DE2758888A1

DE2758888A1 - Verfahren zur herstellung reinster siliciumeinkristalle

Info

Publication number: DE2758888A1
Application number: DE19772758888
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Phys Koehl
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2758888C2; JPS5494478A; IT1109399B; FR2413124A1; GB2014871A; DK586678A; JPS5727077B2; GB2014871B; US4239585A; NL7812363A; IT7852468A0; FR2413124B1

Description

Verfahren zur Herstellung reinster Siliciumeinkristalle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung reinster Siliciumeinkristalle mit geringem Sauerstoffgehalt nach dem Czochralski-Tiegelziehverfahren.

Nach dem bekannten Czochralski-Tiegelziehverfahren wird in einem Quarztiegel stückiges polykristallines Silicium durch induktive Erwärmung oder auch eine geeignete Widerstandsheizung aufgeschmolzen. In diese Schmelze taucht sodann ein Impfkristall ein, der unter langsamer Rotation stetig aus der Schmelze gezogen wird. Der Durchmesser des dabei erhaltenen Siliciumstabes ist abhängig von der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur der Schmelze. Typische Werte für die Ziehgeschwindigkeit bei der Herstellung von Siliciumstäben mit Durchmessern von etwa 75 mm sind 1 bis 3 mm/Minute bei einer Rotation des aus der Schmelze aufwachsenden Kristallstabes um seine Längsachse von etwa bis 20 U/Min.

Die bedeutendste Verunreinigung solcher tiegelgezogener Siliciumeinkristalle ist dabei der Sauerstoff, dessen Gehalt am Stabanfang typisch etwa 12 χ 10 und am Stabende etwa 5 χ 10 Atome/cm beträgt. Dieser Sauerstoffgehalt rührt dabei von der Zersetzung des Quarztiegels durch schmelzflüssiges Silicium her, die nach der Formel

Si + SiO. * 2 SiO 2

abläuft. Dieser hohe Sauerstoffgehalt im Silicium hat dabei einen bedeutenden Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der daraus hergestellten Halbleiterbauelemente, insbesondere dann, wenn die Sauerstoffkonzentration etwa gleich oder bis zu 3 Größenordnungen höher ist als die Konzentration der Dotierstoffe. Beim tiegelgezogenen Silicium ist dies im Gegensatz zum zonengezogenen Silicium in der Regel der Fall.

909827/0434

Ist die Konzentration des Sauerstoffs höher als die Löslichkeit in festem Silicium bei einer bestimmten Temperatur, so treten bei höheren Temperaturen Ausscheidungen auf, die zu Kristalldefekten führen, wie beispielsweise den Swirls oder Stapelfehlern. Nach der Oxidation einer solchen Siliciumscheibe wird ein Ansteigen der Xtzdefekte mit wachsendem interstitiell eingebautem Sauerstoff beobachtet. Derartige Stapelfehler erhöhen aber den Dunkelstrom bei Charge-coupled-devices oder den Leckstrom in Transistoren. Beim Prozessieren einer Siliciumscheibe verwirft sie sich umso weniger, je geringer die Konzentration der Siliciumdioxidausscheidung ist. Auch die Lebensdauer der Minoritätenträger sowie die Diffusionsbedingungen beim Dotieren sind abhängig von Kristalldefekten und somit auch vom Sauerstoffgehalt der Siliciumscheibe. Um Ausscheidungen bei den Temperaturprozessen^denen die Siliciumscheibe bei der Bauelementherstellung unterworfen wird zu vermeiden, sollte daher der Sauerstoffgehalt im Grundmaterial so niedrig liegen, daß sich keine Ausscheidungen bilden können.

Der Sauerstoffgehalt im Siliciumkristall soll aber nicht nur gering sein, sondern auch über die gesamte Stablänge annähernd gleichbleiben, um nach dem Zersägen in einzelne Siliciumscheibchen eine gleiche Bauelementspesifikation für alle Scheiben garantieren zu können.

Gemäß der DT-OS 26 39 707 wird während des Tiegelziehens die Rotation des Tiegels zur Erzeugung einer Scherung an der Trennfläche zwischen Schmelze und Tiegel periodisch angehalten. Durch die hierdurch hervorgerufene große Relativbewegung zwischen Tiegel und Schmelze wird ein schneller Abtransport des entstehenden Siliciumoxidgases gewährleistet und hierdurch die Reaktion zwischen Schmelze und Tiegel gefördert. Im Ergebnis werden Siliciumstäbe mit zwar Ober die Stablänge weitgehend gleichmäßigem Sauerstoffgehalt erhalten, jedoch ist der Gehalt an Sauerstoff außerordentlich hoch und liegt sogar Ober den Werten,.wie sie für das herkömmliche Czochralski-Tiegelziehverfahren typisch sind.

