DE112022003764T5

DE112022003764T5 - Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen, und Einkristall-Ziehvorrichtung

Info

Publication number: DE112022003764T5
Application number: DE112022003764.4T
Authority: DE
Inventors: Shingo Narimatsu; Takashi Ishikawa
Original assignee: GlobalWafers Japan Co Ltd
Current assignee: GlobalWafers Japan Co Ltd
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2024-05-29
Also published as: WO2023007830A1; TW202314062A; JP2023020503A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen spezifischen Widerstand entlang einer Achsenrichtung mit hoher Genauigkeit unabhängig vom Auftreten der ersten Versetzungserzeugung in einem Einkristall zu steuern und zudem die Ausbeute zu verbessern. Die Erfindung weist auf einen Schritt des Zugebens eines Hauptdotierstoffs zu einer Siliziumschmelze M während der Bildung der Siliziumschmelze in einem Tiegel, einen Schritt des Züchtens eines Einkristalls aus der Siliziumschmelze mit dem ihr zugegebenen Hauptdotierstoff und einen Schritt des kontinuierlichen oder intermittierenden Zugebens eines Hilfsdotierstoffs mit einem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Siliziumschmelze im Schritt des Züchtens des Einkristalls, und die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Schritt des Förderns eines spanartigen Dotierstoffs in eine Kammer mit Hilfe einer relativ zur Kammer zurückziehbaren Schubstange und ferner durch Fallenlassen des spanartigen Dotierstoffs, der durch die Schubstange in die Kammer befördert wird, in ein trichterförmiges Werkzeug und des anschließenden Zugebens des spanartigen Dotierstoffs in die Siliziumschmelze durch ein im trichterförmigen Werkzeug bereitgestelltes enges Rohr im Schritt des Zugebens des Hilfsdotierstoffs zur Siliziumschmelze.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen und eine Kristallziehvorrichtung, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen, mit dem der festgelegte Bereich des spezifischen Widerstands entlang der Axialrichtung eingehalten werden kann, und eine Kristallziehvorrichtung dafür.
Hintergrund der Technik
Das Züchten von Silizium-Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) geschieht durch die folgenden Schritte:

Füllen von Polysilizium als Rohmaterial in einen in einer Kammer installierten Quarztiegel, Erwärmen des zu schmelzenden Polysiliziums mit einer im Umfang des Quarztiegels eingebauten Heizung zu einer Siliziumschmelze, Eintauchen eines an einem Impfkristallhalter angebrachten Impfkristalls in die Siliziumschmelze und (Nach-oben-) Ziehen des Impfkristallhalters, während der Impfkristallhalter und Quarztiegel in der gleichen oder in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden.

Die meisten der so nach dem CZ-Verfahren hergestellten Silizium-Einkristalle werden als Halbleitermaterial verwendet. Der spezifische Widerstand der gewachsenen Silizium-Einkristalle wird durch Zugabe von Dotierstoffen in die Siliziumschmelze eingestellt. Die Dotierstoffe werden in p-leitende und n-leitende eingeteilt; häufig wird Phosphor (P) als Dotierstoff bei der Züchtung eines n-leitenden Kristalls verwendet.
Beim Aufwachsen von Silizium-Einkristallen nach dem CZ-Verfahren beobachtet man ein Phänomen, dass der spezifische Widerstand entlang der Kristallwachstumsrichtung variiert, wenn ein Dotierstoff zugegeben wird. Dies ist auf die Segregation des Dotierstoffs zurückzuführen, bei der die Konzentration des Dotierstoffs in der Restschmelze in Abhängigkeit von der Abnahme der Siliziumschmelze im Tiegel mit dem Einkristallwachstum allmählich zunimmt, und dementsprechend sinkt der spezifische Widerstand des Einkristalls kontinuierlich. Der Segregationskoeffizient von Phosphor ist mit 0,35 niedriger als der Segregationskoeffizient von 0,8 für Bor, das häufig als Dotierstoff für p-leitende Kristalle verwendet wird, bei denen die Abnahme des spezifischen Widerstands von oben nach unten im Vergleich zum p-leitenden Kristall erheblich ist. Aus diesem Grund verringert sich der als Produkt nutzbare Anteil, und es wird schwierig, die Ausbeute zu verbessern.
Zur Überwindung dieses Problems offenbart die Patentliteratur 1 (PTL 1) beispielsweise ein Verfahren, bei dem der Hauptdotierstoff und ein Hilfsdotierstoff, dessen Leitfähigkeitstyp eine zum Hauptdotierstoff entgegengesetzte Polarität und einen geringeren Segregationskoeffizienten hat, zugegeben werden (d. h. Gegendotierung), bevor ein Kristall gezogen wird. Mit diesem Verfahren kann die spezifische Widerstandsverteilung entlang der Axialrichtung des Einkristalls verbessert werden, in dem die durch den Hauptdotierstoff verursachte Verringerung des spezifischen Widerstands durch den Hilfsdotierstoff ausgeglichen wird.
Wie zuvor beschrieben, ist der am häufigsten verwendete Dotierstoff für die Herstellung von n-leitenden Einkristallen Phosphor (P), dessen Segregationskoeffizient etwa 0,35 beträgt. Im Gegensatz dazu ist der am häufigsten verwendete Dotierstoff als Element für den entgegengesetzten Polaritätstyp bei der Fertigung von Bauelementen Bor (B), das einen Segregationskoeffizienten von etwa 0,8 hat, der größer ist als der von Phosphor (P), und die vorstehende Technik ist, so wie sie ist, nicht nutzbar.
Zur Lösung eines solchen Problems offenbart die Patentliteratur 2 (PTL 2) ein Verfahren, bei dem Bor (B) als Hilfsdotierstoff gegenüber Phosphor (P) als Hauptdotierstoff kontinuierlich zugegeben wird, während der Einkristall gezogen wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von n-leitenden Einkristallen mit einer verbesserten spezifischen Widerstandsverteilung in der Axialrichtung durch die Gegendotierung des Hilfsdotierstoffs Bor (B) gegen den Hauptdotierstoff Phosphor (P).
Tritt bei dem in PTL 2 beschriebenen Verfahren die erste Versetzungserzeugung während des Wachstums eines Einkristalls auf, führt aufgrund dessen, dass der Einkristall und die Rohschmelze zu diesem Zeitpunkt bereits den Hilfsdotierstoff als Element für den entgegengesetzten Polaritätstyp enthalten, das Umschmelzen zu einem Mangelzustand an Hauptdotierstoff, und es kann kein Produkt erhalten werden.
Folglich wird der Teil des Kristalls bis dahin, wo die erste Versetzungserzeugung auftritt, von der Rohschmelze abgetrennt und zur Entsorgung entnommen, wodurch sich die Ausbeute stark verringert.
Zur Lösung des Problems in PTL 2 offenbart die in PTL 3 offenbarte Erfindung eine Konfiguration, bei der ein dünner Stab aus einem Hilfsdotierstoff und ein dünner Stab aus dem Hauptdotierstoff in der Kammer platziert werden, beim Ziehen eines geraden Abschnitts der dünne Stab aus dem Hilfsdotierstoff kontinuierlich oder intermittierend eingeschoben wird und bei Auftreten der ersten Versetzungserzeugung der Silizium-Einkristall umgeschmolzen und vor dem Ziehen der dünne Stab aus dem Hauptdotierstoff in die Siliziumschmelze eingeschoben wird, um den Hauptdotierstoff zuzugeben.
Liste der Zitate
Patentliteratur

