemente jedoch nicht auf die Anordnung in der Grafik beschränkt.
<Ar-Gas-Zufuhr und Ar-Gas-Auslass>
Ar-Gas kann durch ein Ventil 41 in die Kammer 30 zugeführt werden, und kann aus der Kammer 30 durch ein Ventil 42 abgelassen werden. Die Ventile 41, 42 und eine Vakuumpumpe 43 bilden den Druckregler 40, der das Durchflussvolumen von Ar-Gas kontrollieren kann. Eine Zufuhrquelle für Ar-Gas kann dem Ventil 41 vorgeschaltet sein, und die Zufuhrquelle dient als die Gaszufuhr 60. Ferner wird Ar-Gas unter Verwendung der Pumpe 43 abgelassen, und die Pumpe 30 kann ebenso als Ar-Gas-Auslass dienen. Gleichzeitig mit dem Ablassen von Ar-Gas fließt auch das Dotiergas zu dem Auslass.
<Ziehteil>
Der Ziehteil 50 kann einen Drahtaufwickelmechanismus 51, einen Ziehdraht 52, der durch den Drahtaufwickelmechanismus 51 aufgewickelt wird, sowie eine Spannvorrichtung 53 für den Keim, um den Keimkristall festzuhalten, aufweisen, und so kann der obige Ziehschritt durchgeführt werden.
<Führungsteil>
Der Führungsteil 70 kann von dem Endteil des Wärmeabschirmbauelements 71 auf der Seite der Siliziumschmelze 10 gebildet werden. Der Führungsteil 70 kann anders als in 2 eine Form mit einem spitzen Winkel haben. Der Spalt zwischen dem Führungsteil 70 und der Siliziumschmelze 10 in Höhenrichtung ist der oben beschriebene Spalt G. Ferner ist es ebenso bevorzugt, dass eine Führungsplatte separat als der Führungsteil 70 entlang der Oberfläche der Schmelze am Endteil des Wärmeabschirmbauelements 71 vorgesehen ist. Die Führungsplatte hilft, das Ar-Gas entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 nach außen zu führen, was es leichter macht, die Durchflussrate des Ar-Gases zu kontrollieren. In diesem Fall ist der Spalt G der Abstand zwischen der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 und der Führungsplatte. Das Wärmeabschirmbauelement 71 kann das Erhitzen des Silizium-Ingots 1 verhindern und Änderungen der Temperatur der Siliziumschmelze 10 unterdrücken.
<Messeinheit>
Die Messeinheit 81 führt die Messung der Gaskonzentration des Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, durch Infrarotspektroskopie oder Massenspektrometrie wie oben beschrieben durch. Die Messeinheit 81 verwendet vorzugsweise ein Massenspektrometer; beispielsweise kann ein Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) verwendet werden. Dies lässt die schnelle Abtrennung eines großen Gasvolumens zu und ermöglicht es, die Größe der Vorrichtung zu verringern. Alternativ kann ein Infrarotspektrometer verwendet werden. Die Messeinheit ist vorzugsweise derart angebracht, dass sie mit einer dem Ventil 42 vorgeschalteten Leitung verbunden ist. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann das durch mit der Messeinheit 81 analysierte Gas zwischen dem Ventil 42 und der Pumpe 43 rückgeführt werden.
<Einheit zum Anlegen eines Magnetfeldes>
Es ist ebenso bevorzugt, dass eine Einheit 35 zum Anlegen eines Magnetfeldes außerhalb der Kammer 30 vorgesehen ist. Das durch die Einheit 35 angelegte Magnetfeld kann ein horizontales Magnetfeld und/oder ein Spitzenmagnetfeld (cusp magnetic field) sein.
