DE112018002156T5

DE112018002156T5 - Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, Silicium-Einkristall-Ingot vom n-Typ, Siliciumwafer und epitaktischer Siliciumwafer

Info

Publication number: DE112018002156T5
Application number: DE112018002156.4T
Authority: DE
Inventors: Koichi MAEGAWA; Yasuhito Narushima; Yasufumi KAWAKAMI; Fukuo Ogawa; Ayumi Kihara
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2020-01-02
Also published as: CN110753764A; WO2018198606A1; US11702760B2; CN114606567A; KR20190126163A; JP2021107325A; US20200141024A1; JPWO2018198606A1; KR102275678B1; US20230295835A1; TWI664327B; JP6881571B2; TW201842241A

Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, bei dem ein Silicium-Einkristall 10 aus einer Siliciumschmelze 9 hochgezogen wird, die ein Hauptdotierungsmittel in Form von rotem Phosphor enthält, und so der Silicium-Einkristall 10 wächst, wird der Silicium-Einkristall 10, der einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 0,5 mΩcm bis 1,0 mΩcm liegt, unter Verwendung eines Quarztiegels 3A hochgezogen, dessen Innendurchmesser in einem Bereich von 1,7-Fachen bis 2,3-Fachen, relativ zu einem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10, liegt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, einen Ingot eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, einen Siliciumwafer, sowie einen epitaktischen Siliciumwafer.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren werden mobile Geräte, wie Mobiltelefone, verbreitet verwendet. Solche Geräte erfordern in hohem Maße eine Tragbarkeit und Verwendbarkeit für lange Zeit. Entsprechend wurden Anstrengungen unternommen, die Kapazität einer in das mobile Gerät eingebauten Batterie zu vergrößern und den Energieverbrauch des mobilen Gerätes selbst zu verringern.
Um den Energieverbrauch des mobilen Geräts selbst zu verringern, ist es notwendig, den Energieverbrauch eines in das mobile Gerät eingebauten Halbleiterbauteils zu verringern.
Weil beispielsweise ein Niederspannungs-Leistungs-MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), der in einem elektrischen Leistungsbauelement für ein mobiles Gerät verwendet wird, einen bestimmten inneren elektrischen Widerstand in einem eingeschalteten Zustand hat, verbraucht der Niederspannungs-Leistungs-MOSFET selbst abhängig von dem elektrischen Strom, der durch den Niederspannungs-Leistungs-MOSFET fließt, elektrische Energie.
Entsprechend kann der Energieverbrauch des mobilen Geräts verringert werden, wenn der innere Widerstand des Niederspannungs-Leistungs-MOSFET in eingeschaltetem Zustand verringert werden kann. Vor einem solchen Hintergrund besteht ein starker Bedarf an einem Silicium-Einkristall vom n-Typ mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand (nachstehend als niedriger spezifischer Widerstand bezeichnet), um den inneren Widerstand des Niederspannungs-Leistungs-MOSFET in eingeschaltetem Zustand zu verringern.
Für ein typisches Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silicium gemäß dem Czochralski-Prozess offenbart Patentliteratur 1, dass der Innendurchmesser eines Quarztiegels vorzugsweise dreimal so groß ist wie der Durchmesser (Durchmesser des geraden Körpers) des Silicium-Einkristalls, und dass mit dieser Anordnung der Silicium-Einkristall auch dann stabil hochgezogen werden kann, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls groß ist.
Beispiele für ein Dotierungsmittel, das den spezifischen Widerstand eines Siliciumwafers verringern kann, sind roter Phosphor und Arsen. Patentliteratur 2 offenbart die Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel für den niedrigen spezifischen Widerstand.
Ferner offenbart Patentliteratur 3 die Verwendung von Arsen als Dotierungsmittel für den niedrigen spezifischen Widerstand.
LITERATURLISTE
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1 JP 2009-292684 A
Patentliteratur 2 Japanisches Patent Nr. 5890587
Patentliteratur 3 JP 2011-44505 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE(N)
Wenn jedoch die obige, in Patentliteratur 1 beschriebene Technik verwendet wird, um Silicium-Einkristall vom n-Typ mit niedrigem spezifischem Widerstand hochzuziehen, verdampft ein Dotierungsmittel vom n-Typ (z.B. roter Phosphor und Arsen), das ein flüchtiges Dotierungsmittel ist, während des Hochziehens des Silicium-Einkristalls, verringert so die Ausbeute des Silicium-Einkristalls mit dem gewünschten niedrigen spezifischen Widerstand und ruft das Auftreten von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall infolge einer Zunahme der zugegebenen Menge des Dotierungsmittels vom n-Typ hervor.
Gemäß der Offenbarung von Patentliteratur 2 kann ein Siliciumwafer mit niedrigem spezifischem Widerstand mit rotem Phosphor als Dotierungsmittel hergestellt werden. Das Beispiel zeigt jedoch lediglich einen Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 200 mm.
Ferner kann gemäß der Offenbarung von Patentliteratur 3 ein Siliciumwafer mit niedrigem spezifischem Widerstand mit Arsen als einem Dotierungsmittel hergestellt werden. Das Beispiel zeigt jedoch lediglich einen Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 150 mm.
Es ist ein erfindungsgemäßes Ziel, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, das eine Verringerung der Ausbeute des Silicium-Einkristalls vermeiden und das Auftreten von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall verhindern kann, einen Ingot aus dem Silicium-Einkristall vom n-Typ, einen Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 200 mm oder mehr, sowie einen epitaktischen Siliciumwafer, bereitzustellen.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE(N)
Gemäß einem Aspekt der Erfindung dient ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Einkristall (für monokristallines Silicium) vom n-Typ durch Hochziehen eines Silicium-Einkristalls aus einer Siliciumschmelze, die ein Hauptdotierungsmittel in Form von rotem Phosphor enthält, und Wachsenlassen des Silicium-Einkristalls gemäß einem Czochralski-Prozess, bei dem der Silicium-Einkristall, von dem ein Teil einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einen Bereich von 0,5 mΩcm bis 1,0 mΩcm fällt, unter Verwendung eines Quarztiegels hochgezogen wird, dessen Innendurchmesser in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu einem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls liegt.
In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Durchmesser des geraden Körpers auf einen Durchmesser eines Teils des hochgezogenen Silicium-Einkristalls, aus dem ein Siliciumwafer herausgeschnitten wird, wobei der Durchmesser so kontrolliert wird, dass er im Wesentlichen konstant ist.
Gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung, kann ein Bereich einer freien Oberfläche der Schmelze in dem Quarztiegel verringert werden, indem der Quarztiegel verwendet wird, dessen Innendurchmesser im Bereich des 1,7-Fachen bis 2,3-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls liegt. Entsprechend kann die Verdampfung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel in der Schmelze verhindert und so eine Verringerung der Ausbeute eines Teils in dem Silicium-Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand vermieden werden.
Darüber hinaus kann, weil die Verhinderung der Verdampfung von rotem Phosphor dazu führt, dass die Zugabe von großen Mengen roten Phosphors zu Beginn des Hochziehens vermieden wird, das Auftreten von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall verhindert werden.
Mit anderen Worten kann gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung, indem die Verdampfung von rotem Phosphor in der Schmelze verhindert wird, während Dislokationen in dem Silicium-Einkristall infolge von hochkonzentriertem roten Phosphor zu Beginn des Hochziehens des Silicium-Einkristall verhindert wird, die Konzentration von rotem Phosphor in der Schmelze entsprechend dem Fortschreiten des Hochziehens gesteigert werden, so dass der Silicium-Einkristall mit niedrigem spezifischen Widerstand erhalten werden kann.
In der obigen Ausgestaltung liegt der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls vorzugsweise in einem Bereich von 201 mm bis 230 mm und der Innendurchmesser des Quarztiegels in einem Bereich vom 2,1-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls.
Weil die Verdampfung von rotem Phosphor verhindert werden kann, wenn der Silicium-Einkristall einen Durchmesser des geraden Körpers hat, der in einem Bereich von 201 mm bis 230 mm liegt, können die obigen Funktionen und Effekte erhalten werden, wenn der Innendurchmesser des Quarztiegels innerhalb des obigen Bereichs liegt.
In der obigen Ausgestaltung liegt der spezifische elektrische Widerstand des Teils des Silicium-Einkristalls vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,7 mΩcm.
Selbst in dem obigen Bereich des spezifischen elektrischen Widerstands kann der hochgezogene Silicium-Einkristall dislokationsfrei sein, indem der Innendurchmesser des Quarztiegels auf einen Bereich vom 2,1-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls festgelegt wird.
In der obigen Ausgestaltung liegt der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls vorzugsweise in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm und der Innendurchmesser des Quarztiegels in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls.
Weil die Verdampfung von rotem Phosphor verhindert werden kann, wenn der Silicium-Einkristall einen Durchmesser des geraden Körpers hat, der im Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt, können die obigen Funktionen und Effekte erhalten werden, wenn der Innendurchmesser des Quarztiegel innerhalb des obigen Bereichs liegt.
In der obigen Ausgestaltung liegt der spezifische elektrische Widerstand des Teils des Silicium-Einkristalls vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm.
Selbst in dem obigen Bereich des spezifischen elektrischen Widerstandes kann der hochgezogene Silicium-Einkristall dislokationsfrei sein, indem der Innendurchmesser des Quarztiegel so festgelegt wird, dass er in einen Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls, fällt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung dient ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Einkristall (für monokristallines Silicium) vom n-Typ, indem ein Silicium-Einkristall aus einer Siliciumschmelze hochgezogen wird, die ein Hauptdotierungsmittel in Form von Arsen enthält, und man den Silicium-Einkristall gemäß einem Czochralski-Prozess wachsen lässt, bei dem der Silicium-Einkristall unter Verwendung eines Quarztiegels hochgezogen wird, dessen Innendurchmesser in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls, liegt, bei dem ein Teil des Silicium-Einkristalls einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der im Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt und der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt.
Auch gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung können dieselben Funktionen und Effekte wie die oben beschriebenen erzielt werden.
Im Einzelnen kann gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung, indem die Verdampfung von Arsen in der Schmelze verhindert wird, während Dislokationen in dem Silicium-Einkristall infolge von hochkonzentriertem Arsen zu Beginn des Hochziehens des Silicium-Einkristalls verhindert werden, die Konzentration von Arsen in der Schmelze in Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Hochziehens erhöht werden, so dass der Silicium-Einkristall mit niedrigem spezifischem Widerstand erhalten werden kann.
In der obigen Ausgestaltung wird der Silicium-Einkristall vorzugsweise unter Verwendung einer Hochziehvorrichtung hochgezogen, deren Ofeninnendruck in einem Bereich von 40 kPa bis 80 kPa eingestellt ist.
In dieser Ausgestaltung kann die Verdampfung von rotem Phosphor und Arsen verhindert werden, indem der Ofeninnendruck der Hochziehvorrichtung auf 40 kPa oder mehr festgelegt wird. Andererseits kann durch Festlegen des Ofeninnendrucks auf 80 kPa oder weniger das Auftreten von Dislokationen, hervorgerufen durch die Konzentration des Dotierungsmittels in der Siliciumschmelze infolge von Segregation des Dotierungsmittels, verhindert werden.
In der obigen Ausgestaltung wird beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls vorzugsweise ein Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke, die im Bereich von 0,2 T bis 0,4 T liegt, an die Siliciumschmelze in dem Quarztiegel angelegt.
Weil das Anlegen des Magnetfelds mit der Magnetfeldstärke, die im Bereich von 0,2 T bis 0,4 T liegt, die Fluktuation innerhalb der Ebene (in-plane fluctuation) des Silicium-Einkristalls während des Hochziehens verhindern kann, kann der Silicium-Einkristall verlässlich hochgezogen werden, ohne Dislokationen hervorzurufen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Ingot des Silicium-Einkristalls vom n-Typ ein Hauptdotierungsmittel in Form von rotem Phosphor, wobei der Ingot einen Durchmesser des geraden Körpers hat, der im Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt und ein Teil des Ingots einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einen Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm fällt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Siliciumwafer aus dem Ingot des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung herausgeschnitten, und der Siliciumwafer weist einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm auf und besitzt einen Durchmesser von 300 mm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat ein epitaktischer Siliciumwafer einen auf einer Oberfläche des Siliciumwafers gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ausgebildeten epitaktischen Film.
Gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können der Ingot des Silicium-Einkristalls, der roten Phosphor als Dotierungsmittel enthält und einen ungewöhnlich großen Durchmesser von 300 mm und einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, der Siliciumwafer mit niedrigem spezifischem Widerstand und der epitaktische Siliciumwafer mit niedrigem spezifischem Widerstand erhalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Ingot des Silicium-Einkristalls vom n-Typ ein Hauptdotierungsmittel in Form von Arsen, wobei der Ingot einen Durchmesser des geraden Körpers hat, der im Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt und ein Teil des Ingots einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der im Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Siliciumwafer aus dem Ingot des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung herausgeschnitten, und der Siliciumwafer weist einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der im Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt, und er hat einen Durchmesser von 300 mm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein epitaktischer Siliciumwafer einen auf einer Oberfläche des Siliciumwafers gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ausgebildeten epitaktischen Film auf.
Gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können der Silicium-Einkristall-Ingot, der Arsen als Dotierungsmittel enthält und einen ungewöhnlich großen Durchmesser von 300 mm und einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, der Siliciumwafer mit niedrigem spezifischen Widerstand und der epitaktische Siliciumwafer mit niedrigem spezifischem Widerstand erhalten werden.
Figurenliste

1 illustriert schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Hochziehvorrichtung für Silicium-Einkristall gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen einer Länge des geraden Körpers und dem spezifischen Widerstand im Silicium-Einkristall (der Durchmesser des geraden Körpers liegt im Bereich von 201 mm bis 230 mm) in Beispielen mit rotem Phosphor als Dotierungsmittel zeigt.
3 ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen einer Länge des geraden Körpers und dem spezifischen Widerstand im Silicium-Einkristall (der Durchmesser des geraden Körpers liegt im Bereich von 201 mm bis 230 mm) in anderen Beispielen mit rotem Phosphor als Dotierungsmittel zeigt.
4 ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen einer Länge des geraden Körpers und dem spezifischen Widerstand im Silicium-Einkristall (der Durchmesser des geraden Körpers liegt im Bereich von 301 mm bis 330 mm) in Beispielen mit rotem Phosphor als Dotierungsmittel zeigt.
5 ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen einer Länge des geraden Körpers und dem spezifischen Widerstand im Silicium-Einkristall (der Durchmesser des geraden Körpers liegt im Bereich von 301 mm bis 330 mm) in Beispielen mit Arsen als Dotierungsmittel zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Aufbau der Hochziehvorrichtung 1 für einkristallines Silicium
1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Hochziehvorrichtung 1 für einkristallines Silicium. Ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silicium gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf die Hochziehvorrichtung 1 anwendbar. Die Hochziehvorrichtung 1, die Silicium-Einkristall (einkristallines Silicium) 10 gemäß dem Czochralski-Prozess hochzieht, schließt eine Kammer 2, die einen äußeren Körper definiert, und einen im Zentrum der Kammer 2 angeordneten Tiegel 3 ein.
Der Tiegel 3, der eine Doppelstruktur, gebildet aus einem inneren Quarztiegel 3A und einem äußeren Graphittiegel 3B, hat, ist an einem oberen Ende eines Trageschafts 4 befestigt, der rotierbar und vertikal beweglich ist.
Der Innendurchmesser des inneren Quarztiegels 3A des Tiegels 3 wird so festgelegt, dass er in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 3,2-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des hochgezogenen Silicium-Einkristalls 10, liegt.
Im Einzelnen liegt der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A, wenn der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 in einem Bereich von 201 mm bis 230 mm liegt, vorzugsweise in einem Bereich vom 2,1-Fachen bis 2,3-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10. Wenn der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt, liegt der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A vorzugsweise in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10.
Weil ein größerer Innendurchmesser des Tiegels 3 als der obige Innendurchmesser die Ausdehnung einer Wärmeschildplatte 12 und einen Öffnungsdurchmesser der Kammer 2 vergrößert, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass verdampftes Dotierungsmittel an einen Ofenkörper anhaftet und hervorruft, dass Fremdsubstanzen an den Silicium-Einkristall 10 anhaften, was zum Auftreten von Dislokationen führt.
Weil ein Spalt zwischen dem Silicium-Einkristall 10 und dem Quarztiegel 3A verkleinert werden kann, indem der Innendurchmesser des Tiegels 3 auf den obigen Bereich festgelegt wird, kann die Verdampfung des Dotierungsmittels (z.B. roter Phosphor und Arsen) verringert und das durch das Segregationsphänomen des Dotierungsmittels hervorgerufene Auftreten von Dislokationen im Startbereich des geraden Körpers verhindert werden.
Eine Widerstandsheizung 5 ist außen an dem Tiegel 3 so vorgesehen, dass sie den Tiegel 3 umgibt. Ein Wärmeisolationsmaterial 6 ist an der Außenseite der Heizung 5 und entlang einer inneren Oberfläche der Kammer 2 vorgesehen. Die Heizung 5 liegt nicht notwendigerweise in Form eines Einzelkörpers vor, sondern kann auch in Form von separaten Körpern (d.h., oberer Körper und unterer Körper) vorliegen, die jeweils unabhängig eine Temperatur einstellen können.
Ein Ziehschaft 7 (z.B. Draht), der mit vorgegebener Geschwindigkeit koaxial mit dem Trageschaft 4 und in einer entgegengesetzten oder gleichen Richtung wie die Richtung des Trageschafts 4 rotierbar ist, ist oberhalb des Tiegels 3 vorgesehen. Ein Keimkristall 8 ist an einem unteren Ende des Ziehschafts 7 befestigt.
Ein zylindrischer wassergekühlter Körper, der den Silicium-Einkristall 10 während des Wachstums umgibt, kann oberhalb einer Siliciumschmelze 9 in der Kammer 2 vorgesehen sein.
Der wassergekühlte Körper, der aus einem Metall mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit (z.B. Kupfer) gefertigt ist, wird durch Kühlwasser, das im Inneren des wassergekühlten Körpers zirkuliert, zwangsgekühlt. Der wassergekühlte Körper fördert die Kühlung des Silicium-Einkristalls 10 während des Wachstums und kontrolliert so einen Temperaturgradienten eines zentralen Bereichs des Silicium-Einkristalls 10 und eines Umfangsbereichs des Silicium-Einkristalls 10 in Richtung des Ziehschafts.
Die zylindrische Wärmeschildplatte 12 ist in der Kammer 2 angeordnet.
Die Wärmeschildplatte 12 schirmt den Silicium-Einkristall 10 während seines Wachstums vor Hochtemperatur-Strahlungswärme aus der Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3, der Heizung 5 und einer Seitenwand des Tiegels 3 ab. In der Nähe einer Fest-Flüssig-Grenzfläche (Kristallwachstumsgrenzfläche) verhindert die Wärmeschildplatte 12 auch Wärmediffusion nach außen und kontrolliert den Temperaturgradienten des zentralen Bereichs des Silicium-Einkristalls 10 und des Umfangsbereichs des Silicium-Einkristalls 10 in Richtung des Ziehschafts.
Ein Gaseinlass 13 zur Zufuhr von Inertgas (z.B. Ar-Gas) in die Kammer 2 ist an einem oberen Teil der Kammer 2 vorgesehen. Ein Gasauslass 14, durch den das Gas in der Kammer 2 angesaugt und abgelassen wird, wenn eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) angetrieben wird, ist an einem unteren Teil der Kammer 2 vorgesehen.
