DE19700403A1

DE19700403A1 - Einkristallziehvorrichtung

Info

Publication number: DE19700403A1
Application number: DE19700403A
Authority: DE
Inventors: Takashi Atami; Hisashi Furuya; Michio Kida
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2017-01-09
Also published as: CN1098938C; CN1162028A; JPH09194289A; TW399107B; KR970059319A; US5779792A; DE19700403B4; KR100438628B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einkristall- Ziehvorrichtung zum Ziehen eines Halbleitereinkristalls aus einer Halbleiterschmelze, die sich in einem Doppelschmelztiegel befindet.

Das CZ-Wachstumsverfahren stellt ein Beispiel für eines der momentan bekannten Verfahren zum Aufwachsenlassen von Einkristallen aus Halbleitern wie beispielsweise Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) dar. Da das CZ- Wachstumsverfahren das Aufwachsenlassen von Einkristallen mit großem Durchmesser und hoher Reinheit gleicht, die keine Versetzungen oder extrem niedrige Gitterfehlerpegel aufweisen, wird es beim Aufwachsenlassen verschiedener Halbleiterkristalle in weitem Ausmaß eingesetzt.

In den vergangenen Jahren haben die Anforderungen im Hinblick auf einen größeren Durchmesser und höhere Reinheit von Einkristallen zugenommen, und ebenfalls im Hinblick auf eine gleichmäßige Verteilung der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration von Verunreinigungen, und um diese Anforderungen zu erfüllen wurden verschiedene verbesserte Verfahren und Vorrichtungen für CZ-Wachstumsverfahren entwickelt. Eine dieser Verbesserungen des CZ- Wachstumsverfahrens, die vorgeschlagen wurde, besteht in einem CZ-Wachstum unter Anlegen eines Magnetfeldes. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bereitstellung eines hervorragenden Verfahrens zum Aufwachsenlassen von Einkristallen mit guten Schlupffreiheitsverhältnissen und mit einer hervorragenden Fähigkeit zum Steuern der Sauerstoffkonzentration, durch Anlegen des Magnetfeldes an die Halbleiterschmelze innerhalb des Schmelztiegels, um die Konvektion der Halbleiterschmelze zu unterdrücken.

Ein anderes Beispiel für ein verbessertes CZ- Wachstumsverfahren betrifft eine Vorrichtung, welche einen Doppelschmelztiegel verwendet, wobei ein zylindrischer Trennkörper innerhalb des Schmelztiegels angeordnet wird, und der Trennkörper mit einem Verbindungskanal versehen ist, um den inneren Bereich mit dem äußeren Bereich des Trennkörpers zu verbinden, und ein Halbleiter aus dem inneren Bereich des Trennkörpers aufgezogen wird, während das Ausgangsmaterial ständig dem äußeren Bereich des Trennkörpers zugeführt wird.

Bei dem voranstehend erwähnten, verbesserten CZ- Wachstumsverfahren, bei welchem die Halbleiterschmelze dem inneren Bereich des Trennkörpers über den Verbindungskanal zugeführt wird, der in dem Trennkörper vorgesehen ist, besteht dann, wenn die Flußrate der Halbleiterschmelze durch den Verbindungskanal hoch ist, die Gefahr, daß eine Leerraumerzeugungsquelle (eine Substanz, welche Leerräume hervorruft, also eine Art eines Gitterfehlers), die in dem äußeren Bereich zum Liefern des Ausgangsmaterials erzeugt wird, in die Schmelze im inneren Bereich des Doppelschmelztiegels hineindiffundiert, und daher das ordnungsgemäße Wachstum des Halbleitereinkristalls verhindert.

Daher ist es wesentlich, die Flußrate der Halbleiterschmelze durch den Verbindungskanal herabzusetzen, um die Qualität des Einkristallhalbleiters zu verbessern, der erzeugt wird.

Angesichts des voranstehend geschilderten Problems besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Einkristall-Ziehvorrichtung, welche eine Stabilisierung der Qualität eines Einkristallhalbleiters ermöglicht, durch Verringerung der Flußrate einer Halbleiterschmelze durch den Verbindungskanal.