<Kontrolleinheit>
Die Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 weist ferner eine Kontrolleinheit 80 zur Kontrolle des oben erwähnten Anhebe- und Rotationsmechanismus 21, des Druckreglers 40, des Ziehteils 50, der Gaszufuhr 60 und der Messeinheit 81 auf. Die Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 kontrolliert einen oder mehrere Ziehbedingungswerte, eingeschlossen mindestens einen von dem Druck in der Kammer 30 (Ofendruck), dem Durchflussvolumen des Ar-Gases und dem Abstand zwischen dem Führungsteil 70 und der Siliziumschmelze 10 (Spalt G) unter Verwendung der Kontrolleinheit 80, während der Siliziumeinkristall-Ingot 1 so gezogen wird, dass die Gaskonzentration des Dotiergases, die mit der Messeinheit 81 gemessen wird, vorzugsweise bei einer konstanten Konzentration gehalten wird.
Die Kontrolleinheit 80 wird durch einen geeigneten Prozessor, wie beispielsweise eine zentrale Recheneinheit (CPU) oder eine MPU realisiert. Die Kontrolleinheit 80 kann eine Speichereinheit, wie beispielsweise einen Speicher oder eine Festplatte aufweisen. Ferner kontrolliert die Kontrolleinheit 80 die Übertragung von Information und Instruktionen zwischen den Bauelementen der Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 und den Operationen jeder Einheit, indem man Programme zur Durchführung des obigen Herstellungsverfahrens, die zuvor in der Kontrolleinheit gespeichert wurden, ablaufen lässt.
Ein Siliziumeinkristall-Ingot vom n-Typ mit hohem Widerstand und einem kleinen Toleranzbereich für den spezifischen Widerstand in der Kristallwachstumsrichtung, der in einem Leistungsbauelement geeignet verwendet wird, kann erhalten werden, indem ein Siliziumeinkristall-Ingot unter Verwendung der Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung, wie oben beschrieben, hergestellt wird.
BEISPIELE
Um die Effekte der vorliegenden Offenbarung zu verdeutlichen, wird nachstehend ein Beispiel gegeben; diese Offenbarung ist jedoch in keiner Weise auf das folgende Beispiel beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein Siliziumeinkristall-Ingot mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Länge des geraden Stamms von 1800 mm wurde mit dem CZ-Prozess unter Verwendung der in 2 abgebildeten Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 gezogen. Zuerst wurden 350 kg Polysilizium-Ausgangsmaterial in einen 32-inch-Quarztiegel 20 gefüllt und das Polysilizium-Ausgangsmaterial wurde in einer Argonatmosphäre geschmolzen. Als Nächstes wurde Sb (Antimon) als ein Dotierungsmittel vom n-Typ hinzugefügt. Dabei wurde die Menge des Dotierungsmittels so kontrolliert, dass der spezifische Widerstand des führenden Endes des geraden Stamms des Siliziumeinkristall-Ingots 50 Ω·cm würde. Es ist zu beachten, dass der spezifische Zielwiderstand des Kristalls 50 Ω·cm ± 7% in Achsenrichtung betrug. Ein Keimkristall wurde dann in die Siliziumschmelze 10 eingetaucht, und der Keimkristall wurde allmählich hochgezogen, während man den Quarztiegel 20 rotieren ließ, und so wuchs unter dem Keimkristall ein dislokationsfreier Siliziumeinkristall. Hierbei wurde das Verhältnis V/G auf etwa 0,27 eingestellt, worin V die Wachstumsrate des Einkristalls war, und G (°C/min) der Temperaturgradient von dem Schmelzpunkt an der Fest-Flüssig-Grenzfläche, was die Grenze zwischen dem Siliziumkristall und der Schmelze war, bis zu 1350°C.
Während des Wachstums des Kristalls wurde die Konzentration des Gases des Dotierungsmittels, das von der Oberfläche der Siliziumschmelze 10 erzeugt wurde, kontinuierlich gemessen. Ein Quadrupol-Gasanalysator wurde für die Gasanalyse verwendet. Die zu analysierende Gasspezies war SbO. Die Position in der Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100, an der das Gas gesammelt wurde, war eine dem in 2 abgebildeten elektromagnetischen Ventil 42 vorgeschaltete Leitung. Das Gas in der Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung 100 wurde durch einen Anschluss für zu analysierendes Gas mit einem Durchmesser von 10 mm in das Gasmassenanalysatorsystem gezogen. Während des Kristallwachstums wurde das Gas in der Ziehvorrichtung kontinuierlich abgezogen und Änderungen der Gaskonzentration von SbO, das in dem ausströmenden Gas, das mit Ar-Gas abgelassen wurde, enthalten war, wurden überwacht.
