DE2942057C3

DE2942057C3 - Verfahren zum Czochralski-Ziehen eines Silicium-Einkristallstabs

Info

Publication number: DE2942057C3
Application number: DE2942057A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Tokyo Takasu
Original assignee: Vlsi Technology Research Association Kawasaki Kanagawa; VLSI Technology Research Association
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-17
Publication date: 1982-05-06
Also published as: JPS5750759B2; DE2942057A1; JPS5556098A; DE2942057B2; US4378269A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Czochralski-Ziehen eines Silicium-Einkristallstabs in einer Schutzgasatmosphäre, wobei in der Schutzgasatmosphäre der gezogene Einkristallstab intensiv gekühlt wird.

Dieses Verfahren wird auch als sogenanntes Czochralski-Verfahren bezeichnet und ist zum Beispiel in der JP-OS 53-8374 beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird der hochgezogene Einkristall-Siliciumstab durch Argon mit einer Temperatur von etwa — 100°C angeblasen. Durch die dadurch bewirkte intensive Kühlung erhält man im wesentlichen versetzungsfreie Einkristalle. Doch auch bei solchen, sogenannten versetzungsfreien Einkristall-Siliciumprodukten hat sich bei Versuchen gezeigt, daß bei wiederholter Wärmebehandlung bei bOO—1200°C im Verlauf der Herstellung eines Halbleiterelements verschiedene Gitterfehler, einschließlich Gitter- \ ersetzung, im Siliciumkristall auftreten, wodurch das Ausbringen an Halbleiterelementen herabgesetzt wird. Die Erfinder untersuchten die Ursachen für diese ungünstige Erscheinung, wobei sich herausgestellt hat, daß bei derselben Art des versetzungsfreien Einkristall-Siliciumprodukts bei der Fertigung einer Halbleitervorrichtung die Gitterfehler deutlich oder aber im wesentliche»! unbemerkbar in Abhängigkeit von den Bedingungen auftreten, unter denen der benutzte Einkristall-Siliciumstab gezüchtet worden ist

Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der Ergebnisse der erwähnten Untersuchungen entwikkelt, wobei sich die Erfinder die Aufgabe stellten, ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Siliciumstabs mit so hoher Güte zu schaffen, daß das Auftreten von Gitterfehlern während wiederholter Wärmebehandlungen bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Einkristallstab in weniger als 4 h von 900° auf 50CC gekühlt wird.

Versuche haben gezeigt, daß bei einer derartigen Verfahrensweise das Auftreten von Gitterfehlern während der wiederholten Wärmebehandlungen bei der Herstellung von Silicium-Halbleitervorrichtungen wirksam vermieden wird.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 4 graphische Darstellungen der Ergebnisse von Versuchen zur Festlegung der Bedingungen für die Herstellung eines Einkristall-Siliciumstabs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und zur Sicherung von Durchführung und Wirkung dieses Verfahrens, und

Fig.5 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ί F i g. I veranschaulicht die Ergebnisse der Messung von Gitterfehlern, die bei wärmebehandelten, unter unterschiedlichen Fertigungsbedingungen hergestellten, aus dem Einkristall-Siliciumstab geschnittenen Siliciumplättchen auftreten. Der der Wärmebehandlung zugrun-Hi degelegte Temperaturbereich von 500 bis 1100⁰C wurde dabei in Abschnitte bzw. Teilbereiche von jeweils 50⁰C unterteilt Die Wärmebehandlung bei jedem 50°C-Punkt wurde 64 h lang durchgeführt Dabei wurde vorausgesetzt, daß die Dichte der Gitterfehler mit dem ι? Fremdatomgehalt in Plättchen variiert Zur Durchführung der Versuche unter jeweils gleichen Bedingungen wurden daher nur die Plättchen-Proben ausgewählt, bei denen Verunreinigungen bzw. Fremdatome, wie Sauerstoff und Kohlenstoff, gemäß Bestimmung nach dem Infrarotabsorptionsverfahren in im wesentlichen gleicher Konzentration vorhanden waren. Die Zwischengitter-Sauerstoffkonzentration wurde mit (1 ± 0,1) χ lO'Vcm³ und die Substitions-Kohlenstoffkonzentration mit weniger als 6 χ 10^l6/cm³ gewählt