Das durch den Gaseinlass 13 in die Kammer 2 zugeführte Inertgas strömt zwischen dem wachsenden Silicium-Einkristall 10 und der Wärmeschildplatte 12 nach unten, fließt durch einen Spalt (Spalt an der Flüssigkeitsoberfläche) zwischen dem unteren Ende der Wärmeschildplatte 12 und der Flüssigkeitsoberfläche der Siliciumschmelze 9 hindurch, in Richtung der Außenseite der Wärmeschildplatte 12, ferner der Außenseite des Tiegels 3 und fließt anschließend entlang der Außenseite des Tiegels 3 nach unten, um durch den Auslass 14 abgelassen zu werden.
Für das Wachstum des Silicium-Einkristalls 10 unter Verwendung der obigen Wachstumsvorrichtung wird, während das Innere der Kammer 2 unter Inertgasatmosphäre und verringertem Druck gehalten wird, ein festes Material (z.B. polykristallines Silicium), das in den Tiegel 3 gefüllt ist, durch die Heizung 5 erhitzt, so dass es schmilzt und hierdurch die Siliciumschmelze 9 gebildet wird. Nachdem die Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3 gebildet wurde, wird der Ziehschaft 7 abgesenkt, um den Keimkristall 8 in die Siliciumschmelze 9 einzutauchen. Während der Tiegel 3 und der Ziehschaft 7 in vorgegebene Richtungen rotiert werden, wird der Ziehschaft 7 allmählich hochgezogen, und hierdurch wächst der Silicium-Einkristall 10 durchgängig mit dem Keimkristall 8.
Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silicium
Wenn der Silicium-Einkristall 10 (d.h., ein Silicium-Einkristall vom n-Typ gemäß der beispielhaften Ausführungsform) unter Verwendung der obigen Hochziehvorrichtung 1 hergestellt wird, wird roter Phosphor oder Arsen als Hauptdotierungsmittel zu Beginn des Hochziehens oder bei Bedarf während des Hochziehens zu der Siliciumschmelze 9 hinzugegeben, wodurch der Silicium-Einkristall 10 hergestellt werden kann. Wenn roter Phosphor oder Arsen als das Hauptdotierungsmittel verwendet wird, macht roter Phosphor oder Arsen 50 Masse-% oder mehr des Dotierungsmittels vom n-Typ aus. Jedoch kann ferner ein weiteres Dotierungsmittel hinzugegeben werden.
Bei dem Hochziehen eines Ingots des Silicium-Einkristalls 10 mit einem Durchmesser des geraden Körpers, der im Bereich von 201 mm bis 230 mm liegt, wird, wenn das Dotierungsmittel roter Phosphor ist, der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 an einem Startpunkt des geraden Körpers so kontrolliert, dass er in einen Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,05 mΩcm fällt. Anschließend verringert sich der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 mit dem Wachstum des Silicium-Einkristalls 10 durch das Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 fortlaufend und dadurch wird letztendlich der Silicium-Einkristall 10 mit dem spezifischen Widerstand erhalten, der im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,7 mΩcm liegt.
Beim Hochziehen des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 mit dem Durchmesser des geraden Körpers, der in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt, wird, wenn das Dotierungsmittel roter Phosphor ist, der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 am Startpunkt des geraden Körpers so kontrolliert, dass er in einen Bereich von 1,2 mΩcm bis 1,7 mΩcm fällt. Anschließend verringert sich der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 mit dem Wachstum des Silicium-Einkristalls 10 durch Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 fortlaufend und dadurch wird letztendlich der Silicium-Einkristall 10 erhalten, dessen spezifischer Widerstand in einem Teil des Ingots in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm liegt.
Beim Hochziehen des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 mit dem Durchmesser des geraden Körpers, der im Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt, wird, wenn das Dotierungsmittel Arsen ist, der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 an dem Startpunkt des geraden Körpers so kontrolliert, dass er in einen Bereich von 2,5 mΩcm bis 3,1 mΩcm fällt. Anschließend verringert sich der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 mit dem Wachstum des Silicium-Einkristalls 10 durch Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 fortlaufend und dadurch wird letztendlich der Silicium-Einkristall 10 erhalten, dessen spezifischer Widerstand an dem Teil des Ingots in einem Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt.
Der Ingot des Silicium-Einkristalls 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform kann unter üblichen Hochziehbedingungen hochgezogen werden. Dabei wird, um eine Konzentration des Dotierungsmittels (z.B. roter Phosphor und Arsen) in der Siliciumschmelze 9 innerhalb des Tiegels 3 zu erhöhen, beispielsweise während des Hochziehens eine hinzugefügte Menge des Dotierungsmittels verändert, das Segregationsphänomen gemäß dem Hochziehen für die Erhöhung der Dotierungsmittelkonzentration verwendet und/oder die zugeführte Menge von Inertgas in die Kammer 2 verändert, um Verdampfung des Dotierungsmittels zu verhindern, was zu einer Änderung im Innendruck der Kammer 2 führt.
Um in der ersten Hälfte des Hochziehens des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 die Verdampfung des Dotierungsmittels zu verringern und die Dotierungsmittelkonzentration in der Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3 zu erhöhen, wird im Einzelnen eine Ar-Durchflussrate so festgelegt, dass sie in einen Bereich von 50 l/min bis 150 l/min fällt, und der Innendruck des Ofens wird so festgelegt, dass er in einen Bereich von 40 kPa bis 80 kPa fällt.
Andererseits wird, um zu einem späteren Zeitpunkt beim Hochziehen des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 die Dotierungsmittelkonzentration in der Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3 durch Steigerung der Verdampfung des Dotierungsmittels und Ausgleichen der Konzentration des Dotierungsmittels mit der konzentrierten Dotierungsmittelkonzentration, die durch Segregation des Dotierungsmittels beim Fortschreiten des Wachstums des Silicium-Einkristalls 10 hervorgerufen wird, die Ar-Durchflussrate so festgelegt, dass sie in einen Bereich von 50 l/min bis 200 l/min fällt, und der Innendruck des Ofens so festgelegt, dass er in einen Bereich von 20 kPa bis 80 kPa, vorzugsweise von 30 kPa bis 40 kPa fällt.
Darüber hinaus ist es beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 bevorzugt, ein Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke, die von 0,2 T bis 0,4 T reicht, anzulegen. Das Anlegen des Magnetfeldes kann verhindern, dass der Silicium-Einkristall 10, der hochgezogen wird, einen Schmelzfluss hervorruft und kann ungleichmäßige Temperaturen und Turbulenzphänomene in der Schmelze verringern, so dass der Silicium-Einkristall 10 verlässlich hochgezogen werden kann, ohne Dislokationen hervorzurufen.