Die Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen Doppelschmelztiegel, der innerhalb eines gasdichten Behälters angeordnet ist, und der Doppelschmelztiegel wird dadurch ausgebildet, daß ein zylindrischer Trennkörper innerhalb des Schmelztiegel angebracht wird, um den Schmelztiegel in einen äußeren Bereich und einen inneren Bereich zu unterteilen, wobei eine Halbleiterschmelze in dem äußeren Bereich des Schmelztiegels aufbewahrt wird, und ein Halbleitereinkristall aus der Schmelze in dem inneren Bereich des Schmelztiegels aufgezogen wird. Die Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Verbindungskanal in dem zylindrischen Trennkörper vorgesehen ist, um den äußeren Bereich und den inneren Bereich des Schmelztiegels zu verbinden, und daß eine Vorrichtung zum Anlegen eines Cusp- Magnetfeldes außerhalb des gasdichten Behälters vorgesehen ist, und diese Vorrichtung so angeordnet ist, daß ein im wesentlichen horizontales Magnetfeld unterhalb des Oberflächenpegels der Halbleiterschmelze angeordnet wird, und ein im wesentlichen vertikales Magnetfeld in dem Verbindungskanal des Trennkörpers angeordnet wird.

Durch Verwendung der Vorrichtung zum Anlegen des Cusp- Magnetfeldes auf die voranstehend geschilderte Weise wird das im wesentlichen vertikale Magnetfeld so angelegt, daß es den Fluß der Halbleiterschmelze kreuzt, die durch den Verbindungskanal fließt, und zwar annähernd im rechten Winkel. Die Kreuzung des Magnetfeldes und der fließenden Schmelze drückt die Flußrate der Halbleiterschmelze durch den Verbindungskanal herunter. Darüber hinaus unterdrückt das im wesentlichen horizontale Magnetfeld, welches unterhalb des Oberflächenpegels oder Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze angelegt wird, die Konvektion innerhalb der Halbleiterschmelze. Dies führt dazu, daß die Qualität des Halbleitereinkristalls verbessert werden kann, und insbesondere das Auftreten von Leerräumen oder Hohlräumen in dem inneren Schmelztiegel unterdrückt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nachstehend erfolgt eine Beschreibung einer Ausführungsform einer Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1.

Eine Einkristall-Ziehvorrichtung 10 weist eine gasdichte Kammer 12 auf, einen innerhalb der Kammer 12 angeordneten Schmelztiegel 13, eine Heizvorrichtung 14 zur Erwärmung einer Halbleiterschmelze 17 im Inneren des Schmelztiegels 13, und eine Anlegungsvorrichtung zum Anlegen eines Cusp- Magnetfeldes, welche zwei Spulen 16a und 16b aufweist, die an der Außenseite der Kammer 12 angeordnet sind. Der Schmelztiegel 13 weist einen annähernd halbkugelförmigen äußeren Schmelztiegel 13a aus Quarz (SiO₂) auf, sowie einen inneren Schmelztiegel 13b aus Quarz, der durch einen zylindrischen Trennkörper festgelegt wird, und innerhalb des äußeren Schmelztiegels 13a so angeordnet ist, daß so der Innere Schmelztiegel und der äußere Schmelztiegel ausgebildet werden. Der Schmelztiegel 13 ist auf eine Aufnahme 21 aufgesetzt, die auf einer Vertikalwelle 20 angebracht ist, die im Zentrum der Basis der Kammer 2 angeordnet ist.

Ein Verbindungskanal 13c, welcher den äußeren Schmelztiegel und den inneren Schmelztiegel des Doppelschmelztiegels miteinander verbindet, ist im Bodenabschnitt der Wand des inneren Schmelztiegels 13b angeordnet, also in dem zylindrischen Trennkörper. Der Verbindungskanal 13c ist als gekerbter oder ausgenommener Abschnitt ausgebildet, der dadurch hergestellt wird, daß ein Abschnitt von der Bodenkante des inneren Schmelztiegels 13b weggenommen wird.