Aus der DT-OS 26 19 965 schließlich ist ein Verfahren zur kontrollierten Einstellung der Sauerstoffkonzentration in Siliciumeinkristallen bekannt nach welchem der Siliciumtiegel einer Vorbehandlung unterzogen wird, die beispielsweise darin besteht, die Oberfläche der Tiegelinnenwandung bei-

9Θ9827/0Λ34

spielsweise durch Sandstrahlblasen aufzurauhen. Durch dieses Verfahren wird der Sauerstoffgehalt im aus einem derartigen Tiegel gezogenen Siliciumstab aber nicht erniedrigt, sondern zudem noch erhöht.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das herkömmliche Czochralski-Tiegelziehverfahren so weit zu modifizieren, daß es gelingt, Siliciumstäbe mit vergleichsweise geringem Sauerstoffgehalt herzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß nach dem Ansetzen des Impfkristalls an den Schmelzsee der Siliciumstab unter einer Drehung von

3 bis 6 U/Min aus der Schmelze gezogen wird. Nach der bevorzugten Ausführungsform wird der Siliciumstab im Verlauf des Ziehprozesses zunehmend schneller um seine Längsachse gedreht und zwar vorzugsweise in der Art und Weise, daß dabei die Drehgeschwindigkeit pro 10 cm auskristßllisierendem Siliciumstab um 0,5 bis 2 U/Min gesteigert wird. Die

Drehung des aufwachsenden Siliciumstabes kann dabei stufenweise oder kontinuierlich gesteigert werden, wobei der rechnergesteuerten kontinuierlichen Arbeitsweise im allgemeinen der Vorzug gegeben werden wird. Die Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit des Si 1iciumstabes muß dabei vom Stabanfang zum Stabende nicht linear vorgenommen werden, sondern kann gegen Stabende hin im Einzelfall auch durchaus langsamer oder schneller verlaufen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird demnach beim Ziehen eines Si 1iciumstabes von ca. 1 m Länge am Stabanfang mit 3 bis 6 U/Min gedreht und am Stabende mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 8 bis 26 U/Min.

Beispiel 1

In einer Tiegelziehanlage, wie sie für die Herstellung von stabförmigen Siliciumcinkristallen nach der Czochralski-Methode üblich ist, wurden 11 kg Silicium in den Quarztiegel gegeben und im Vakuum aufgeschmolzen. In bekannter Veise wurde anschließend das untere Ende eines Keirakristalles in die Schmelze getaucht und mit einer Geschwindigkeit von ca. 3 mm/ Minute unter einer anfanglichen Drehung von 3 U/Min aufgezogen. Nach 15 cm Stablänge wurde die Rotationsgeschwindigkeit auf 4 U/Min, nach 30 cm Stablänge auf 5 U/Min und nach 50 cm Stablänge auf 8 U/Min gesteigert und bis zum Stabende bei 80 cm beibehalten. Anschließend wurde

909827/0434

im Stab der Sauerstoffgehalt mit Hilfe eines Infrarotabsorptionsspektroskops bestimmt (ASTM F 121-70 T "Test for interstitial atomic oxigen Content of silicon by infrared absorption"). Das Ergebnis ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Abstand vom Impfkristall in cm ^{J J}

Sauerstoffgehalt in __ ,_ , _ , _ , _Λ _ ·_β Atome/cm3 χ 10*7 7,5 6,9 6,5 6,2 6,0 5,48

Beispiel 2

Es wurde exakt wie in Beispiel 1 verfahren, nur daß die Drehgeschwindigkeit des aufwachsenden 3-Zoll-Siliciumstabes von beginnend 3 U/toin kontinuierlich gleichförmig auf 10 U/Min am Stabende gesteigert wurde. In der nachstehenden Tabelle ist der gemessene Sauerstoffgehalt angegeben:

ίίΓ,Γ? ² 17 32 52 67 80 kristall in cm

Sauerstoffgehalt in __ _ _{Λ ft A}_ _A, _ft_ Atome/c«3 χ iol7 ⁷'7 7,1 6,8 6,5 6,4 6,5 Beispiel 3

Es wurde exakt wie in Beispiel 1 verfahren, nur daß der aus der Schmelze aufwachsende Siliciumstab von Anfang bis Ende unter einer Drehung von 5 U/Min aus der Schmelze gezogen wurde. Es ergab sich nachstehender Sauerstoffgehalt:

90 9 827/043*

Beispiel 4

Es wurde wieder exakt wie in Beispiel 1 verfahren, nur mit der Ausnahme, daß zum Vergleich der aus der Schmelze aufwachsende Siliciumstab während des gesamten Ziehvorganges gemäß dem üblichen Czochralski-Tiegelziehverfahren gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit von 15 U/Min gedreht wurde. Der gemessene Sauerstoffgehalt ergab sich dabei wie folgt:

Abstand vom Impf- _ft

kristall in cm

Sauerstoffgehalt in _a _

Atome/cm3 χ 10*7 · ¹²·5 7,8 5,8

Aus dem Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 3 mit der üblichen Verfahrensweise gemäß Beispiel 4 kann ersehen werden, daß es gemäß der Erfindung nicht nur gelingt, den Sauerstoffgehalt drastisch zu senken, sondern auch über die gesamte Stablänge weitgehend konstant zu halten. Beispiel 3 zeigt insbesondere, daß das erfindungsgemäße Verfahren es erlaubt, den Sauerstoffgehalt im Stabanfang stark abzusenken und somit swirlfreies Silicium herzustellen.

909827/0434

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung reinster Siliciumeinkristalle mit geringem Sauerstoffgehalt nach dem Czochralski-Tiegelziehverfahren, dadurch ge. Kennzeichnet*, daß nach dem Ansetzen des Impfkristalls an den Schmelzsee der Siliciumstab unter einer Drehung von 3 bis 6 U/Min aus der Schmelze gezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumstab im Verlauf des Ziehprozesses zunehmend schneller um seine Längsachse gedreht wird.

3« Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit pro 10 cm auskristallisiercndem Siliciumstab um 0,5 bis 2 U/Min gesteigert wird.

969827/043*