Wenn die Heizung 5 in Form einer oberen Heizung und einer unteren Heizung vorliegt, die unabhängig eine Temperatur einstellen können, liegt beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 der Wert des Verhältnisses einer Heizintensität (heating amount) der unteren Heizung zu einer Heizintensität der oberen Heizung vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 4.
Wenn das Verhältnis weniger als 1 ist, in anderen Worten, wenn die Heizintensität der unteren Heizung niedriger ist als die Heizintensität der oberen Heizung, wird ein Konvektionsfluss der Siliciumschmelze von dem Boden des Tiegels 3 in Richtung unterhalb der Fest-Flüssig-Grenzfläche nicht stark genug, um den in Bezug auf eine Temperatur instabilen Konvektionsfluss der Flüssigkeit von der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 mit hinzugefügtem Dotierungsmittel zu dem Silicium-Einkristall zu schwächen, so dass das Auftreten von Dislokationen, die durch die instabile Temperatur hervorgerufen werden, nicht verhindert werden kann.
Wenn andererseits das Verhältnis der Heizintensität 4 übersteigt, wird eine Wärmelast, die auf den unteren Teil des Tiegels einwirkt, vergrößert, so dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass Deformation des Tiegels 3 und Abblättern von Quarz von dem Tiegel 3 auftreten.
Bei der Ausbildung der Schulter des Silicium-Einkristalls 10 ist es bevorzugt, den Silicium-Einkristall 10 auf eine Weise hochzuziehen, dass das Auftreten einer Wiederaufschmelzregion mit einer großen Höhe (z.B. 200 µm oder mehr) vermieden wird. Die Wiederaufschmelzregion bezieht sich auf eine Region, in der der nach seinem Hochziehen aus der Siliciumschmelze 9 verfestigte Silicium-Einkristall 10 während des Hochziehens erneut aufschmilzt und flüssig wird.
Im Einzelnen wird bei der Ausbildung der Schulter der Silicium-Einkristall 10 zu Beginn hochgezogen, während der Tiegel 3 mit einer Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird, die in einem Bereich von 16 U/min bis 30 U/min liegt. Anschließend wird, wenn der Durchmesser der Schulter gleich oder mehr als die Hälfte des Durchmessers des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 wird, die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 allmählich verringert, so dass sie in einem Bereich von 4 U/min bis 12 U/min fällt.
Wenn der Silicium-Einkristall 10 bei der Ausbildung der Schulter zu Beginn bei einer Rotationsgeschwindigkeit über 30 U/min hochgezogen wird, wird die Operation der Hochziehvorrichtung 1 nicht stabilisiert, so dass die Schulter höchstwahrscheinlich deformiert wird.
Weiterhin wird, wenn der Durchmesser der Schulter gleich oder größer als die Hälfte des Durchmessers des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 wird, und wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 weniger als 4 U/min ist, die Siliciumschmelze 9 mit dem hinzugefügten Dotierungsmittel nicht stabilisiert, so dass höchstwahrscheinlich Dislokationen auftreten.
Wenn andererseits die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 12 U/min übersteigt, nehmen Fluktuationen der Sauerstoffdichte innerhalb der Ebene und der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 zu, und es gelingt nicht, eine stabile Kristallqualität zu erzielen.
Bei der Ausbildung des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 ist es bevorzugt, den Silicium-Einkristall 10 auf eine Weise hochzuziehen, dass das Auftreten der Wiederaufschmelzregion mit großer Höhe (z.B. 200 µm oder mehr) vermieden wird. Im Einzelnen wird bei der Ausbildung des geraden Körpers der Silicium-Einkristall 10 zu Beginn hochgezogen, während der Tiegel 3 mit einer Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird, die in einem Bereich von 9 U/min bis 30 U/min liegt. Anschließend wird, wenn der gerade Körper des Silicium-Einkristalls 10 um eine Länge in einem Bereich von 50 mm bis 200 mm hochgezogen wurde, die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 in einen Bereich von 0,1 U/min bis 7 U/min geändert.
Wenn der Silicium-Einkristall 10 zu Beginn der Ausbildung des geraden Körpers bei einer Rotationsgeschwindigkeit über 30 U/min hochgezogen wird, wird die Operation der Hochziehvorrichtung 1 nicht stabilisiert, so dass der gerade Körper höchstwahrscheinlich deformiert wird.
Ferner wird, wenn der gerade Körper bei einer Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 von weniger als 0,1 U/min in einem Bereich von 50 mm bis 200 mm ab einem Startpunkt des geraden Körpers hochgezogen wird, die Siliciumschmelze 9 mit hinzugefügtem Dotierungsmittel nicht stabilisiert, so dass Dislokationen höchstwahrscheinlich auftreten.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 7 U/min übersteigt, verstärken sich jedoch Fluktuationen der Sauerstoffdichte und des spezifischen elektrischen Widerstands innerhalb der Ebene des Silicium-Einkristalls 10 und rufen eine instabile Kristallqualität hervor.
Wenn das Dotierungsmittel roter Phosphor ist, stellt ein Teil nahe an einem Schwanz des Silicium-Einkristalls 10, der mit der Hochziehvorrichtung 1 hochgezogen wurde und einen Durchmesser des geraden Körpers aufweist, der im Bereich von 201 mm bis 230 mm liegt, den Silicium-Einkristall 10 in Form eines Ingots bereit, der einen spezifischen Widerstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,7 mΩcm aufweist.
Nachdem der Umfang des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 geschliffen wurde, um den Ingot mit dem Durchmesser des geraden Körpers von 200 mm bereitzustellen, wird der Ingot mit einer Drahtsäge oder ähnlichem in einen Siliciumwafer geschnitten. Der durch das Schneiden erhaltene Siliciumwafer wird gelappt und poliert, so dass der Siliciumwafer, der den spezifischen Widerstand von 0,5 mΩcm bis 0,7 mΩcm und den Durchmesser von 200 mm aufweist, erhalten werden kann.
Ferner wird, nachdem der Siliciumwafer bearbeitet wurde, ein epitaktischer Film auf einer Oberfläche des Siliciumwafers ausgebildet und so ein epitaktischer Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 200 mm für die Lieferung an einen Kunden hergestellt.
Wenn das Dotierungsmittel roter Phosphor ist, stellt ein Teil nahe dem Schwanz des Silicium-Einkristalls 10, der einen Durchmesser des geraden Körpers im Bereich von 301 mm bis 330 mm aufweist, den Silicium-Einkristall 10 in Form eines Ingots bereit, der einen spezifischen Widerstand im Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm hat.