PTL 1: JP-A-2004-307305
PTL 2: JP-A-H3-247585
PTL 3: JP-A-2016-60667

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem in PTL 3 offenbarten Verfahren wird auch dann, wenn die erste Versetzungserzeugung in dem beim Aufwachsen gegendotierten Siliziumkristall auftritt, der Konzentrationsmangel des Hauptdotierstoffs durch Einschieben des dünnen Stabs aus dem Hauptdotierstoff beim Umschmelzen kompensiert.
Allerdings ist die Konfiguration zum Einschieben der dünnen Stäbe aus dem Dotierstoff in die Schmelze vom Mechanismus her kompliziert, und die genaue Steuerung der Konzentration des Haupt- und Hilfsdotierstoffs ist schwierig, da die Konzentration der dünnen Stäbe selbst infolge der Segregation in Längsrichtung variiert.
In PTL 3 wird angeführt, dass der Schmelze körnige Dotierstoffe zugeführt werden können, statt die zuvor beschriebene Konfiguration zu nutzen, bei der ein dünner Stab aus Dotierstoff in die Schmelze eingeschoben wird.
Allerdings wird keine spezifische Konfiguration zum Zuführen des körnigen Dotierstoffs in die Schmelze offenbart, und es besteht möglicherweise die Gefahr, dass die erste Versetzungserzeugung infolge der Welligkeit der Schmelzenoberfläche auftritt, wenn der körnige Dotierstoff einfach der Schmelze zugesetzt werden soll.
Im Rahmen der Erfindung untersuchte man eingehend die Prämisse, dass der Hilfsdotierstoff während des Ziehens eines Silizium-Einkristalls zugeführt wird, um die Gegendotierung durchzuführen, durch die der spezifische Widerstand in der Axialrichtung gesteuert wird, wodurch die Erfindung zustande kam.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls bereitzustellen, in dem der Hilfsdotierstoff mit einer relativ einfachen Konfiguration zugeführt werden kann, wenn der Hilfsdotierstoff während des Ziehens eines Silizium-Einkristalls zugeführt wird, um die Gegendotierung durchzuführen, durch die der spezifische Widerstand in der Axialrichtung gesteuert wird, und sogar in einem Fall, in dem Umschmelzen aufgrund des Auftretens der ersten Versetzungserzeugung durchgeführt wird, der Konzentrationsmangel an Hauptdotierstoff durch Zuführen des Hauptdotierstoffs durch die vorstehende Konfiguration durchgeführt werden kann.
Das heißt, die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls, das eine genaue Steuerung des spezifischen Widerstands entlang der Axialrichtung und eine Verbesserung der Ausbeute unabhängig vom Auftreten der ersten Versetzungserzeugung des Silizium-Einkristalls ermöglicht, sowie eine Ziehvorrichtung für einen Einkristall bereitzustellen.
Problemlösung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls zur Lösung des vorstehenden Problems ist ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls durch Züchten eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren durch Bilden einer Siliziumschmelze in einem Tiegel durch Erwärmen mit einer Heizung in einer Kammer, wobei das Herstellungsverfahren aufweist:

einen Schritt des Zugebens eines Hauptdotierstoffs zur Siliziumschmelze, wenn die Siliziumschmelze im Tiegel gebildet wird,
einen Schritt des Züchtens eines Silizium-Einkristalls aus der Siliziumschmelze, der der Hauptdotierstoff zugegeben ist, und
einen Schritt des kontinuierlichen oder intermittierenden Zugebens eines Hilfsdotierstoffs mit einem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Siliziumschmelze,
wobei der Schritt des Zugebens des Hilfsdotierstoffs aufweist:
- einen Schritt des Transportierens eines oder mehrerer spanartiger Dotierstoffe durch eine zur Kammer zurückziehbare Schubstange, wobei der eine oder die mehreren spanartigen Dotierstoffe, die durch die Schubstange zur Kammer transportiert werden, in eine trichterförmige Vorrichtung fallen gelassen werden und der spanartige Dotierstoff der Siliziumschmelze über ein an der trichterförmigen Vorrichtung angebrachtes schmales/enges Rohr bzw. einen schmalen/engen Schlauch [im vorliegenden Text bezeichnet als: enges Rohr] zugeführt wird.

Bevorzugt weist das Herstellungsverfahren nach dem Schritt des Zugebens des Hilfsdotierstoffs zur Siliziumschmelze im Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls ferner auf:

einen Schritt des Umschmelzens des Silizium-Einkristalls, in dem die erste Versetzungserzeugung aufgetreten ist, wenn die erste Versetzungserzeugung im Silizium-Einkristall auftritt,
einen Schritt des Zugebens des spanartigen Dotierstoffs aus dem Hauptdotierstoff in die Siliziumschmelze unter Verwendung der Schubstange und des trichterförmigen Werkzeugs;
einen Schritt des Neuzüchtens (regrowing) des Silizium-Einkristalls aus der Siliziumschmelze; und
einen Schritt des kontinuierlichen oder intermittierenden Zugebens des Hilfsdotierstoffs mit dem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Siliziumschmelze im Schritt des Neuzüchtens (regrowing) des Silizium-Einkristalls aus der Siliziumschmelze.

Das Herstellungsverfahren weist einen Schritt des Anlegens eines horizontalen Magnetfelds an der Siliziumschmelze im Tiegel vor dem Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls auf, wobei im Schritt des Zugebens des Hilfsdotierstoffs mit dem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Siliziumschmelze im Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls die Position des Dotierstoffs, der in das horizontale Magnetfeld fällt, bevorzugt in einem Bereich von 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad liegt, wobei die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist.
Mit diesem Verfahren kann der spezifische Widerstand entlang der Axialrichtung des Silizium-Einkristalls im festgelegten Bereich gehalten werden, indem der Hilfsdotierstoff mit dem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Siliziumschmelze im Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls kontinuierlich oder intermittierend zugegeben wird, wenn ein Silizium-Einkristall durch Ziehen aus der Siliziumschmelze, zu der der Hauptdotierstoff zugegeben worden ist, gezüchtet wird.
Da insbesondere bei Zugabe des spanartigen Dotierstoffs zur Siliziumschmelze der spanartige Dotierstoff über das in der Kammer angeordnete trichterförmige Werkzeug punktgenau auf die exakte Position auf der Siliziumschmelze fallen gelassen wird, was die Strömung der Schmelzenoberfläche nicht beeinflusst, wird das Auftreten der ersten Versetzungserzeugung infolge der Zuführung des Dotierstoffs verhindert. Da das trichterförmige Werkzeug eine Konfiguration hat, bei der der transportierte spanartige Dotierstoff mit Hilfe der Schubstange zugeführt wird, wird der spanartige Dotierstoff dem trichterförmigen Werkzeug im freien Fall zugeführt und fällt auf die Schmelzenoberfläche der Siliziumschmelze, wobei er den engen Rohrabschnitt mit Schwung durchläuft. So kann die Zugabe des Dotierstoffs zur Siliziumschmelze erreicht werden, ohne dass der enge Rohrabschnitt des trichterförmigen Werkzeugs verstopft.
Da die Zugabe des Dotierstoffs während des Wachstums des Silizium-Einkristalls durch eine relativ einfache Konfiguration und mit einer spanweise notwendigen Menge erreicht wird, kann eine genaue Steuerung des spezifischen Widerstands erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Einkristall-Ziehvorrichtung zur Lösung des vorstehenden Problems bildet eine Siliziumschmelze in einem Tiegel, der sich in einer mit einer Heizung erwärmten Kammer befindet, und zieht einen Silizium-Einkristall nach dem Czochralski-Verfahren; wobei die Ziehvorrichtung aufweist:

eine Abschirmung, die über dem Tiegel angeordnet ist, um den aufwachsenden Silizium-Einkristall zu umgeben,
ein trichterförmiges Werkzeug mit einem sich nach oben öffnenden kegelförmigen Abschnitt, der an der Abschirmung angebracht ist, und einem engen Rohr, das sich von der unteren Spitze des kegelförmigen Abschnitts nach unten erstreckt, und
eine Schubstange, die vorschiebbar und zurückziehbar an der Innenseite der Kammer angebracht ist, um den einen oder die mehreren spanartigen Dotierstoffe, die auf das Spitzenende gegeben sind, der Öffnung des kegelförmigen Abschnitts der trichterförmigen Vorrichtung zuzuführen, wobei der spanartige Dotierstoff, der der Öffnung des kegelförmigen Abschnitts der trichterförmigen Vorrichtung zugeführt wird, über das enge Rohr der trichterförmigen Vorrichtung in die Siliziumschmelze fällt.