Im Anfangsstadium, in dem der Teil des geraden Stamms zu wachsen begann, betrug das Ar-Gas-Durchflussvolumen 120 L/min, und der Ofendruck 30 Torr. Das Ar-Gas-Durchflussvolumen wurde gemäß der folgenden Formel in Intervallen von 60 min angepasst, so dass die SbO-Zielkonzentration (300 ppm in Beispiel 1) erreicht wurde. $\begin{array}{l} [Ar - Durchflussvolumen nach der Anpassung] = \\ [Ar - Durchflussvolumen zum Zeitpunkt der Anpassung] \times \frac{[SbO - Zielkonzentration]}{[SbO - Konzentration zum Zeitpunkt der Anpassung]} \end{array}$
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Siliziumeinkristall-Ingot wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 gezogen, außer dass während des Kristallwachstums das Ar-Gas-Durchflussvolumen bei 120 L/min und der Ofendruck bei 30 Torr gehalten wurde.
(Vergleichsbeispiel 2)
Zu Beginn des Wachstums betrug der Ofendruck 30 Torr, und er wurde allmählich von 30 Torr auf 10 Torr verringert, bis eine Kristalllänge von 1800 mm erhalten wurde. Ferner wurde zu Beginn des Wachstums das Ar-Durchflussvolumen auf 120 L/min eingestellt, und allmählich von 120 L/min auf 180 L/min erhöht, bis eine Kristalllänge von 1800 mm erhalten wurde. Ein Siliziumeinkristall-Ingot wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 gezogen, mit Ausnahme der obigen Bedingungen.
<Änderung der SbO-Konzentration>
Die Änderungen der SbO-Konzentration in Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 sind in dem Graphen der 3 illustriert. Es ist zu beachten, dass die erhaltenen Messresultate auf Basis der Kristalllänge geordnet wurden.
Beispiel 1 zeigte, dass die Änderung der Konzentration innerhalb des Bereichs von ±4% von der SbO-Anfangskonzentration von 300 ppm lag, und die SbO-Konzentration konstant gehalten wurde. In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 war die SbO-Konzentration nicht konstant.
<Messergebnisse des spezifischen Widerstandes von Kristallen>
Der gezogene Siliziumeinkristall-Ingot wurde vom führenden Ende des geraden Stamms (0 mm) in 200 mm dicke Wafer geschnitten, und dann eine Wärmebehandlung bei 650°C durchgeführt, um Donoren in den Wafern vollständig zu vernichten. Als Nächstes wurde der spezifische Widerstand im Zentrum jedes Wafers mit einem Testverfahren unter Verwendung eines Vier-Punkt-Sondenarrays gemessen. Der auf Basis der Kristalllänge geordnete, gemessene spezifische Widerstand ist in 4 dargestellt.
<Verfahren zur Berechnung der Ausbeute>
Hierzu wurden die obersten 100 mm des Kristalls von der Blocklänge [mm] eines Widerstandsbereichs subtrahiert, und die Differenz durch 1800 [mm], was die gesamte Blocklänge war, dividiert. Der Prozentsatz des berechneten Werts wurde als die Kristallausbeute [%] definiert. Die Kristallausbeute war wie folgt. $(1700 [mm] / 1800 [mm]) \times 100 = 94.4 [%]$
$(520 [mm] / 1800 [mm]) \times 100 = 28,9 [%]$
$(610 [mm] / 1800 [mm]) \times 100 = 33,9 [%]$
Die obigen Resultate zeigten, dass ein Siliziumeinkristall-Ingot vom n-Typ mit hohem Widerstand und einem kleinen Toleranzbereich für den mittleren spezifischen Widerstand in Beispiel 1 hergestellt wurde, in dem SbO, das das Dotiergas des Dotierungsmittels vom n-Typ war, bei einer konstanten Konzentration gehalten wurde.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Offenbarung kann ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots vom n-Typ mit hohem Widerstand und einem kleinen Toleranzbereich für den mittleren spezifischen Widerstand, der geeignet in einem Leistungsbauelement verwendet wird, zur Verfügung stellen.