Nachdem ein Umfang des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 geschliffen wurde, um einen Ingot mit einem Durchmesser des geraden Körpers von 300 mm bereitzustellen, wird der Ingot mit einer Drahtsäge oder ähnlichem in einen Siliciumwafer geschnitten. Der durch das Schneiden erhaltene Siliciumwafer wird geläppt und poliert, so dass der Siliciumwafer, der den spezifischen Widerstand im Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm und den Durchmesser von 300 mm aufweist, erhalten werden kann.
Ferner wird nach dem Bearbeiten des Siliciumwafers ein epitaktischer Wachstumsfilm auf einer Oberfläche des Siliciumwafers ausgebildet und so ein epitaktischer Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 300 mm für die Lieferung an einen Kunden hergestellt.
Wenn das Dotierungsmittel Arsen ist, stellt ein Teil nahe an einem Schwanz des Silicium-Einkristalls 10 mit einem Durchmesser des geraden Körpers im Bereich von 301 mm bis 330 mm den Silicium-Einkristall 10 in Form eines Ingots zur Verfügung, der einen spezifischen Widerstand im Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm aufweist.
Nachdem ein Umfang des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 geschliffen wurde, um einen Ingot mit einem Durchmesser des geraden Körpers von 300 mm bereitzustellen, wird der Ingot mit einer Drahtsäge oder dergleichen in einen Siliciumwafer geschnitten. Der durch das Schneiden erhaltene Siliciumwafer wird geläppt und poliert, so dass der Siliciumwafer mit dem Durchmesser von 300 mm erhalten werden kann.
Ferner wird, nachdem der Siliciumwafer bearbeitet wurde, ein epitaktischer Film auf einer Oberfläche des Siliciumwafers ausgebildet, und so ein epitaktischer Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 300 mm für die Lieferung an einen Kunden hergestellt.
BEISPIELE
Als nächstes werden Beispiele der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass der Bereich der Erfindung nicht auf die nachstehend gezeigten Beispiele beschränkt ist, sondern andere Ausgestaltungen einschließt, solange das Ziel der Erfindung erreicht werden kann.
Ingot des Silicium-Einkristalls 10 mit einem Durchmesser des geraden Körpers im Bereich von 201 mm bis 230 mm
Beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 mit einem Durchmesser des geraden Körpers (nachstehend manchmal als Kristalldurchmesser bezeichnet) im Bereich von 201 mm bis 230 mm wurde der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 an dem Startpunkt des geraden Körpers (d.h. Endpunkt der Schulter) so kontrolliert, dass er in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,05 mΩcm lag. Das Verhältnis des Innendurchmessers des Tiegels 3 zu dem Kristalldurchmesser (=[Innendurchmesser des Tiegels 3]/(Kristalldurchmesser]) wurde so festgelegt, dass es in den Beispielen in einen Bereich von 2,1 bis 2,3 fiel und in den Vergleichsbeispielen und Referenzbeispielen in einen Bereich von 2,6 bis 3,0. Die Befüllungsmenge wurde auf einen Bereich von 80 kg bis 180 kg festgelegt. Die Hochziehgeschwindigkeit wurde auf einen Bereich von 0,3 mm/min bis 1,0 mm/min festgelegt. Die Kristallrotationsgeschwindigkeit wurde auf einen Bereich von 9 U/min bis 17 U/min festgelegt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 wurde auf einen Bereich von 0,2 U/min bis 22 U/min festgelegt.
Ferner wurde in der ersten Hälfte des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 die Argondurchflussrate auf einen Bereich von 50 l/min bis 150 l/min und der Ofeninnendruck auf einen Bereich von 40 kPa bis 80 kPa festgelegt. In der letzten Hälfte des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 wurde die Argondurchflussrate auf einen Bereich von 50 l/min bis 200 l/min und der Ofeninnendruck auf einen Bereich von 20 kPa bis 80 kPa festgelegt.
Spezifischer Widerstand im Bereich von 0,6 mΩcm bis 0,7 mΩcm.
Der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A wurde relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 geändert. Der mit rotem Phosphor dotierte Silicium-Einkristall 10 wurde hochgezogen, während der spezifische Widerstand mit mehreren Maßnahmen kontrolliert wurde: im Einzelnen die Zugabe von rotem Phosphor als Dotierungsmittel; die Ar-Durchflussrate; der Ofeninnendruck; die Höhe der Wärmeschildplatte 12 von der Flüssigkeitsoberfläche; die Hochziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls 10; und eine Kombination davon. Die Resultate sind in Tabelle 1 und 2 gezeigt. In der folgenden Beschreibung bezieht sich der 0 %-Punkt der Länge des geraden Körpers auf den Startpunkt des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10, und der 100 %-Punkt der Länge des geraden Körpers bezieht sich auf einen Startpunkt des Schwanzes des Silicium-Einkristalls 10. Die Bestehenslänge (pass length) des geraden Körpers bezieht sich auf einen Wert, der erhalten wird durch Dividieren einer Länge eines Bereichs des geraden Körpers, der einen zufriedenstellenden spezifischen Widerstand (innerhalb eines gewünschten Bereichs des spezifischen Widerstands) hat und dislokationsfrei ist, durch die Gesamtlänge des geraden Körpers. Die Erfolgsrate der Dislokationsfreiheit bezeichnet die Rate der Zahl von Versuchen, die beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 mit Erfolg zu einem dislokationsfreien Zustand führte, relativ zu der Zahl der Versuche für das Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10.
Beim Vergleich von Vergleichsbeispielen 1 und 2 (Vergleich 1 und 2) mit Beispielen 1 bis 3 zeigen die Beispiele 1 bis 3 offensichtlich eine höhere Erfolgsrate der Dislokationsfreiheit und so eine Zunahme der Kristallausbeute, so dass gefunden wird, dass ein Teil des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 eine größere Region mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 0,6 mΩcm bis 0,7 mΩcm haben kann. Entsprechend wurde, wenn das Dotierungsmittel roter Phosphor ist und der Ingot des Silicium-Einkristalls 10 mit dem spezifischen Zielwiderstand im Bereich von 0,6 mΩcm bis 0,7 mΩcm hergestellt wird, gefunden, dass der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A vorzugsweise im Bereich vom 2,1-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 liegt.
Spezifischer Widerstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm
Es wurde in einem Teil des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 mit dem Durchmesser des geraden Körpers im Bereich von 201 mm bis 230 mm untersucht, wie der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A einen Einfluss auf den spezifischen Widerstand, der in einen Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm fällt, ausübt.