Der Spitzenendabschnitt der Schubstange ist löffelförmig ausgebildet, und die Schubstange ist vorzugsweise drehbar um die Achse angeordnet.
Eine Einrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfelds ist bereitgestellt, um das horizontale Magnetfeld an der Siliziumschmelze im Tiegel anzulegen, und die trichterförmige Vorrichtung ist bevorzugt so angeordnet, dass die Position des in das horizontale Magnetfeld fallenden Dotierstoffs bevorzugt in einem Bereich von 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad liegt, wobei die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist.
Mit diesem Verfahren kann der spezifische Widerstand entlang der Axialrichtung des Silizium-Einkristalls im festgelegten Bereich gehalten werden, indem der Hilfsdotierstoff mit dem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Siliziumschmelze im Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls kontinuierlich oder intermittierend zugegeben wird, wenn ein Silizium-Einkristall durch Ziehen aus der Siliziumschmelze, zu der der Hauptdotierstoff zugegeben worden ist, gezüchtet wird.
Da insbesondere bei Zugabe des spanartigen Dotierstoffs zur Siliziumschmelze der spanartige Dotierstoff über das in der Kammer angeordnete trichterförmige Werkzeug punktgenau auf die exakte Position auf der Siliziumschmelze fallen gelassen wird, was die Strömung der Schmelzenoberfläche nicht beeinflusst, wird das Auftreten der ersten Versetzungserzeugung aufgrund der Zuführung des Dotierstoffs verhindert. Da das trichterförmige Werkzeug eine Konfiguration hat, bei der der transportierte spanartige Dotierstoff mit Hilfe der Schubstange zugeführt wird, wird der spanartige Dotierstoff dem trichterförmigen Werkzeug im freien Fall zugeführt und fällt auf die Schmelzenoberfläche der Siliziumschmelze, wobei er den engen Rohrabschnitt mit Schwung durchläuft. So kann die Zugabe des Dotierstoffs zur Siliziumschmelze erreicht werden, ohne dass der enge Rohrabschnitt des trichterförmigen Werkzeugs verstopft.
Da die Zugabe des Dotierstoffs während des Wachstums des Silizium-Einkristalls durch eine relativ einfache Konfiguration und mit einer spanweise notwendigen Menge erreicht wird, kann eine genaue Steuerung des spezifischen Widerstands erfolgen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Erfindungsgemäß kann der Hilfsdotierstoff mit einer relativ einfachen Konfiguration zugeführt werden, wenn der Hilfsdotierstoff während des Ziehens eines Silizium-Einkristalls zugeführt wird, um die Gegendotierung durchzuführen, durch die der spezifische Widerstand in der Axialrichtung gesteuert wird, und auch in einem Fall, in dem es zu Umschmelzen aufgrund des Auftretens der ersten Versetzungserzeugung kommt, kann der Konzentrationsmangel des Hauptdotierstoffs durch Zuführen des Hauptdotierstoffs durch die vorstehende Konfiguration kompensiert werden.
Dies führt zu genauer Steuerung des spezifischen Widerstands entlang der Axialrichtung und zu Verbesserung der Ausbeute unabhängig vom Auftreten der ersten Versetzungserzeugung des Silizium-Einkristalls.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Querschnittansicht einer Einkristall-Ziehvorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für den Silizium-Einkristall durchgeführt wird.
2A und 2B sind Querschnittansichten des vergrößerten Teilstücks eines Teils der Einkristall-Ziehvorrichtung in 1.
3 ist eine Draufsicht, die die Strömungsrichtung auf der Schmelzenoberfläche unter dem Einfluss des horizontalen Magnetfelds zeigt.
4 ist ein Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls.
5 ist ein vom Ablaufplan in 4 fortgesetzter Ablaufplan.
6 ist ein Diagramm der Ergebnisse des Versuchs 1 der Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsformen
Anhand der Zeichnungen wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls beschrieben. 1 ist eine Querschnittansicht einer Einkristall-Ziehvorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für den Silizium-Einkristall durchgeführt wird.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 1 ist mit einem Ofen 10 versehen, der durch Stapeln einer Ziehkammer 10b über einer Hauptkammer 10a mit einer Zylinderform gebildet ist, und ein Kohlenstofftiegel (oder Graphittiegel) 2, der um die vertikale Achse drehbar ist und anhebbar ist, und ein Quarzglastiegel 3 (im Folgenden einfach Tiegel 3 genannt), der vom Kohlenstofftiegel 2 gehalten wird, sind im Ofen 10 bereitgestellt. Der Tiegel 3 ist zusammen mit der Drehung des Kohlenstofftiegels 2 um die vertikale Achse drehbar gestaltet.
Unter dem Kohlenstofftiegel 2 sind eine Drehantriebseinheit 14, z. B. ein Motor, der den Kohlenstofftiegel 2 um die vertikale Achse dreht, und eine Höhenantriebseinheit 15 bereitgestellt, die den Kohlenstofftiegel auf und ab bewegt.
Eine Drehantriebs-Steuereinheit 14a ist mit der Drehantriebseinheit 14 verbunden, und eine Höhenantriebs-Steuereinheit 15a ist mit der Höhenantriebseinheit 15 verbunden.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 1 ist mit einer Seitenheizung 4 durch Widerstandserwärmung zum Schmelzen des in den Tiegel 3 gefüllten Halbleiter-Rohmaterials (Polysilizium-Rohmaterial) zu einer Siliziumschmelze M (im Folgenden einfach Schmelze M genannt) und einem Hochziehmechanismus 9 zum Ziehen eines zu züchtenden Einkristalls C durch Aufwickeln eines Drahts 6 versehen. Ein Impfkristall P ist am Spitzenende des Drahts 6 angebracht, über den der Hochziehmechanismus 9 verfügt.
Eine Heizungssteuereinheit 4a, die die Stromzufuhr steuert, ist mit der Seitenheizung 4 verbunden, und eine Drehantriebs-Steuereinheit 9a zur Steuerung des Drehantriebs ist mit dem Hochziehmechanismus 9 verbunden.
In dieser Ausführungsform ist beispielsweise eine elektromagnetische Spule 8 zum Anlegen eines Magnetfelds (Einrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfelds) außerhalb des Ofens 10 in der Einkristall-Ziehvorrichtung 1 bereitgestellt. Bei Zufuhr eines vorbestimmten Stroms zur elektromagnetischen Spule 8 zum Anlegen des Magnetfelds ist ein horizontales Magnetfeld mit einer vorbestimmten Stärke (1000 bis 4000 G) so konfiguriert, dass es an der Siliziumschmelze M im Tiegel 3 anliegt. Eine Steuereinheit 8a für die elektromagnetische Spule ist mit der elektromagnetischen Spule 8 zum Anlegen des Magnetfelds verbunden.
Das heißt, in dieser Ausführungsform wird das CZ-Verfahren mit angelegtem Magnetfeld (MCZ-Verfahren) durchgeführt, in dem ein Einkristall durch Anlegen eines horizontalen Magnetfelds in der Schmelze M gezüchtet wird, wodurch die Konvektion der Siliziumschmelze M gesteuert und die Stabilisierung der Einkristall-Bildung verbessert wird.
Über der im Tiegel 3 gebildeten Schmelze M ist eine Strahlungsabschirmung 7 angeordnet, die den Umfang des Einkristalls C umgibt. Die Strahlungsabschirmung 7 hat Öffnungen an ihrer Ober- und Unterseite, schirmt die unnötige Strahlungswärme von der Seitenheizung 4 und der Schmelze M zum aufwachsenden Einkristall C ab und stellt auch die Gasströmung im Ofen richtig.
Der Spalt zwischen dem unteren Ende der Strahlungsabschirmung 7 und der Schmelzenoberfläche M1 wird so gesteuert, dass ein vorbestimmter Abstand konstant gehalten wird (beispielsweise 50 mm), der von den gewünschten Eigenschaften des zu züchtenden Einkristalls abhängt.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 1 ist mit einem optischen Messsensor 16, z. B. einer CCD-Kamera, zum Messen des Durchmessers des Silizium-Einkristalls versehen.
Ein kleines Fenster 10a1 zur Beobachtung ist an der oberen Fläche der Hauptkammer 10a angebracht, und die Positionsänderung der Fest-Flüssig-Grenzfläche wird von außen durch das kleine Fenster 10a1 detektiert. Anhand des gemessenen Durchmessers und der Länge des Einkristalls wird das durch Einkristall-Gewicht/Ausgangsgewicht des Silizium-Rohmaterials dargestellte Erstarrungsverhältnis ermittelt, und der spezifische Widerstand des Kristalls kann geschätzt werden.
Genauer gesagt hat hinsichtlich der Beziehung zwischen Dotierstoffkonzentration und spezifischem Widerstand der Einkristall eine Konzentrationsverteilung von Dotierstoff, die in Längsrichtung (vertikaler Richtung beim Ziehen) auftritt.
Unter der Annahme, dass das Erstarrungsverhältnis des Siliziumkristalls g ist, wird die Konzentrationsverteilung Cs des Dotierstoffs durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt: $Cs = k \times C_{0} \times {(1 - g)}^{k - 1}$
wobei in Gleichung (1) k der Gleichgewichts-Segregationskoeffizient und C₀ die anfängliche Dotierstoffkonzentration in der Siliziumschmelze sind. Der Gleichgewichts-Segregationskoeffizient von Bor (B), das am häufigsten als p-leitender Dotierstoff verwendet wird, beträgt 0,8, und der Gleichgewichts-Segregationskoeffizient von Phosphor (P), der am häufigsten als n-leitender Dotierstoff verwendet wird, beträgt 0,35.