Bei den beiden voranstehend erwähnten Spulen 16a und 16b fließt elektrischer Strom in entgegengesetzten Richtungen; auf diese Weise wird ein Cusp-Magnetfeld angelegt, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet ist. Das Cusp- Magnetfeld weist eine solche Form auf, daß sich seine Richtung allmählich von der Vertikalrichtung zur Horizontalrichtung hin ändert.

Ein Ausgangsmaterialzufuhrrohr 15 ist im Inneren der gasdichten Kammer 12 so vorgesehen, daß es das Ausgangsmaterial dem äußeren Bereich des Doppelschmelztiegels 13b zuführen kann. Ausgangsmaterialien umfassen flockenförmiges Polysilizium, welches durch Brechen eines Siliziumblocks in einem Brechwerk erzeugt wurde, oder körnchenförmiges Silizium, welches durch Ablagerung aus einem gasförmigen Ausgangsmaterial unter Einsatz thermischer Zersetzung hergestellt wurde. Die Ausgangsmaterialien umfassen darüber hinaus, soweit erforderlich, verschiedene Dotiermittel wie beispielsweise Bor (B) und Phosphor (P) für das Wachsenlassen von Silizium, sowie Dotiermittel wie Zink (Zn) und Silizium (Si) zum Aufwachsenlassen von Galliumarsenid.

Das durch die Spulen 16a und 16b erzeugte Cusp-Magnetfeld wird so gesteuert, daß der vertikale Anteil des Magnetfeldes so angeordnet wird, daß er mit dem Ort des Verbindungskanals 13c des inneren Schmelztiegels 13b zusammenfällt, und daß der horizontale Anteil des Magnetfeldes unterhalb des Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze liegt. Die Anordnung des Cusp-Magnetfeldes wird beispielsweise dadurch gesteuert, daß die Stärke des elektrischen Stroms eingestellt wird, der durch die Spulen 16a und 16b fließt, oder eine der Spulen bewegt wird.

Entsprechend der voranstehend erwähnten Steuerung kreuzt das im wesentlichen vertikale Magnetfeld, welches an den Verbindungskanal 13c angelegt wird, den Fluß der Halbleiterschmelze in einem rechten Winkel; das Magnetfeld arbeitet hier daher so, daß es den Fluß der Schmelze durch den Verbindungskanal verringert. Daher wird der Fluß der Halbleiterschmelze durch den Verbindungskanal 13c verringert. Da der im wesentlichen horizontale Anteil des Cusp- Magnetfeldes unterhalb des Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze liegt, wird darüber hinaus die Konvektion der Halbleiterschmelze in Vertikalrichtung unterdrückt. Dies führt dazu, daß eine Diffusion einer Hohlraumquelle in der Halbleiterschmelze unterdrückt wird, und hierdurch die Qualität des Halbleitereinkristalls verbessert werden kann, und insbesondere das Auftreten von Leerstellen oder Gitterfehlern in dem gewachsenen Einkristall unterdrückt werden kann.

Wenn es erforderlich ist, den Schmelztiegel 13 nach oben oder unten zu bewegen, kann darüber hinaus die Position des Cusp- Magnetfeldes in Bezug auf die Halbleiterschmelze dadurch gesteuert werden, daß der den Spulen 16a und 16b zugeführte Strom eingestellt wird, oder beide Spulen entsprechend der Bewegung des Schmelztiegels bewegt werden, um das vertikale Magnetfeld am Ort des Verbindungskanals 13c anzuordnen, und das horizontale Magnetfeld unterhalb des Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze anzulegen.