Im Einzelnen ist die Kontrolle des spezifischen Widerstandes durch Kontrolle der Ar-Durchflussrate, des Ofeninnendrucks und der Hochziehgeschwindigkeit eine Zweiwegekontrolle der Verhinderung der Verdampfung und der Förderung der Verdampfung. Verdampfung wird auf dem Silicium-Einkristall 10 von dem Kopfende des Kristalls bis zu einem Teil mit einem spezifischen Widerstand gleich oder weniger als einem gewünschten Wert verhindert. Ferner wird, wenn der spezifische Widerstand in einen gewünschten Bereich fällt, die Kontrolle des spezifischen Widerstands geändert in die Förderung der Verdampfung, um Effekte der Segregation aufzuheben. In einem Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm relativ zu dem Zielwert, der von 0,6 mΩcm bis 0,7 mΩcm reicht, ist die Dauer der Verhinderung der Verdampfung lange bis zur späteren Zeit des Hochziehens des Silicium-Einkristalls (direkt bevor der spezifische Widerstand 0,6 mΩcm erreicht).
Resultate sind in Tabelle 2 und 3 gezeigt.
Bei den Referenzbeispielen 1 und 2 (Referenz 1 und 2) war die Bestehenslänge des Kristalls 0 %, was zeigte, dass ein Teil des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 nicht den Zielwert im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm haben konnte. Im Gegensatz hierzu wurde in den Beispielen 4 bis 6 bestätigt, dass die Bestehenslänge des Kristalls in einem Teil des Ingots des Silicium-Einkristalls 10, dessen spezifischer Widerstand in den Zielbereich des elektrischen Widerstands fiel, erhalten wurde. Entsprechend wurde, wenn das Dotierungsmittel roter Phosphor war und der Ingot des Silicium-Einkristalls 10 mit dem spezifischen Zielwiderstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm hergestellt wurde, bestätigt, dass der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A ebenso bevorzugt im Bereich vom 2,1-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 liegt.
Insbesondere Beispiel 7 zeigt, dass der spezifische Widerstand stark abfällt, wenn das Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 fortschreitet. Der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 an dem Startpunkt des geraden Körpers wird 1,05 mΩcm und der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 bei 20 % der Länge des geraden Körpers wird ein relativ hoher Wert, um Dislokationen zu verhindern. Anschließend kann durch starke Verringerung des spezifischen Widerstandes der Silicium-Einkristall 10 mit dem spezifischen Zielwiderstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm oder 0,7 mΩcm mit hoher Ausbeute erhalten werden. Wenn der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls an dem Startpunkt des geraden Körpers 1,05 mΩcm übersteigt, ist die Länge des geraden Körpers mit dem spezifischen Zielwiderstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm sehr klein, was zu einer niedrigen Ausbeute führt.
Wie in Beispiel 8 gezeigt ist, kann durch Festlegen des spezifischen Widerstands des Silicium-Einkristalls an dem Startpunkt des geraden Körpers auf 0,8 mΩcm das Auftreten von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall verhindert werden, und ein Teil des geraden Körpers, dessen spezifischer Zielwiderstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,6 mΩcm liegt, kann 35 % des gesamten geraden Körpers ausmachen, und ein Teil des geraden Körpers, dessen spezifischer Zielwiderstand im Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,7 mΩcm liegt, kann 70 % des gesamten geraden Körpers ausmachen, was extrem hoch ist. Es ist zu beachten, dass dann, wenn der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls an dem Startpunkt des geraden Körpers auf 0,75 mΩcm, was niedriger als 0,8 mΩcm ist, festgelegt wurde, Diskokationen in dem Silicium-Einkristall bis zum Erreichen von 20% der Länge des geraden Körpers oft auftraten und das Wachstum des Silicium-Einkristalls behinderten.
Ingot des Silicium-Einkristalls 10 mit einem Durchmesser des geraden Körpers im Bereich von 301 mm bis 330 mm
Ein Silicium-Einkristall 10 mit einem Kristalldurchmesser im Bereich von 301 mm bis 330 mm wurde hochgezogen.
In den Beispielen und Vergleichsbeispielen (Vergleiche) wurde das Verhältnis des Innendurchmessers des Tiegels 3 zu dem Kristalldurchmesser (=[Innendurchmesser des Tiegels 3] / [Kristalldurchmesser]) so festgelegt, dass es in den Beispielen in einen Bereich von 1,7 bis 2,0 fiel und in den Vergleichsbeispielen in einen Bereich von 2,5 bis 2,6. Die Beschickungsmenge wurde auf einen Bereich von 80 kg bis 250 kg festgelegt. Die Hochziehgeschwindigkeit wurde auf einen Bereich von 0,3 mm/min bis 1,0 mm/min festgelegt. Die Kristallrotationsgeschwindigkeit wurde auf einen Bereich von 5 U/min bis 17 U/min festgelegt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels 3 wurde auf einen Bereich von 0,2 U/min bis 22 U/min festgelegt.
Darüber hinaus wurde in der ersten Hälfte des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 die Argongasdurchflussrate auf einen Bereich von 50 l/min bis 150 l/min festgelegt und der Ofeninnendruck auf einen Bereich von 40 kPa bis 80 kPa. In der letzten Hälfte des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 wurde die Argondurchflussrate auf einen Bereich von 50 l/min bis 200 l/min und der Ofeninnendruck auf einen Bereich von 20 kPa bis 80 kPa festgelegt.
Mit rotem Phosphor als Dotierungsmittel (von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm)
Mit rotem Phosphor als Dotierungsmittel wurde beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls 10 mit einem Kristalldurchmesser im Bereich von 301 mm bis 330 mm der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 am Startpunkt des geraden Körpers (d.h. Endpunkt der Schulter) auf einen Bereich von 1,2 mΩcm bis 1,7 mΩcm kontrolliert.
Für den Silicium-Einkristall 10 mit dem Durchmesser des geraden Körpers im Bereich 301 mm bis 330 mm wurde der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A auf dieselbe Weise wie oben relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 geändert, und während der spezifische Widerstand durch die Zugabe von rotem Phosphor als Dotierungsmittel gemäß den mehreren Maßnahmen kontrolliert wurde, wurde der mit rotem Phosphor dotierte Silicium-Einkristall 10 hochgezogen. Resultate sind in Tabelle 3 und 4 gezeigt.
In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 (Vergleich 3 und 4) war der hochgezogene Silicium-Einkristall nicht dislokationsfrei. 4 zeigt die Messergebnisse des spezifischen Widerstands des Silicium-Einkristalls mit Dislokation mit gestrichelten Linien. Der spezifische Widerstand von 1,0 mΩcm oder weniger wurde jedoch nicht erhalten.