Damit der spezifische Widerstand im festgelegten Bereich liegt, muss bei der Züchtung von Silizium-Einkristallen die Beziehung zwischen Dotierstoffkonzentration und Erstarrungsverhältnis ermittelt werden, wonach die Dotierstoffkonzentration so eingestellt werden kann, dass der spezifische Widerstand des Einkristalls in den gewünschten Bereich fällt, indem die Dotierstoffkonzentration auf der Grundlage der Beziehung angepasst wird. Ist der Dotierstoff beispielsweise Phosphor und ist der spezifische Widerstand des Kopfabschnitts des Einkristalls in einem Bereich von 20 Ω · cm bis 100 Ω · cm festgelegt, werden 0,1 g bis 3,5 g Dotierstoff (Siliziumstücke, die Phosphor in einer hohen Konzentration (in der Größenordnung von 10¹⁹ cm^-3) enthalten, die dem spezifischen Widerstand von 1 bis 5 mΩ · cm entspricht) etwa 150 kg Silizium pro Charge zugeführt.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 1 ist mit einem Dotierstoff-Zufuhrteil 17 zum Zuführen von spanartigem Dotierstoff in die Schmelze M versehen. Eine Öffnung 10a2 ist auf der oberen Fläche der Hauptkammer 10 bereitgestellt, das untere Ende des rohrförmigen Stababschnitts 18, den das Dotierstoff-Zufuhrteil 17 aufweist, ist mit der Öffnung 10a2 verbunden.
Eine Schubstange 19 mit einem löffelförmigen Spitzenende im rohrförmigen Stababschnitt 18 ist zurückziehbar bereitgetellt. Eine Kolbenstange 20 ist in die Schubstange 19 eingeführt, und die Schubstange ist so konfiguriert, dass sie durch den Antrieb eines Luftzylinders 21 entlang der Kolbenstange 20 vor- und zurückfährt. Ein Absperrschieber 22 ist am zylindrischen rohrförmigen Stababschnitt 18 angebracht, und die Schubstange 19 kann durch Öffnen des Absperrschiebers 22 in die Hauptkammer 10a einfahren. Eine Luftzylinder-Antriebseinheit 21a ist mit dem Luftzylinder 21 verbunden.
Die Schubstange 19 ist für die Zufuhr von spanartigem Dotierstoff Dp in die Siliziumschmelze M vorbereitet. Gemäß 2A und 2B ist das Spitzenende der Schubstange 19 mit einem Löffelabschnitt 19a versehen. Auf dem Löffelabschnitt 19a können ein bis zehn spanartige Dotierstoffe Dp platziert werden. Die Kolbenstange 20 und die Schubstange 19 sind durch eine Drehantriebseinheit 25 um die Drehachse drehbar. Der auf dem Löffelabschnitt 19a platzierte spanartige Dotierstoff Dp ist so konfiguriert, dass er durch die Drehung/das Schwenken der Schubstange 19 um die Drehachse frei herabfällt.
Eine Drehantriebs-Steuereinheit 25a ist mit der Drehantriebseinheit 25 verbunden.
Wie in 2A und 2B gezeigt, hat das Dotierstoff-Zufuhrteil 17 ein aus Quarzglas hergestelltes trichterförmiges Werkzeug 23, das an der Strahlungsabschirmung 7 angebracht ist. Wie in den Figuren gezeigt, hat das trichterförmige Werkzeug 23 einen kegelförmigen Abschnitt 23a mit einer Öffnung und ein enges Rohr 23b, das sich schenkelartig vom unteren Scheitelpunkt des kegelförmigen Abschnitts 23a nach unten erstreckt. Die Öffnung 23a1 des kegelförmigen Abschnitts 23a ist so angeordnet, dass sie sich nach oben öffnet; die Öffnung 23a1 des kegelförmigen Abschnitts 23a ist so konfiguriert, dass sie genau unter dem Löffelabschnitt 19a liegt, wenn die Schubstange 19 am tiefsten in die Hauptkammer 19a eingeführt ist.
Der Öffnungsdurchmesser des kegelförmigen Abschnitts 23a ist so ausgebildet, dass er beispielsweise 50 mm bis 100 mm beträgt, so dass alle spanartigen Dotierstoffe, die vom Löffelabschnitt 19a herabfallen, ohne Verschütten aufgenommen werden, und der Innendurchmesser des engen Rohrs 23b ist so ausgebildet, dass er beispielsweise 10 bis 15 mm beträgt, so dass der spanartige Dotierstoff Dp ohne Verstopfung durchlaufen kann. Der Abstand d1 zwischen dem Spitzenende (unteren Ende) des engen Rohrs 23b und der Schmelzenoberfläche M1 wird so gesteuert, dass er beispielsweise 5 mm bis 50 mm, oder stärker bevorzugt 20 mm bis 30 mm beträgt, so dass die Aufwärts-/Abwärtsverschiebung der Strahlungsabschirmung 7 den Zustand der Schmelzenoberfläche M1 nicht beeinträchtigen kann.
Die Position des Spitzenendes des engen Rohrs 23b ist an einer Stelle angeordnet, die eine Entfernung von mindestens d2 (einen Abstand von einem Zehntel des Kristalldurchmessers) oder mehr von der Außenfläche des Einkristalls C in Radialrichtung hat. Dies ist der Fall, denn liegt nämlich die Fallposition des spanartigen Dotierstoffs Dp zu nahe am Kristall (Abstand in Radialrichtung kleiner als d2), kann er am Kristall haften bleiben, bevor er nach dem Herabfallen schmilzt, und es könnte die Gefahr bestehen, dass die Menge des aufzunehmenden Hilfsdotierstoffs lokal steigt, da der geschmolzene Dotierstoff die Kristallgrenzfläche erreicht, bevor er ausreichend diffundiert.
Wie in der Draufsicht in 3 gezeigt, ist unter der Bedingung des Anlegens eines horizontalen Magnetfeldes von 1000 bis 4000 G wie in dieser Ausführungsform, wenn die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist, die Position des Spitzenendes des engen Rohrs 23b in einem Bereich von 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad in der Umfangsrichtung angeordnet.
Dafür gibt es folgenden Grund: Wie durch den Pfeil in 3 gezeigt, ändert sich die Strömungsrichtung der Schmelzenoberfläche, und in senkrechter Richtung zur Anlegerichtung des Magnetfelds (0 Grad) dominiert die Auswärtsströmung vom Kristall zum Quarztiegel. In der Anlegerichtung des Magnetfelds liegt dagegen eine teilweise nach innen verlaufende Strömung vor. Da im ersteren Fall der herabgefallene Dotierstoffspan diffundiert, während er sich auf der Auswärtsströmung reitend auflöst, kann eine ausreichende Zeit zustande kommen, bis der zugegebene Dotierstoff an der Fest-Flüssig-Grenzfläche eintrifft.
Da aber im letzteren Fall die Strömung in Drehrichtung des Kristalls dominiert und teilweise eine Einwärtsströmung auftritt, könnte die Gefahr bestehen, dass der herabgefallene Dotierstoffspan den Kristall erreicht, bevor er sich auflöst; aber auch wenn er aufgelöst ist, kann aufgrund dessen, dass der Dotierstoff an der Fest-Flüssig-Grenzfläche eintrifft, bevor er ausreichend diffundiert, die Verteilung des spezifischen Widerstands in der Ebene aufgrund der lokal steigenden Aufnahme des Hilfsdotierstoffs temporär instabil sein. Daher liegt die Position, an der der Dotierstoff im Fall des horizontalen Magnetfelds herabfällt, vorzugsweise bei 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad, wenn die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist. Unter der Bedingung eines fehlenden Magnetfelds oder eines cusp-Magnetfelds (cusp magnetic field) gilt dies nicht, da keine Oberflächenströmung nach innen am gesamten Umfang auftritt.
Im zylindrischen rohrförmigen Stababschnitt 18 ist eine öffnungs-/schließfähige Dotierstoff-Zufuhröffnung 18a bereitgestellt, um spanartigen Dotierstoff Dp dem Löffelabschnitt 19a über dem Absperrschieber 22 zuzuführen. Das heißt, in einem Zustand, in dem der Absperrschieber 22 geschlossen ist, ist der Löffelabschnitt 19a in der Höhenposition der Dotierstoff-Zufuhröffnung 18a angeordnet, und der spanartige Dotierstoff Dp in einer Anzahl von eins bis zehn ist auf dem Löffelabschnitt 19a von der Dotierstoff-Zufuhröffnung 18a platziert. Wird der Dotierstoff der Schmelze zusätzlich zugeführt, während die Dotierstoff-Zufuhröffnung 18a geschlossen und der Absperrschieber 22 geöffnet ist, ist die Schubstange 19 so konfiguriert, dass sie von ihrem Spitzenende in die Hauptkammer 10a aus der Öffnung 10a2 angetrieben durch den Luftzylinder 21 eintritt. Dann befindet sich, wie in 2A gezeigt, der spanartige Dotierstoff Dp in einem Zustand, in dem er auf dem Löffelabschnitt 19a platziert ist. Wenn der Löffelabschnitt 19a kanpp über der Öffnung 23a1 des kegelförmigen Abschnitts 23a positioniert ist, dann dreht die Schubstange 19 durch die Drehantriebseinheit 25 um die Drehachse, und, wie in 2B gezeigt, der spanartige Dotierstoff Dp fällt vom Löffelabschnitt 19a in das trichterförmige Werkzeug 23.
In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem der Schmelze M zuzuführenden spanartigen Dotierstoff Dp um Späne, die durch Spalten von Wafern erhalten werden, die mit 500 µm bis 1000 µm Dicke von jedem Siliziumkristall, der Hilfsdotierstoff enthält, und Siliziumkristall, der den Hauptdotierstoff enthält, getrennt werden, und diese werden als Zusatzstoffe verwendet. Der spezifische Widerstand des Silizium-Einkristalls, der als spanartiger Dotierstoff Dp zu verwenden ist, wird gemessen, und er wird auf eine gewünschte Größe gebracht. Die Konzentration des Dotierstoffs wird anhand des spezifischen Widerstands berechnet, und die Zugabemenge des Dotierstoffs kann durch das Gewicht der Späne gemanagt werden.
Genauer gesagt muss der spanartige Dotierstoff Dp ein Mindestgewicht haben, da der Dotierstoff nicht durch ein Inertgas, das knapp über der Schmelzenoberfläche M1 strömt, aus der Kammer herausgetragen werden soll, wenn er der Schmelzenoberfläche M1 zugeführt wird. Aus diesem Grund ist erwünscht, dass die Flächengröße pro Span 4 mm² oder mehr beträgt; die Flächengröße beträgt bevorzugt 25 mm² oder weniger, da das Schmelzen sonst mehr Zeit in Anspruch nimmt und die Gefahr des Verklebens mit dem aufwachsenden Einkristall steigt. Ähnlich beträgt die Dicke der Späne aus Sicht des Gewichts und der Löslichkeit bevorzugt 500 µm bis 1000 µm.
Die Einkristall-Ziehvorrichtung 1 ist mit einem Computer 11 mit einer Speichervorrichtung 11a und einer arithmetischen Steuervorrichtung 11b versehen; die Drehantriebs-Steuereinheit 14a, die Höhenantriebs-Steuereinheit 15a, die Steuereinheit 8a für die elektromagnetische Spule, die Drehantriebs-Steuereinheit 9a, der Messsensor 16, die Luftzylinder-Antriebseinheit 21a und die Drehantriebs-Steuereinheit 25a sind jeweils mit der arithmetischen Steuervorrichtung 11b verbunden.
In der so konfigurierten Einkristall-Ziehvorrichtung 1 wird bei einem Einkristall C mit einem Durchmesser von beispielsweise 200 mm das Ziehen wie folgt durchgeführt:

Zunächst werden dem Tiegel 3 Rohmaterial Polysilizium (beispielsweise 150 kg) und Siliziumspäne zur Dotierstoffzugabe zugeführt, und der Vorgang zur Kristallzüchtung wird auf der Grundlage des in der Speichervorrichtung 11a des Computers 11 gespeicherten Programms gestartet. Bei Herstellung eines n-leitenden Silizium-Einkristalls werden Siliziumspäne verwendet, die Phosphor (P) als Hauptdotierstoff enthalten.

Anschließend wird das Innere des Ofens auf eine vorbestimmte Atmosphäre (hauptsächlich ein Inertgas, wie z. B. Argon) eingestellt. Beispielsweise wird eine Atmosphäre im Inneren des Ofens mit einem Druck von 60-110 Torr und einem Argon-Gasdurchsatz von 40-110 l/min hergestellt.
Dann, während der Tiegel in einer vorbestimmten Richtung mit vorbestimmter Drehzahl (U/min) gedreht wird, werden der in den Tiegel 3 eingebrachte Hauptdotierstoff und das Polysilizium-Rohmaterial durch Erwärmen mit der Seitenheizung 4 geschmolzen, und eine Schmelze M wird gebildet (Schritt S1 in 4). Im Schritt S1 können Siliziumspäne zur Zugabe der Dotierstoffspäne dem Tiegel 3 zugeführt werden, während das Polysilizium-Rohmaterial geschmolzen wird.
Dann wird ein vorbestimmter Strom an der elektromagnetischen Spule 8 zum Anlegen des Magnetfelds angelegt, und es wird damit begonnen, ein horizontales Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte (beispielsweise 3000 G), die in einem Bereich zwischen 1000-4000 G liegt, in der Schmelze M anzulegen (Schritt S2 in 4).
Ferner wird die Ziehbedingung mit Parametern der Stromzufuhr zur Seitenheizung 4, der Ziehgeschwindigkeit und der Stärke des angelegten Magnetfelds eingestellt, und der Impfkristall P beginnt, mit einer vorbestimmten Drehzahl um die Achse zu drehen. Die Drehrichtung ist entgegengesetzt zur Drehrichtung des Tiegels 3 festgelegt. Dann wird der Draht 6 abgesenkt, der Impfkristall P berührt die Schmelze M, und nachdem sich der Spitzenabschnitt des Impfkristalls P aufgelöst hat, wird ein Halsabschnitt P1 im Halsbildungsverfahren (engl.: necking) gebildet.
Dann wird der Ziehvorgang gestartet; der Durchmesser des Kristalls wird allmählich erweitert, um eine Schulter C1 zu bilden, und geht in den Vorgang zur Bildung eines geraden Abschnitts C2 über, der ein Produktabschnitt sein soll (Schritt 3 in 4).
Beginnt das Wachstum eines Einkristalls C, ermittelt der Computer 11 das Erstarrungsverhältnis des Silizium-Einkristalls mit Hilfe der Messergebnisse des Messsensors 16 und schätzt den spezifischen Widerstand des gezogenen Einkristalls auf der Grundlage des Erstarrungsverhältnisses. (Schritt 4 in 4).
Fällt der spezifische Widerstand unter den Schwellwert nahe der Untergrenze des festgelegten Bereichs, wird der Schmelzenoberfläche M1 beispielsweise Bor (B) als Hilfsdotierstoff mit einem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zugesetzt (Schritt S8 in 4). Das heißt, da der spezifische Widerstand mit der Zunahme des Erstarrungsverhältnisses bei steigender Länge des Silizium-Einkristalls abnimmt, wird die Dotierungsmenge des Hilfsdotierstoffs kontinuierlich oder intermittierend zugegeben, während sie auf die geeignete Menge als Reaktion auf das Erstarrungsverhältnis eingestellt wird, um zu verhindern, dass sich der spezifische Widerstand gegenüber dem Standard verringert. Geht man beispielsweise davon aus, dass die Obergrenze des Standards des spezifischen Widerstands 60 Ω und die Untergrenze 50 Ω betragen, wird der Hilfsdotierstoff immer dann zugegeben, wenn der geschätzte spezifische Widerstand gleich oder kleiner ist als die Summe aus dem Wert der Untergrenze und dem der Untergrenze plus beispielsweise 1 % davon (in diesem Fall 50,5 Ω). Ist der Sollwert des spezifischen Widerstands auf die Differenz des Werts der Obergrenze minus 1 % der Obergrenze (in diesem Fall 59,4 Ω) festgelegt, wird der spanartige Dotierstoff Dp gerade so zugegeben, dass der spezifische Widerstand näher an diesem Wert liegt.
In dieser Situation wird im Dotierstoff-Zufuhrteil 17 die Dotierstoff-Zufuhröffnung 18a geöffnet, und auf dem Löffelabschnitt 19a wird Bor- (B) haltiger spanartiger Dotierstoff Dp in einer Anzahl von eins bis zehn platziert. Dann wird die Dotierstoff-Zufuhröffnung 18a geschlossen, und nachdem das Gas im rohrförmigen Stababschnitt 18 mit einer Hilfspumpe (nicht gezeigt) ersetzt wurde, wird der Absperrschieber 22 geöffnet, und die Schubstange 19 tritt von der Spitzenendseite in die Hauptkammer 10a durch den Antrieb des Luftzylinders 21 aus der Öffnung 10a2 ein. Hierbei befindet sich der spanartige Dotierstoff Dp in einem Zustand, in dem er auf dem Löffelabschnitt 19a platziert ist. Ist der Löffelabschnitt 19a knapp über der Öffnung 23a1 des kegelförmigen Abschnitts 23a des trichterförmigen Werkzeugs 23 positioniert, dreht die Schubstange 19 durch die Drehantriebseinheit 25 um die Drehachse, und der spanartige Dotierstoff Dp fällt vom Löffelabschnitt 19a in die Öffnung 23a1 des kegelförmigen Abschnitts 23a des trichterförmigen Werkzeugs 23. Der spanartige Dotierstoff Dp durchläuft mit der Beschleunigung des freien Falls das enge Rohr 23b des trichterförmigen Werkzeugs 23 und wird der Schmelze M zugegeben. Der Schritt 8 wird immer dann wiederholt, wenn sich der geschätzte spezifische Widerstand des Einkristalls C der Untergrenze des Standardbereichs nähert.
Durch diesen Ablauf wird der spezifische Widerstand entlang der Achse des Einkristalls C im Standardbereich gehalten. Da der spanartige Dotierstoff Dp der Schmelzenoberfläche M1 über das trichterförmige Werkzeug 23 zugeführt wird, kann er punktgenau an einer vorab festgelegten Position der Schmelzenoberfläche zugeführt werden. Ferner kann die punktgenaue Zufuhr des spanartigen Dotierstoffs Dp das Auftreten der ersten Versetzungserzeugung aufgrund der Anhaftung am aufwachsenden Kristall verhindern, wobei er auf der Strömung der Schmelzenoberfläche reitet.
Ein Kristallwachstumsschritt wird fortgesetzt, und ist der Einkristall auf eine vorbestimmte Länge gezogen, ohne dass die erste Versetzungserzeugung auftritt, wird das Aufwachsen des Einkristalls abgeschlossen (Schritt S6, S7 in 4). Das heißt, nachdem der gerade Abschnitt C2 des Einkristalls auf eine vorbestimmte Länge gebildet ist, geht der Kristallwachstumsschritt in einen abschließenden Auslaufbildungsvorgang über, in dem die Kontaktfläche zwischen dem unteren Ende des Kristalls und der Schmelze M allmählich verringert wird, und dann wird der Einkristall C abgeschnitten und von der Schmelze M getrennt, und ein Silizium-Einkristall ist hergestellt.
Tritt dagegen die erste Versetzungserzeugung während des Wachstums des Einkristalls auf (Schritt S6 in 4) und erreicht das Erstarrungsverhältnis des gewachsenen Einkristalls bis dahin nicht den festgelegten Wert (Schritt S9 in 5), wird der Kristall umgeschmolzen (Schritt S10 in 5).
Nach dem Umschmelzen wird der Schmelzenoberfläche M1 mit Hilfe des Dotierstoff-Zufuhrteils 17 der spanartige Dotierstoff Dp zugeführt, der die auf dem Erstarrungsverhältnis des umgeschmolzenen Einkristalls basierende Menge an Phosphor (P), dem Hauptdotierstoff, hat. Dadurch kann die Phosphorkonzentration in der Schmelze M ausreichend zugeführt werden.