Bezugszeichenliste

1: Siliziumeinkristall-Ingot
10: Siliziumschmelze
20: Tiegel
21: Anhebe- und Rotationsmechanismus
30: Kammer
35: Einheit zum Anlegen eines Magnetfeldes
40: Druckregler
50: Ziehteil
60: Ar-Gaszufuhr
70: Führungsteil
80: Kontrolleinheit
81: Messeinheit
90: Heizung
100: Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung
G: Spalt

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots unter Verwendung einer Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung, die einen Tiegel, der eine mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotierte Siliziumschmelze aufbewahrt, eine Kammer, die den Tiegel aufnimmt, einen Druckregler, der einen Druck in der Kammer kontrolliert, einen Ziehteil, der einen Siliziumeinkristall-Ingot aus der Siliziumschmelze hochzieht, eine Gaszufuhr zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer, einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer abgelassen wird, und einen Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze angebracht ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, aufweist, das Folgendes umfasst: einen Ziehschritt, in dem der Siliziumeinkristall-Ingot mit dem Czochralski-Prozess hochgezogen wird; einen Messschritt, in dem eine Gaskonzentration eines Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält, gemessen wird, während der Ziehschritt durchgeführt wird; und einen Ziehbedingungs-Kontrollschritt, in dem einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, die mindestens einen Wert von dem Druck in der Kammer, einem Durchflussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze einschließen, während der Ziehschritt durchgeführt wird, so kontrolliert werden, dass die gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt, wobei in dem Messschritt die Gaskonzentration des Dotiergases, das mit dem Ar-Gas abgelassen wird, an der Seite des Ar-Gas-Auslasses gemessen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß Anspruch 1, bei dem die Zielgaskonzentration in einer Richtung des Kristallwachstums gleichmäßig ist.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gaskonzentration des Dotiergases unter Verwendung eines Massenspektrometers gemessen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumeinkristall-Ingots gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Dotierungsmittel vom n-Typ eines von Sb und As ist.
Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Tiegel, der eine mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ dotierte Siliziumschmelze aufbewahrt; einen Anhebe- und Rotationsmechanismus, der an einem unteren Ende des Tiegels vorgesehen ist, um den Tiegel zu rotieren, anzuheben und abzusenken; eine Kammer, die den Tiegel aufnimmt; einen Druckregler, der einen Druck in der Kammer kontrolliert; einen Ziehteil, der einen Siliziumeinkristall-Ingot mit dem Czochralski-Prozess aus der Siliziumschmelze hochzieht; eine Gaszufuhr zur Zufuhr von Ar-Gas in die Kammer; einen Gasauslass, durch den das Ar-Gas aus der Kammer abgelassen wird; und einen Führungsteil, der oberhalb einer Oberfläche der Siliziumschmelze vorgesehen ist, um das Ar-Gas so zu führen, dass es entlang der Oberfläche der Siliziumschmelze fließt, die ferner eine Messeinheit zum Messen der Gaskonzentration des Dotiergases, das das Dotierungsmittel vom n-Typ als Bestandteil enthält und mit dem Ar-Gas abgelassen wird, an der Seite des Ar-Gas-Auslasses umfasst, und die ferner eine Kontrolleinheit umfasst, die den Anhebe- und Rotationsmechanismus, den Druckregler, den Ziehteil, die Gaszufuhr und die Messeinheit kontrolliert, wobei einer oder mehrere Ziehbedingungswerte, eingeschlossen mindestens einen Wert von dem Druck in der Kammer, einem Durchflussvolumen des Ar-Gases und einem Spalt zwischen dem Führungsteil und der Siliziumschmelze unter Verwendung der Kontrolleinheit kontrolliert werden, während das Ziehen durchgeführt wird, so dass die mit der Messeinheit gemessene Gaskonzentration in einen Zielbereich der Gaskonzentration fällt.
Siliziumeinkristall-Wachstumsvorrichtung gemäß Anspruch 5, in der die Messeinheit ein Massenspektrometer ist.