Wie voranstehend geschildert verwendet die Einkristall- Ziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Doppelschmelztiegel, der im Inneren eines gasdichten Behälters angeordnet ist, und wird ein Doppelschmelztiegel dadurch ausgebildet, daß koaxial ein innerer Schmelztiegel, der aus einem zylindrischen Trennkörper besteht, im Inneren des Schmelztiegels angebracht wird, wobei ein Einkristall aus dem Halbleitermaterial aus der Halbleiterschmelze von dem Bereich im Inneren des inneren Schmelztiegels gezogen wird, während das Ausgangsmaterial ständig dem äußeren Schmelztiegel zugeführt wird. Weiterhin ist ein Verbindungskanal am Boden des Trennkörpers vorgesehen, um den äußeren Bereich und den inneren Bereich des Doppelschmelztiegels zu verbinden, und ist eine Vorrichtung zum Anlegen des Cusp-Magnetfeldes an der Außenseite des gasdichten Behälters angeordnet, und ist diese Vorrichtung so angeordnet, daß der im wesentlichen horizontale Anteil des angelegten Cusp-Magnetfeldes unterhalb des Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze liegt, und der im wesentlichen vertikale Abschnitt des angelegten Magnetfeldes sich an dem Verbindungskanal des Doppelschmelztiegels befindet. Daher kann die Flußrate der Halbleiterschmelze durch den Verbindungskanal verringert werden, und wird die Konvektion der Halbleiterschmelze verhindert, was die Stabilisierung der Qualität des Halbleitereinkristalls sicherstellt.

Claims

1. Einkristall-Ziehvorrichtung, welche aufweist:
einen gasdichten Behälter, der einen Schmelzbereich für Einkristallmaterial abdeckt;
einen Doppelschmelztiegel zur Aufbewahrung einer Halbleiterschmelze, der im Inneren des gasdichten Behälters angeordnet ist, und mit einem zylindrischen inneren Schmelztiegel versehen ist, der durch einen zylindrischen Trennkörper festgelegt wird, der im Inneren eines äußeren Schmelztiegels angebracht ist, und einen Verbindungskanal aufweist, um den äußeren Bereich und den inneren Bereich des Doppelschmelztiegels miteinander zu verbinden;
eine Heizvorrichtung, die im Inneren des gasdichten Behälters und außerhalb des Doppelschmelztiegels vorgesehen ist, um den Doppelschmelztiegel so zu erwärmen, daß eine Halbleiterschmelze entsteht; und
eine Vorrichtung zum Anlegen eines Cusp-Magnetfeldes, die außerhalb des gasdichten Behälters angeordnet ist, um ein Cusp-Magnetfeld anzulegen;
wobei ein im wesentlichen horizontaler Anteil des Cusp- Magnetfeldes, welches durch die Vorrichtung angelegt wird, unterhalb des Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze angeordnet ist, und der im wesentlichen vertikale Anteil des Cusp-Magnetfeldes an dem Ort des Verbindungskanals liegt.

2. Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
ein Ausgangsmaterialzufuhrrohr zum Liefern eines Ausgangsmaterials für die Halbleiterschmelze zu einem äußeren Bereich des Doppelschmelztiegels;
wobei der äußere Bereich des Doppelschmelztiegels die Halbleiterschmelze aufbewahrt, und der Einkristall aus der Schmelze in dem inneren Schmelztiegel gezogen wird.

3. Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal ein kerbenförmiger Abschnitt ist, der dadurch ausgebildet wird, daß ein Abschnitt von der Bodenkante des Trennkörpers entfernt wird, welcher den inneren Schmelztiegel festlegt.

4. Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Anlegen des Cusp-Magnetfeldes eine obere und eine untere Spule aufweist, wobei diese Spulen so angeordnet sind, daß ein Cusp-Magnetfeld, welches aus einem vertikalen Anteil und einem horizontalen Anteil besteht, dadurch in der Halbleiterschmelze ausgebildet wird, daß elektrischer Strom in entgegengesetzten Richtungen durch die beiden Spulen geleitet wird.

5. Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen so angeordnet sind, daß der vertikale Anteil des Cusp-Magnetfeldes mit dem Ort des Verbindungskanals am Boden des inneren Schmelztiegels übereinstimmt, und der horizontale Anteil des Cusp-Magnetfeldes unterhalb des Oberflächenniveaus der Halbleiterschmelze angeordnet ist.

6. Einkristall-Ziehvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen entsprechend einer Bewegung des Schmelztiegels nach oben bzw. unten nach oben bzw. unten bewegbar sind, so daß der Ort des vertikalen Anteils des Cusp- Magnetfeldes an dem Ort des Verbindungsabschnitts bleibt, und der Ort des horizontalen Anteils des Cusp- Magnetfeldes unterhalb der Oberfläche der Halbleiterschmelze bleibt.