Anschließend wird, rückkehrend zum Schritt S2 in 4 der Einkristall C wieder gezogen.
Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dieser Ausführungsform bei Züchtung eines Silizium-Einkristalls durch Ziehen aus einer Siliziumschmelze, der ein Hauptdotierstoff aus Phosphor (P) zugegeben ist, der spezifische Widerstand entlang der Achse des Silizium-Einkristalls C in den Standardbereich gebracht werden, indem der Siliziumschmelze kontinuierlich oder intermittierend spanartiger Hilfsdotierstoff aus Bor (B) zugesetzt wird, der den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zum Hauptdotierstoff aufweist.
Da insbesondere bei Zugabe des spanartigen Dotierstoffs Dp zur Siliziumschmelze M der spanartige Dotierstoff dazu gebracht wird, punktgenau auf die exakte Position auf der Schmelzenoberfläche M1 durch die in der Kammer angeordnete trichterförmige Vorrichtung zu fallen, wird das Auftreten der ersten Versetzungserzeugung infolge des Anhaftens am aufwachsenden Kristall, auf der Strömung der Schmelzenoberfläche reitend, verhindert. Da die Konfiguration so ist, dass ein oder mehrere spanartige Dotierstoffe Dp, die auf dem Löffelabschnitt 19a am Spitzenende der Schubstange 19 platziert sind, dem trichterförmigen Werkzeug 23 zugeführt werden, wird der spanartige Dotierstoff Dp ferner dem trichterförmigen Werkzeug 23 im freien Fall zugeführt und fällt durch das enge Rohr 23b kräftig auf die Schmelzenoberfläche M1 der Siliziumschmelze M. Auf diese Weise kann der Dotierstoff der Siliziumschmelze M zugeführt werden, ohne das enge Rohr 23b des trichterförmigen Werkzeugs 23 zu verstopfen.
Eine genaue Steuerung des spezifischen Widerstands kann durchgeführt werden, da ein relativ einfacher Aufbau, der die Struktur für die Zugabe von Dotierstoff während des Wachstums des Silizium-Einkristalls C erreicht, eingesetzt und die erforderliche Dotierstoffmenge spanweise zugegeben werden kann.
In der vorstehenden Ausführungsform wird die Erfindung anhand eines Beispiels für die Herstellung eines n-leitenden Silizium-Einkristalls beschrieben, ist aber nicht darauf beschränkt und kann auf den Fall der Herstellung eines p-leitenden Silizium-Einkristalls angewendet werden.
In der vorstehenden Ausführungsform ist die Konfiguration so, dass ein horizontales Magnetfeld an der Siliziumschmelze angelegt wird; die Erfindung ist aber nicht auf das horizontale Magnetfeld beschränkt, sondern auch auf eine Konfiguration mit einem cusp-Magnetfeld oder ohne Magnetfeld anwendbar.
Ausführungsformen
Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Silizium-Einkristallen anhand der Ausführungsformen näher beschrieben.
Versuch 1
Im Versuch 1 wurden 150 kg Silizium-Rohmaterial in einen Quarztiegel gefüllt, mit Phosphor als Hauptdotierstoff versetzt und geschmolzen. Der Abstand zwischen einer Strahlungsabschirmung und einer Schmelzenoberfläche betrug 50 mm, und es wurde eine Ofenumgebung mit einem Innendruck von 65 Torr, einem Argon-Gasdurchsatz von 90 l/min und einer horizontalen Magnetfeldstärke von 3000 G geschaffen. Gezüchtet wurde ein Einkristall mit einem Sollkristalldurchmesser von 200 mm bei einer Drehzahl des Tiegels von 0,5 U/min und einer Drehzahl des Kristalls von 10,0 U/min (in Gegenrichtung zur Drehrichtung des Tiegels) mit einer Ziehgeschwindigkeit von 0,55 mm/min. Der festgelegte spezifische Widerstand betrug 60 bis 50 Ω · cm, und der spezifische Sollwiderstand am Anfang des geraden Abschnitts betrug 59 Ω · m.
Ausführungsform 1
In der Ausführungsform 1 wird das Einkristallwachstum gemäß der vorstehenden Ausführungsform durchgeführt.
Der Zeitpunkt und die Menge der Einleitung eines Hilfsdotierstoffs werden auf der Grundlage des Erstarrungsverhältnisses des Kristalls und der Konzentration von Phosphor in der Schmelze und Bor in den Spänen berechnet. Nähert sich der spezifische Widerstand der Untergrenze des Standards, wurde ein spanartiger Dotierstoff (Hilfsdotierstoff) mit einer gewünschten Borkonzentration auf einem Löffelabschnitt am Spitzenende einer Schubstange platziert. Nach Freigabe des Absperrschiebers wurde das Spitzenende des Löffelabschnitts in die Nähe einer Höhe von 10 mm von der oberen Öffnung des trichterförmigen Werkzeugs geführt, und der spanartige Dotierstoff wurde dem trichterförmigen Werkzeug durch Drehen des Löffelabschnitts zugeführt.
Der spanartige Dotierstoff fiel durch das enge Rohr des trichterförmigen Werkzeugs auf die Schmelzenoberfläche und schmolz. Nach dem Herabfallen kam es weder zu Wellenbildung noch zu Erstarrung auf der Schmelzenoberfläche; möglich war ein ausgezeichnetes Einkristallwachstum. Der zuvor beschriebene Ablauf wurde fünfmal wiederholt, während der spezifische Widerstand geschätzt wurde, die erste Versetzungserzeugung trat nicht auf, und das Kristallwachstum wurde ohne die erste Versetzungserzeugung abgeschlossen.
6 zeigt die Änderungen des spezifischen Widerstands als Funktion der Kristallwachstumsrichtung. Wie in 6 gezeigt, wurde der spezifische Widerstand, der in die Nähe der Untergrenze des Standards gesunken war, durch wiederholte Gegendotierung jedes Mal wieder nah an die Obergrenze des Standards gebracht. Dies bestätigt, dass die Ausbeute davon, in den zulässigen spezifischen Widerstandsbereich zu fallen, auch bei Produkten, die in einem engen zulässigen spezifischen Widerstandsbereich liegen, stark erhöht werden kann.
Vergleichsbeispiel 1
In einem Vergleichsbeispiel 1 wurde der Hilfsdotierstoff während des Wachstums eines Silizium-Einkristalls nicht zugegeben. Andere Bedingungen ähnelten denen in der Ausführungsform 1.
6 zeigt das Ergebnis des Vergleichsbeispiels 1. Gemäß 6 bestätigt sich, dass bei nicht erfolgender Zugabe des Hilfsdotierstoffs wie im Vergleichsbeispiel 1 der spezifische Widerstand entlang der Achsenrichtung mit zunehmender Erstarrung abnimmt und der spezifische Widerstand außerhalb des Standards liegt.
Versuch 2
Im Versuch 2 wurde das Ziehen eines Einkristalls unter einer ähnlichen Ziehbedingung wie in der Ausführungsform 1 gestartet, das Wachstum des geraden Abschnitts wurde zu einem Zeitpunkt unterbrochen, zu dem die Gegendotierung (Zugabe eines Hilfsdotierstoffs) zweimal durchgeführt wurde, und der Kristall wurde umgeschmolzen.
Die Fehlmenge von Phosphoratomen infolge der durch die Gegendotierung zugefügten Boratome wurde nach dem Umschmelzen durch das spanartige Silizium des Hauptdotierstoffs zugefügt. Danach wurde das Ziehen des Siliziumkristalls wieder aufgenommen, und der spezifische Widerstand zu Beginn der Bildung des geraden Abschnitts wurde geschätzt.
Unter ähnlichen Bedingungen wurden die Beispiele 2 bis 4 durchgeführt. Der spezifische Widerstand zu Beginn des Wachstums des geraden Abschnitts vor der Unterbrechung (vor dem Umschmelzen) des Ziehens und der spezifische Widerstand zu Beginn des Wachstums des geraden Abschnitts nach dem Umschmelzen wurden für jedes Beispiel geschätzt und überprüft.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Ausführungsformen 2 bis 4. Wie in Tabelle 1 gezeigt, liegt der spezifische Widerstand vor und nach dem Umschmelzen im Standardbereich; der spezifische Widerstand zu Beginn des Wachstums des geraden Abschnitts konnte stabilisiert werden. Tabelle 1