Im Gegensatz hierzu wurde in den Beispielen 9 bis 12 eine Erfolgsrate der Dislokationsfreiheit von 20 % oder mehr erhalten und die Bestehenslänge des Kristalls war von 7 % bis 50 %. Dies zeigte, dass ein Teil des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 den spezifischen Widerstand im Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm haben konnte. Entsprechend wurde, wenn der Ingot des Silicium-Einkristalls 10 mit dem spezifischen Zielwiderstand im Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm unter Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel hergestellt wurde, es für ausreichend befunden, dass zumindest der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A auf einen Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10, festgelegt wurde.
Mit Arsen als Dotierungsmittel (von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm)
Für den Silicium-Einkristall 10 mit dem Durchmesser des geraden Körpers im Bereich von 301 mm bis 330 mm wurde auf dieselbe Weise wie oben der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10 geändert, und während der spezifische Widerstand durch die Zugabe von Arsen als das Dotierungsmittel gemäß den mehreren Maßnahmen kontrolliert wurde, wurde der mit Arsen dotierte Silicium-Einkristall 10 hochgezogen.
Dabei wurde der spezifische Widerstand des Silicium-Einkristalls 10 an dem Startpunkt des geraden Körpers (d.h. Endpunkt der Schulter) auf einen Bereich von 2,5 mΩcm bis 3,1 mΩcm kontrolliert. Resultate sind in Tabelle 4 und 5 gezeigt.
In den Vergleichsbeispielen 5 und 6 (Vergleich 5 und 6) war der hochgezogene Silicium-Einkristall nicht dislokationsfrei. 5 zeigt die Messresultate des spezifischen Widerstands des Silicium-Einkristalls mit Dislokationen mit gestrichelten Linien. Ein spezifischer Widerstand von 2,0 mΩcm oder weniger wurde jedoch nicht erhalten.
In den Beispielen 13 bis 16 wurde eine Erfolgsrate der Dislokationsfreiheit von 10 % oder mehr erhalten, und die Bestehenslänge des Kristalls war von 13 % bis 61 %. Dies zeigte, dass ein Teil des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 den spezifischen Widerstand im Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm haben konnte. Bei der Herstellung des Ingots des Silicium-Einkristalls 10 mit einem spezifischen Zielwiderstand im Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm unter Verwendung von Arsen als Dotierungsmittel wurde es entsprechend als ausreichend befunden, dass zumindest der Innendurchmesser des Quarztiegels 3A auf einen Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen, relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls 10, festgelegt wurde.
Bezugszeichenliste
1...Hochziehvorrichtung, 2...Kammer, 3...Tiegel, 3A..Quarztiegel, 3B...Graphittiegel, 4...Trageschaft, 5...Heizung, 6...Wärmeisolationsmaterial, 7...Ziehschaft, 8...Keimkristall, 9...Siliciumschmelze, 10...Silicium-Einkristall (einkristallines Silicium), 12...Wärmeschildplatte, 13...Gaseinlass, 14...Abgasauslass.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009292684 A [0008]
JP 5890587 [0008]
JP 2011044505 A [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, bei dem ein Silicium-Einkristall aus einer Siliciumschmelze hochgezogen wird, die ein Hauptdotierungsmittel in Form von rotem Phosphor enthält, und man den Silicium-Einkristall gemäß einem Czochralski-Prozess wachsen lässt, bei dem der Silicium-Einkristall, von dem ein Teil einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 0,5 mΩcm bis 1,0 mΩcm liegt, unter Verwendung eines Quarztiegels hochgezogen wird, dessen Innendurchmesser in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu dem Durchmesser eines geraden Körpers des Silicium-Einkristalls liegt.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 1, bei dem der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 201 mm bis 230 mm liegt und der Innendurchmesser des Quarztiegels in einem Bereich vom 2,1-Fachen bis 2,3-Fachen relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls liegt.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 2, bei dem der spezifische elektrische Widerstand des Teils des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 0,5 mΩcm bis 0,7 mΩcm liegt.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 1, bei dem der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt und der Innendurchmesser des Quarztiegels in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis 2,0-Fachen relativ zu dem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls liegt.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 4, bei dem der spezifische elektrische Widerstand des Teils des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, bei dem ein Silicium-Einkristall aus einer Siliciumschmelze hochgezogen wird, die ein Hauptdotierungsmittel in Form von Arsen enthält, und man den Silicium-Einkristall gemäß einem Czochralski-Prozess wachsen lässt, bei dem der Silicium-Einkristall unter Verwendung eines Quarztiegels hochgezogen wird, dessen Innendurchmesser in einem Bereich vom 1,7-Fachen bis zum 2,0-Fachen relativ zu einem Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls liegt, bei dem ein Teil des Silicium-Einkristalls einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt, und der Durchmesser des geraden Körpers des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Silicium-Einkristall unter Verwendung einer Hochziehvorrichtung hochgezogen wird, deren Ofeninnendruck in einem Bereich von 40 kPa bis 80 kPa eingestellt ist.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls ein Magnetfeld an die Siliciumschmelze in dem Quarztiegel angelegt wird, das eine Magnetfeldstärke aufweist, die in einem Bereich von 0,2 T bis 0,4 T liegt.
Ingot eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, der ein Hauptdotierungsmittel in Form von rotem Phosphor enthält, wobei der Ingot einen Durchmesser des geraden Körpers aufweist, der in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt, und ein Teil des Ingots einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm liegt.
Siliciumwafer, der aus dem Ingot des Silicium-Einkristalls vom n-Typ gemäß Anspruch 9 herausgeschnitten ist, wobei der Siliciumwafer einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,0 mΩcm liegt und einen Durchmesser von 300 mm hat.
Epitaktischer Siliciumwafer, der einen auf einer Oberfläche des Siliciumwafers gemäß Anspruch 10 ausgebildeten epitaktischen Film umfasst.
Ingot eines Silicium-Einkristalls vom n-Typ, der ein Hauptdotierungsmittel in Form von Arsen enthält, wobei der Ingot einen Durchmesser des geraden Körpers aufweist, der in einem Bereich von 301 mm bis 330 mm liegt, und ein Teil des Ingots einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt.
Siliciumwafer, der aus dem Silicium-Einkristall-Ingot vom n-Typ gemäß Anspruch 12 herausgeschnitten ist, wobei der Siliciumwafer einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der in einem Bereich von 1,7 mΩcm bis 2,0 mΩcm liegt und einen Durchmesser von 300 mm hat.
Epitaktischer Siliciumwafer, der einen auf einer Oberfläche des Siliciumwafers gemäß Anspruch 13 ausgebildeten epitaktischen Film umfasst.