Die Gitterfehlerdichte wurde wie folgt bestimmt:

Die Spaltfläche einer wärmebehandHten Plättchen-Probe wurde 20 mhv lang mit Dash-Ätzmittel angeätzt Die Ätzfläche wurde in die Graukontrastposition eines Interferenzmikroskops eingesetzt und mit 400- bis

jo lOOOfacher Vergrößerung photographiert. Außerdem wurde die angeätzte Spaltfläche bei einer Vergrößerung von 50 000—150 000 unter einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop mit Feldemissionsrohr betrachtet Weiterhin wurden aus den bei einer Tempera-

J5 tür von 500—800⁰C wärmebehandelten Proben Siliziumscheiben mit einer Dicke von weniger als etwa 5000 Λ hergestellt und unter einem Elektronen-Durchstrahlungsmikroskop betrachtet. Die Proben I bis III gemäß F i g. I beziehen sich auf Einkristall-Siliziumstäbe, die während des Wachstums mit verschiedenen Kühlgeschwindigkeiten gekühlt wurden. Probe I bezieht sich auf einen mit üblicher Geschwindigkeit gekühlten Stab. Die Proben II und III sind Einkristall-Siliziumstäbe, die mit 2- bis 3mal größerer als der üblichen Kühlgeschwindigkeit gekühlt wurden. Die Versuchsdaten nach F i g. 1 zeigen, daß die Dichte der von der Wärmebehandlung herrührenden Gitterfehler weitgehend von der Geschwindigkeit abhängt, mit welcher der Siliziumstab während des

μ Wachstums gekühlt wird; mit anderen Worten: eine größere als die bisher angewandte Kühlgeschwindigkeit fOhrt zu verringerter Häufigkeit der Gitterfehler.

F i g. 2 veranschaulicht die Größe der Gitterfehler, die bei der Probe I nach F i g. 1 bei verschiedenen Wärmebehandlungstemperaturen auftreten. Bei 600°C liegt die Größe der Gitterfehler, wie angedeutet, durchschnittlich bei etwa 500 Ä. Diese Gitterfehlergröße war unter dem optischen Mikroskop nicht feststellbar, jedoch unter dem Elektronenmikroskop. Die Größe der Gitterfehler bei 500° C wurde anhand der Daten von Fi g. 2 durch Extrapolieren mit 30—50 A bestimmt. Für Siliziumplättchenproben, die bei 450° C wärmebehandelt, aber nicht untersucht wurden, ergab eine Extrapolation eine Größe der Gitterfehler im Bereich

von 6-9 A.

Aus der engen Beziehung zwischen der Größe der Gitterfehler und der Wärmebehandlungstemperatur kann geschlossen werden, daß sich stabile Gitterfehler

bei einer Wärmebehandlung bei mehr als 500⁰C bilden können, während auch dann, wenn ein Siliziumplättchen Ober längere Zeit bei einer Temperatur von unter 500° C wärmebehandelt wird, die unter diesen Bedingungen entstehenden Gitterfehler nur eine Größe besitzen, die auf eine einzige Zelle des Siüziumgitters beschränkt ist; somit können dieser Gitterfehler in einem Silizium-Einkristall nicht stabil sein.

