DE3215620A1

DE3215620A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von monokristallinem silizium

Info

Publication number: DE3215620A1
Application number: DE19823215620
Authority: DE
Inventors: Masakatu Yokosuka Kanagawa Kojima
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-04-28
Filing date: 1982-04-27
Publication date: 1982-11-18
Also published as: US4497777A; JPS57179099A; DE3215620C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von monokristallinem Silizium

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von monokristallinem Silizium gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zum Herstellen von monokristallinem Silizium gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7. Insbesondere schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von monokristallinem Silizium, welches gleichförmig Sauerstoff in hoher Konzentration enthält.

Das Czochralski-Verfahren ist als Verfahren zur Herstellung monokristallinen Siliziums für Halbleiterbauelemente bekannt. Das Czochralski-Verfahren sowie die hierfür eingesetzte Vorrichtung sollen nachstäiend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert werden.

Pig. 1 ist eine Querschnittansicht einer Vorrichtung, die zur Durchführung des Czochralski-Verfahrens eingesetzt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird in einem Quarztiegel 1 eine Siliziumschmelze 6 aufgenommen. Die Siliziumschmelze 6 wird von einer Heizvorrichtung 2 durch den Quarztiegel 1 und einen diesen tragenden Kohlenstofftiegel 3 aufgeheizt. Der Kohlenstofftiegel 3 äst mit einer Drehwelle 9 versehen, so daß die Tiegel 1 und 3 durch eine (nicht dargestellte) an die Drehwelle 9 angeschlossene Drehvorrichtung gedreht werden. Die Tiegel 1 und 3 werden derart gedreht, daß in der Siliziumschmelze 6 ein gleichförmiges Temperaturprofil erzielt wird. Zur Herstellung von monokristallinem Silizium wird eine Ziehwelle 4 mit einem an aeren unterem Ende

montierten monokristallinen Zuchtkeim 5 abgesenkt, so daß der Zuchtkeim 5 in die Siliziumschmelze 6 eintaucht. Danach wird die Ziehwelle 4 langsam gezogen, während sie in eine der Drehrichtung des Quarztiegels 1 entgegengesetzte Richtung gedreht wird.

Der oben geschilderte Vorgang wird in einer inerten Atmosphäre durchgeführt, beispielsweise in Argon, das in einem Dichtungsgefäß 8 enthalten ist. Dies soll verhindern, daß die Siliziumschmelze 6 bei hoher Temperatur mit Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen reagiert. Doch selbst wenn der Vorgang innerhalb des Dichtungsgefäßes 8 stattfindet, enthält das hergestellte monokristalline Silizium

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noch Sauerstoff in einer Konzentration von 10 bis 10 Atomen/cm. Es ist bekannt, daß Kieselerde (SiO₂) des Quarztiegels 1 Quelle für dieses Sauerstoff ist. Wenn derart hergestelltes monokristallines Silizium zu einem Substrat geformt und einer Warmbehandlung unterworfen wird, bilden sich aufgrund des vorhandenen Sauerstoffs Mikrodefekte. Daher ist es notwendig, die Sauerstoffkonzentration in den Kristallen herabzusetzen, damit die Bildung solcher Mikrodefekte verhindert wird.

Derzeit besteht ein Trend zu versuchen,

den in den Kristallen enthaltenen Sauerstoff zu nutzen. Wenn das eine große Menge Sauerstoff enthaltende Silizium bei einer relativ hohen Temperatur (z.B. 1,050° C) einer Warmbehandlung unterworfen wird, schlägt sich Sauerstoff mit der Folge von Mikrodefekten nieder. Der niedergeschlagene Sauerstoff verursacht weitere Mikrodefekte, wie zum Beispiel Versetzungsschleifen oder Lamellierungsdefekte. Diese Mikrodefekte haben die Eigenschaft, Verunreinigungen einzufangen. Wenn also niedergeschlagener Sauerstoff oder sich daraus ergebende Defekte lediglich in der Nähe der Siliziumsubstratmitte (in Dickenrichtung des Substrats gesehen)