	Ausführungsform 2	Ausführungsform 3	Ausführungsform 4	Mittel	Standardabweichung
Vor dem Umschmelzen	60,30 Ω · cm	58,74 Ω · cm	58,87 Ω · cm	59,30 Ω · cm	0,87
Nach dem Umschmelzen	59,11 Ω · cm	60,17 Ω · cm	58,67 Ω · cm	59,31 Ω · cm	0,75

Versuch 3
Im Versuch 3 wurde das Ziehen eines Einkristalls unter einer ähnlichen Bedingung wie in der Ausführungsform 1 durchgeführt, mit der 3D-Computersimulation des horizontalen Magnetfelds, wobei die Strömungsrichtung der Schmelzenoberfläche während des Ziehens überprüft wurde. Was andere Bedingungen angeht, wurde die Strömung auf der Schmelzenoberfläche von Einkristallen mit 200 mm, 300 mm und 450 mm Durchmesser beobachtet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsrichtung auf der Schmelzenoberfläche in jedem Fall der vorstehenden Kristalldurchmesser geändert war, in der Richtung senkrecht zur Richtung des angelegten Magnetfelds (0-Grad-Richtung) dominiert eine Auswärtsströmung vom Kristall zum Quarztiegel, wogegen in der Anlegerichtung des Magnetfelds eine teilweise Einwärtsströmung vorliegt.
Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass beim Fallenlassen eines Dotierstoffspans auf den Bereich, in dem die Auswärtsströmung vom Kristall zum Quarztiegel dominiert, aufgrund dessen, dass sich der fallen gelassene Dotierstoffspan auf der Auswärtsströmung reitend auflöst und der Dotierstoff diffundiert, für eine ausreichende Zeitspanne gesorgt werden kann, bis der zugegebene Dotierstoff die Fest-Flüssig-Grenzfläche erreicht.
Wird dagegen der Dotierstoffspan in den Bereich fallen gelassen, in dem eine teilweise Einwärtsströmung herrscht, besteht die Gefahr, dass der fallen gelassene Dotierstoffspan den Kristall erreicht, bevor er sich auflöst. Da auch bei Auflösung der Dotierstoffspan die Fest-Flüssig-Grenzfläche erreichen kann, bevor der Dotierstoff ausreichend diffundiert, geht man davon aus, dass die Aufnahme des Hilfsdotierstoffs lokal ansteigt und die Verteilung des spezifischen Widerstands in der Ebene temporär instabil ist.
Daher bestätigen die Ergebnisse von Versuch 3, dass die Position, an der der Dotierstoff in einem horizontalen Magnetfeld fallen gelassen wird, bevorzugt im Bereich von 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad liegt, wobei die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist.
Liste der Bezugszeichen