Wie erwährt, wird ein Siliziumplättchen int Verlauf der Fertigung einer Halbleitervorrichtung mehrfach bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 800—1200⁰C wärmebehandelt. Die Entstehung von Gitterfehlern durch die Wärmebehandlung bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung kann leicht von der langen Wärmebehandlung bei 1050° C abgeleitet η werden. Einkristall-Siliziumplättchenproben, die jeweils aus einer einzigen Probe II gemäß F i g. 1 gewonnen wurden, wurden unterschiedlich lang, d.h. von 15min bis 64 h, wärmebehandelt und anschließend abgeschreckt Alle Proben wurden sodann erneut 16 h lang auf 1050°C erwärmt und dann abgeschreckt. Die Messung der auf der Oberfläche der Plättcrrenproben entstehenden Gitterfehler zeigte die in F i g. 2 veranschaulichten Ergebnisse Auffällig in F i g. 3 ist, daß ein plötzlicher Anstieg der Dichte der Gitterfehler zwisehen einer im ersten Schritt 2 h lang bei 800° C behandelten Plättchenprobe und einer im ersten Schritt 4 h lang bei ebenfalls 800° C behandelten Plättchenprobe zu beobachten war.

Wie erwähnt, hängt das erkennbare Auftreten von Gitterfehlern hauptsächlich von Temperatur und Dauer der ersten Wärmebehandlung ab. Die Untersuchung von Siiiziumplättchenproben, die im ersten Schritt bzw. Arbeitsgang bei verschiedenen Temperaturen behandelt wurden, zeigt, daß dann, wenn diese erste Behandlung mehr als 4 h lang bei einer Temperatur zwischen 900° und 500° C durchgeführt wurde, deutliche Gitterfehler in Erscheinung treten, sobald der zweite Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur von 1050°C durchgeführt wird. Mit anderen Worten: es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die Temperatur eines Einkristall-Siliziumstabs als Ausgangsmaterial für das betreffende Plättchen zur Herstellung der Halbleitervorrichtung so geregelt wird, daß sie in weniger als 4 h fortlaufend von 900° auf 500°C absinkt, das Auftreten von Gitterfehlern während der Fertigung einer Silizium-Halbleitervorrichtung wirksam unterdrückt werden kann.

Die Verfahrensschritte, in denen eine Einkristall-Siliziummasse auf verschiedenen Temperaturwerten zwisehen 900° und 500° C gehalten wird, bevor eine Halbleitervorrichtung aus dem ursprünglichen, aus einer Siliziumschmelze gezüchteten Einkristall-Siliziumstabs hergestellt wird, lassen sich allgemein wie folgt einteilen:

1. Verringerung der Temperatur eines gezüchteten Einkristall-Siliziumstabs auf Raumtemperatur;

2. Halten des Stabs etwa lh lang auf einer Temperatur von etwa 600—700⁰C;

3. Einbringung eines Einkristall-Siliziumplättchens in einen Ofen zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung.

Erfindungsgemäß wurden nun die für die Durchführung der Arbeitsgänge 1—3 erforderlichen Zeitspannen gemessen. Im Arbeitsgang 3 waren nur 10 min für die Durchführung der verschiedenen Wärmebehandlungen durch Temperaturerhöhung von 500° auf 900° C erforderlich. Im Arbeitsgang 2 betrug die Zeitspanne für die Temperaturerhöhung des Silizjumplättchens von 500°C auf den genannten Wert von 60O-70O°C und für die anschließende Temperatursenkung von 600—700°C auf 500° C zurück insgesamt 1,5—2 h.

Mit anderen Worten: auch wenn die Gesamtzeit, während welcher eine Siliziummasse in den Arbeitsgängen 2 und 3 auf einer Temperatur zwischen 500° und 900° C gehallen wird, 3 h beträgt, sind für eine einzige Wärmebehandlung weniger als 2 h erforderlich. Wesentlich ist dabei, daß dann, wenn eine einzige Wärmebehandlung des Plättchens bei 500—900°C weniger als 4 h dauert, obgleich die Zeitspanne für die Erwärmung des Plättchens von 500° auf 900° C mehr als 4 h betragen kann, keine nennenswerten Gitterfehler in einem Siliziumplättchen auftreten, das später bei einer Temperatur von etwa 1050⁰C behandelt wird.