qebildet werden, so fangen diese Defekte Verunreinigungen ein, die, falls sie nicht eingefangen würden, Mikrodefekte oder Lamellierungsdefekte in der Oberflächenschicht des Substrats während der Herstellung der Halbleiterbauelemente verursachen würden. Auf diese Weise kann ein Siliziumsubstrat mit einer von Defekten freien reinen Oberflächenschicht erhalten werden. Dies wird als Eigengetterung (intrinsic gettering) bezeichnet. Um Sauerstoff lediglich in der Mitte des Siliziumsubstrats (in Breiten- oder Dickenrichtung des Substrats gesehen) niederzuschlagen, genügt es, ein Sauerstoff enthaltendes Siliziumsubstrat einer Warmbehandlung zu unterwerfen. Wenn ein solches Siliziumsubstrat warmbehandelt wird, wird in der Oberflächenschicht des Substrats enthaltener Sauerstoff aufgrund der Wärme nach außen abgegeben, und der Sauerstoff in der Mitte des Substrats bleibt. Um den Eigengetterungseffekt mit hoher Effizienz und genauer Wiederholbarkeit ausnutzen zu können, muß das monokristalline Silizium des Siliziumsubstrats den Sauerstoff gleichförmig und in hoher Konzentration enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von monokristallinem Silizium zu schaffen, welches Sauerstoff in hoher Konzentration enthält. Weiterhin soll das Silizium den Sauerstoff gleichförmig verteilt enthalten. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beziehungsweise des Ananspruchs 7 angegebenen Merkmale gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also in einem Quarztiegel polykristallines Silizium geschmolzen, um eine Siliziumschmelze zu erhalten. Um ein Entweichen des in der Siliziumschmelze enthaltenen Sauerstoffs zu verhindern,

wird auf der Oberfläche der Siliziumschmelze ein Element schwimmen gelassen, wobei ein Bereich der Schmelzenoberfläche ausgenommen wird, durch den das monokristalline Silizium gebogen wird. Letzteres wird dadurch gezogen, daß ein monokristalliner Zuchtkeim in die Siliziumschmelze eingetaucht wird und d^r Zuchtkeim langsam gezogen und gedreht wird, während der Quarztiegel gedreht wird und das Element um das monokristalline Silizium herum gedreht wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum Herstellen von monokristallinem Silizium, und

Fig. 2

und 3 jeweils eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von monokristallinem Silizium gemäß der Erfindung.

Wie oben bereits gesagt wurde, muß zur Ausnutzung des Eigengetterungseffekts das monokristalline Silizium den Sauerstoff in einer hohen Konzentration enthalten. Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von monokristallinem Silizium gemäß obiger Beschreibung gelangt der in dem Quarz (SiOp) des Tiegels enthaltene Sauerstoff in die Siliziumschmelze. Ein Teil des zugeführten Sauerstoffs entweicht jedoch aus der Oberfläche der Siliziumschmelze. Um ein solches Entweichen des Sauerstoffs zu verhindern, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein ringförmiges Element cuf der Oberfläche der Siliziumschmelze schwimmen gelassen. Wenn dieses ringförmige Element aus Quarz besteht, kann die Sauerstoffkonzentration in dem Silizium weiter erhöht werden, da Sauerstoff nun auch von diesem ringförmigen Element geliefert wird. Um ein gleich-

förmiges Teraperaturprofil in der Siliziumschmelze und eine gleichförmige Sauerstoffverteilung in der Schmelze zu erreichen, muß das Quarzelement gedreht werden. Da der die Siliziumschmelze aufnehmende Quarztiegel gedreht wird, dreht sich auch die Siliziumschmelze aufgrund der ihr eigenen Viskosität, Daher dreht sich das Quarzelement nur, wenn es einfach auf der Schmelze schwimmen gelassen wird. Da es jedoch möglich ist, den Sauerstoffanteil in dem Silizium durch Einstellen der Umdrehungsfrequenz des Quarzelements zu steuern, wird es bevorzugt, das Quarzelement mit einer es drehenden Vorrichtung zu verbinden.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben werden, in denen diejenigen Teile, die mit den in Fig. 1 dargestellten Teilen übereinstimmen, entsprechende Bezugszeichen tragen. Die Siliziumschmelze 6 wird in dem Quarztiegel 1 gehalten und durch die Heizvorrichtung 2 aufgeheizt. Der Quarztiegel 1 wird von einem Kohlenstofftiegel 3 aufgenommen, der über die Drehwelle 9 mit einer (nicht dargestellten) Drehvorrichtung verbunden ist.