1: Kristallziehvorrichtung
2: Kohlenstofftiegel
3: Quarzglastiegel
4: Seitenheizung (Heizung)
6: Draht
7: Strahlungsabschirmung
17: Dotierstoff-Zufuhrteil
19: Schubstange
19a: Löffelabschnitt
23: trichterförmiges Werkzeug
23a: kegelförmiger Abschnitt
23a1: Öffnung
23b: enges bzw. schmales Rohr, bzw. enger bzw. schmaler Schlauch
M: Siliziumschmelze
M1: Schmelzenoberfläche
C: Silizium-Einkristall
C2: gerader Abschnitt

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

JP 2004307305 A [0010]
JP 3247585 A [0010]
JP 201660667 A [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls, in dem der Silizium-Einkristall durch das Czochralski-Verfahren mit einer Siliziumschmelze gezüchtet wird, die in einem Tiegel durch Erwärmen durch eine Heizung in einer Kammer gebildet wird, und das aufweist: einen Schritt des Zugebens eines Hauptdotierstoffs zur Siliziumschmelze, wenn die Siliziumschmelze im Tiegel gebildet wird; einen Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls aus der Siliziumschmelze, der der Hauptdotierstoff zugegeben worden ist; und einen Schritt des kontinuierlichen oder intermittierenden Zugebens eines Hilfsdotierstoffs mit einem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp im Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls, wobei der Schritt des Zugebens eines Hilfsdotierstoffs zur Siliziumschmelze aufweist: einen Schritt des Transferierens eines oder mehrerer spanartiger Dotierstoffe zur Kammer mit einer gegenüber der Kammer zurückziehbaren Schubstange und einen Schritt des Zuführens des spanartigen Dotierstoffs in die Siliziumschmelze über ein an einem trichterförmigen Werkzeug angebrachtes enges Rohr durch Fallenlassen des einen oder der mehreren spanartigen Dotierstoffe, die mit der Schubstange zum trichterförmigen Werkzeug transferiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach Anspruch 1, das dann, wenn die erste Versetzungserzeugung nach dem Schritt des Zugebens des Hilfsdotierstoffs zur Siliziumschmelze im Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls aufgetreten ist, ferner aufweist: einen Schritt des Umschmelzens des Einkristalls, wo die erste Versetzungserzeugung auftritt; einen Schritt des Zugebens des spanartigen Dotierstoffs aus dem Hauptdotierstoff zur Siliziumschmelze unter Verwendung der Schubstange und des trichterförmigen Werkzeugs; einen Schritt des Neuzüchtens des Silizium-Einkristalls aus der Siliziumschmelze; und einen Schritt des kontinuierlichen oder intermittierenden Zugebens eines Hilfsdotierstoffs mit einem zum Hauptdotierstoff entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zur Siliziumschmelze im Schritt des Neuzüchtens des Silizium-Einkristalls.
Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach Anspruch 1, das ferner aufweist: einen Schritt des Anlegens eines horizontalen Magnetfelds an der Siliziumschmelze im Tiegel vor dem Schritt des Züchtens des Silizium-Einkristalls, wobei eine Fallposition des Dotierstoffs in einem horizontalen Magnetfeld im Bereich von 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad liegt, wobei die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist.
Silizium-Einkristall-Ziehvorrichtung, in der eine Siliziumschmelze in einem Tiegel gebildet wird, der in der durch eine Heizung zu erwärmenden Kammer angeordnet ist, und der Silizium-Einkristall nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wird, und die aufweist: eine Abschirmung über dem Tiegel, die so angeordnet ist, dass sie den aufwachsenden Silizium-Einkristall umgibt; ein an der Abschirmung angebrachtes trichterförmiges Werkzeug, das sich zusammensetzt aus einem kegelförmigen Abschnitt mit einer Öffnung auf der Oberseite und einem engen Rohr, das sich von der unteren Spitze des kegelförmigen Abschnitts nach unten erstreckt; und eine Schubstange, die vorschiebbar und zurückziehbar an der Kammer bereitgestellt ist, um einen oder mehrere spanartige Dotierstoffe, die auf einen Spitzenendabschnitt gegeben sind, der Öffnung des kegelförmigen Abschnitts im trichterförmigen Werkzeug zuzuführen, wobei die spanartigen Dotierstoffe, die der Öffnung des kegelförmigen Abschnitts im trichterförmigen Werkzeug zugeführt werden, über das enge Rohr des trichterförmigen Werkzeugs in die Siliziumschmelze fallen.
Silizium-Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Spitzenende der Schubstange löffelförmig ausgebildet ist und die Schubstange so angeordnet ist, dass sie drehbar um die Achse ist.
Silizium-Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 4, die ferner aufweist: eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds, um ein Magnetfeld an der Siliziumschmelze im Tiegel anzulegen, wobei das trichterförmige Werkzeug in einem Bereich von 45 Grad bis 135 Grad und 225 Grad bis 315 Grad angeordnet ist, wobei die Anlegerichtung des Magnetfelds als 0 Grad definiert ist.