Aus den vorstehenden Ausführungen kann geschlossen werden, daß dann, wenn beim Ziehen eines Einkristal!-Siliziumplättchens aus einer Siliziumschmelze die Temperatur des gezüchteten V.abs in weniger als 4 h von 900° auf 500°C gesenkt wird, dp= Auftreten von Gitterfehlern während der Herstellung einer Halbleitervorrichtung wirksam unterdrückt werden kann.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß eine 16stündige Behandlung eines Siliziumplättchens, das vorher während einer langen Zeitspanne bei 450° C behandelt worden ist, bei 1050° C ebensowenig zu Gitterfehlern führt wie in dem Fall, in welchem ein Plättchen nur einmal 16 h lang bei 1050°C wärmebehandelt wurde. Diese Tatsache stimmt mit dem vorgenannten Schluß überein, daß Gitterfehler, die bei 450⁰C auftreten, sich selbst nicht in einem praktisch stabilen Zustand halten können.

Wenn die Temperatur eines gezüchteten bzw. wachsenden Einkristall-Siliziumstabs in weniger als 4 h von 900° auf 500^r C gesenkt wird, empfiehlt es sich, die Kühlung mit einer größeren Geschwindigkeit als 900 - 500/4 = 100°C/h vorzunehmen, wenn das Abkühlen mit fester Geschwindigkeit erfolgen soll.

Fig.4 zeigt die Ergebnisse einer Messung der Teniperaturänderungen an einer Stelle 5 cm unter dem Schulterabschnitt eines gezüchteten Einkristall-Siliziumstabs mit einem Durchmesser von 80 mm beim Hochziehen des Stabs aus einer Siliziumschmelze. Die Kurven A und ß gelten für eine Ziehgeschwindigksit des Stabs von 1,5 mm/min = 9,0 cm/h. Im Fall von Kurve A beträgt die Strecke zwischen dem dabei eine Temperatur von 900°C besitzenden Teil eines Siliziumstabs und dem auf 500° C befindlichen Teil des Stabs 80 cm. Die Zeit für das Ziehen des Stabs über diese Strecke von 80 cm beträgt also 8,9 h, wenn das Ziehen mit der genannten Geschwindigkeit von 9,0 cm/h erfolgt Im Fall von Kurve B beträgt die Strecke zwischen den Stellen mit 900°C und 500°C beim Ziehen eines Siliziumstabs 24 cm. Die Zeit für das Ziehen des Stabs über 24 cm beträgt also 2,7 h bei einer Ziehgeschwindigkeit von 9,0 cm/h. Gemäß Kurve A liegt das Temperaturgefä'le in einem ge.togenen Siliziumstab in der Größenordnung von 5,0°C/cm, während es gemäß Kurve B bei 16,7"CZGm liegL Die mittlere Könige« schwindigkeit beträgt 45°C/h nach Kurve A und l50°C/h nach1 Kurve B.

Die Einkristall-Siliziumstabprobe I gemäß Fig;. I wurde aus einem SiHziumkristall entsprechend Kurve A (Fig.3) geformt. Die Probe III nach Fig. 1 wurde aus einem Siliziumkristall entsprechend Kurve B gemäß F i g. 3 geformt. Aus F i g. 4 geht somit hervor, daß ein solcher Stab, dessen Temperatur beim Ziehen in

weniger als 4 h von 900°C auf 50O⁰C verringert wurde, auch bei späterer langer Wärmebehandlung, selbst bei 105O⁰C, keine Gitterfehler zeigt, so daß er sich gut als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung eignet.

Die Kurve A gemäß F i g. 4 zeigt die Ergebnisse bei Anwendung bisheriger Zieh-Verfahren. Wenn versucht wird, die Temperatur eines gezüchteten Siliziumstabs in weniger als 4 h von 900° auf 500°C zu senken, muß die bisherige Vorrichtung umgebaut werden, um die mittlere Kühlgeschwindigkeit zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird grundsätzlich empfohlen, die Ziehgeschwindigkeit des gezüchteten Stabs zu erhöhen oder die Temperatur des Stabs mit einem starken Gefälle bzw. Gradienten zu verringern.

Das Ziehen eines große Abmessungen besitzenden Einkristall-Siliziumstabs erfolgt im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von 0.5 — 3 mm/min. Es empfiehlt sich daher, den Siiiziumstab mit einer innerhalb des Bereichs der Wachsgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit, d. h. von mehr als 1 mm/min, zu ziehen. Theoretisch kann sogar eine größere Zieh- oder Wachsgeschwindigkeit des Siliziumstabs als 1 mm/min angewandt werden. Eine Geschwindigkeit von mehr als 10 cm/min wird tatsächlich, z. B. bei einem dendritischen Band-Siliziumkristall oder nach dem EFG-Verfahren (edge defined film feed growth method) angesandt. Wenn jedoch die latente Kristallisationswärme beim Ziehen eines Einkristall-Siliziumstabs mit einem großen Durchmesser von z. B. 8 cm berücksichtigt wird, ist es schwierig, die Wachs- oder Ziehgeschwindigkeit dieses Stabs auf wesentlich mehr als die angegebenen 10 cm/min zu erhöhen. Wenn daher die Ziehgeschwindigkeit im Bereich von 0,5—3 mm/min gewählt wird und es weiterhin gewünscht wird, die Temperatur des gezüchteten Stabs in weniger als 4 h von 900° auf 500° C zu verringern, muß das Temperaturgefälle für die Ziehgeschwindigkeit von 0,5 mm/min auf mehr als 33.3^rC/cm und für die Ziehgeschwindigkeit von 3 mm/min auf mehr als 5,5⁼C/cm eingestellt werden.

Wenn ein größerer Einkristall-Siliziumstab mit hoher Temperatur mit einem starken Temperaturgefälle abgeschreckt wird, wird der Siliziumkristall bekanntlich zerstört oder es treten in einem weniger ungünstigen Fall Gleitung und Versetzung im Siliziumkristall auf. Zur Untersuchung dieser Erscheinungen wurden Versuche durchgeführt, bei denen Siliziumstabproben mit einem Temperaturgefälle von 10— 100°C/cm und 5O-20O^cC/h von 900^c auf 400* C abgekühlt wurden. Beim Abkühlen der Proben mit einer Geschwindigkeit von 100—200°C/cm konnte praktisch weder Zerstörung noch Gleiten des Siliziumkristalls festgestellt werden, und zwar auch nicht bei einem Kühltemperaturgefälle in der Größenordnung von 100°C/cm. Lediglich die Versetzung des Kristalls trat dabei zutage. Bei einer Abkühlung des Siliziumstabs mit einem Temperaturgefälle oder -gradienten von 50°C/cm wurden praktisch überhaupt keine Gitterfehler festgestellt Im Hinblick auf die genannten Versuchergebnisse wird es als empfehlenswert angesehen, einen Siliziunikristallstab bei einem Temperaturgefälle von weniger als 100^cC/cm und vorzugsweise weniger als 50'C/cm abzukühlen, um seine Temperatur beim Züchten von 900° auf 500° C in weniger als 4 h zu senken, während er mit üblicher Geschwindigkeit abgezogen wird.

Wenn, wie erwähnt, die Temperatur eines gezüchteten bzw. wachsender. Siliziumstabs in weniger als 4 h von 900" auf 500^cC verringert werden soll muß der

Slab mit einem größeren Temperaturgefälle als 5,5°C/cm abgekühlt werden, auch wenn er mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/min abgezogen wird.

Zur Ermöglichung des Abkühlens eines Siliziumstabs bei einem höheren Temperaturgefälle als bisher müssen z. B. bei einer Stabziehvorrichtung die folgenden Maßnahmen getroffen werden:

a) Möglichst weitgehende Abschirmung des auf weniger als 900° C abgekühlten Teils eines Siliziumkristallstabs gegenüber der von einem Heizelement oder den Wänden eines Tiegels emittierten Strahlungswärme;

b) möglichst weitgehender Schutz des gezüchteten Stabs vor der von der Oberfläche der Siliziumschmelze abgegebenen Strahlungswarme;

c) Anordnung des gezüchteten Siliziumkristallstabs auf Abstand von einer Kammer, in welcher sich die Hochtemperaturzone eines Elektroofens befindet;

d) unmittelbares Aufsprühen oder -blasen von gekühltem Schutzgas auf den wachsenden Siliziumkristallstab:

e) Herumwickeln einer Kühlschlange um den gezüchteten Stab; und

f) zunächst Einführung eines gezüchteten oder wachsenden Siliziumkristallstabs in einen auf 900—1000°C gehaltenen Thermostaten und anschließend, nach Abschluß des Züchtens des Stabs, Abschreckung des Thermostaten in einem Zustand, in welchem er gegenüber der Strahlungswärme von einem Elektroofen und einer Siliziumschmelze abgeschirmt ist

F i g. 5 zeigt eine Vorrichtung tut Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei dem die Temperatur eines wachsenden Siliziumkristallstabs in weniger als 4 h von 900" auf 500° C gesenkt werdensoll.

Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1 mit einem Einlaß 2 und einem Auslaß 3 für Schutzgas. In das Gehäuse 1 ist ein Quarz-Tiegel 5 eingesetzt, in welchem eine Siliciumschmelze 4 hergestellt wird. Der Tiegel 5 wird von einem Halteelement 6 aus Graphit getragen, um welches herum ein Graphit-Heizelement 7 angeordnet ist. Außerhalb des Heizelements 7 befindet sich ein wärmeisolierendes Element 8 aus z. B. Graphitfilz. Am Innenende eines Ziehstabs 9 ist ein Siliciumkristallkeim 11 mittels einer Spannvorrichtung 10 befestigt Ein Einkristail-Siliciumstab 12 wird in der Weise hergestellt daß der Kristallkeim 11 in die Siliciumschmelze eingetaucht und dann aus letzterer herausgezogen wird, wobei die Temperatur und die Geschwindigkeit mit welcher der Kristallkeim 11 hochgezogen wird, unter Beachtung der vorstehenden Bedingungen ger gelt werden. Mittels einer Welle 13 ist der Quarz-Tiegel 5 drehbar. Während des Hochziehens des Siliciumkristallkeims 11 wird die Drehzahl des Tiegels 5 so geregelt daß ein Einkristail-Siliciumstab gleichmäßiger Güte bzw. Eigenschaften gewonnen wird. Der beschriebene Aufbau der Vorrichtung ist allgemein bekannt, so daß darauf verzichtet werden kann, auf nähere Einzelheiten einzugehen. Um den Einkristail-Siliciumstab 12 gegenüber der Strahlungswärme von den Hochtemperaturbereichen der Vorrichtung, wie Siliciumschmelze 4, Tiegel 5 und Graphit-Heizelement 7, abzuschirmen, ist eine Strahlungswärme-Abschirmung 14 vorgesehen, die den hochgezogenen bzw. gezüchteten Einkristail-Siliciumstab 12 umgibt Zusätzlich ist eine von Kühlwasser durchströmte Kühischiange 15 urn den Einkristaü-Süiciumstab 12 herum angeordnet Bei Anwendung der Abschirmung 14 und der Kühischiange 15 kann der

gezüchtete Stab 12 in weniger als 4 h mit starkem Temperaturgefälle von 900° auf 50O⁰C abgekühlt werden. Ersichtlicherweise kann diese angestrebte Abkühlung auch dann gewährleistet werden, wenn nur die Abschirmung 14 oder die Kühlschlange 15 vorgesehen ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Czochralski-Ziehen eines Silicium-Einkristallstabs in einer Schutzgasatmosphäre, wobei in der Schutzgasatmosphäre der gezogene Einkristallstab intensiv gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristailstab in weniger als 4 h von 900° auf 500⁰C gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem wachsenden Kristallstab ein Temperaturgefälle von weniger als 100°C/cm aufrecht erhalten wird.