Auf der Siliziumschmelze 6 schwimmt ein ringförmig ausgebildetes Quarzelement 11. Die Dicke des Quarzelements entspricht etwa derjenigen des Quarztiegels 1 und beträgt etwa 3 mm. An dem Quarzelement 11 sind vier Quarz-Verbindungsglieder 13a und 13b (die übrigen beiden sind in der Zeichnung nicht dargestellt) befestigt. Der obere Teil des Verbindungsglieds 13a erstreckt sich gleitend durch einen Tragarm I¹Ia. Ein Ende des Tragarms l4a ist an einer hohlen Drehwelle 12 befestigt. Das Verbindungsglied I3b, der Tragarm I¹Ib sowie die übrigen (nicht dargestellten) Verbindungsglieder und Tragarme sind ähnlich ausgebildet wie das Verbindungsglied 13a beziehungsweise der Tragarm l4a. Die

Drehwelle 12 ist an eine (nicht dargestellte) Drehvorrichtung angeschlossen und dreht sich in Richtung des Pfeils 15. Die Drehung der Drehwelle 12 überträgt sich durch die Tragarme und Verbindungsglieder auf das Quarzelement 11. Somit wird das Quarzelement 11 gedreht. An den oberen Enden der Verbindungsglieder sind Anschlagflansche 13a¹ und 13b' vorgesehen, die ein Lösen der Verbindungsglieder aus den entsprechenden Tragarmen verhindern. Selbst wenn sich daher keine Siliziumschmelze 6 in dem Quarztiegel 11 befindet, lösen sich die Verbindungsglieder 13a, 13b ... nicht von den Tragarmen I²Ia, I²Jb . .·, weil die Anschlagflansche 13a', 13b¹,... mit dem jeweiligen Tragarm I²Ja, I²Ib, ... in Eingriff kommen. Die Drehwelle 12 ist auchoin vertikaler Richtung bewegbar.

Die Ziehwelle ²J erstreckt sich koaxial innerhalb der Drehwelle 12. Das obere Ende der Ziehwelle M steht in Verbindung mit einer Zieh/Dreh-Vorrichtung (nicht dargestellt), um die Ziehwelle ²I langsam zu ziehen, während sie in Richtung des Pfeils 16 gedreht wird. Der monokristalline Zuchtkeim 5 wird am unteren Ende der Ziehwelle 4 montiert. Wie bei der bekannten Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem Dichtungsgehäuse 8 untergebracht. Das monokristalline Silizium wird in einem inerten Gas wie zum Beispiel Argon gezogen, welches in das Dichtungsgehäuse 8 eingefüllt ist. Im folgenden soll beschrieben werden, wie mit der oben beschriebenen Vorrichtung monokristallines Silizium hergestellt wird. Zunächst wird in den Quarztiegel 1 polykristallines Silizium eingebracht. Durch Bewegen der Drehwelle 12 nach oben wird jetzt das Quarzelement 11 über dem Quarztiegel 1 aufgehängt. Nachdem das Innere des Dichtungsgehäuses 8 mit Argon gefüllt ist, wird das polykristalline Silizium in dem Quarztiegel 1 durch die Heizvorrichtung 2 unter Drehung des Quarztiegels 1 in Richtung des Pfeils 17 aufgeheizt und geschmolzen. Wenn dasfcoly-

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kristalline Silizium geschmolzen ist und die Siliziumschmelze 6 fertig ist, wird die Drehwelle 12 abgesenkt, und das Quarzelement 11 wird auf der Oberfläche der Siliziumschmelze 6 zum Schwimmen gebracht. Während dieses Vorgangs wird gemäß Fig. 2 die Drehwelle 12 in ausreichendem Maß soweit abgesenkt, daß die Tragarme 14a, 1Mb, ... genügend Abstand von den jeweiligen Flanschen 13a', 13b', ... haben. Das Quarzelement 11 und die Verbindungsglieder 13a, 13b, ... schwimmen auf der Siliziumschmelze 6 aufgrund des durch das Quarzelement 11 bewirkten Auftriebs. Die Drehwelle 12 wird in Richtung des Pfeils 15 gedreht, um dadurch das Quarzelement 11 zu drehen.

Da das Quarzelement 11 ringförmige Gestalt hat, besitzt es in der Mitte ein Loch. Der monokristalline Zuchtkeim 5 wird durch dieses Loch in dem Quarzelement 11 in die Siliziumschmelze 6 eingetaucht. Die Ziehwelle 4 wird langsam gezogen, während sie in Richtung des Pfeils 16 gedreht wird. Dann wächst monokristallines Silizium 7 um den monokristallinen Zuchtkeim 5· Der Innendurchmesser des Quarzelements 11 wird vorzugsweise so gewählt, daß er dem 1,2-fachen oder mehr des Durchmessers des monokristallinen Siliziums ■7 entspricht, so daß die Qualität des monokristallinen Siliziums 7 nicht abträglich durch Versetzung innerhalb des monokristallinen Siliziums 7 oder einen ungleichmäßigen Temperaturgradienten der Siliziumschmelze 6 beeinflußt wird. Der Außendurchmesser des Quarzelements 11 wird so eingestellt, daß er geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Quarztiegels 1, so daß das Quarzelement 11 entlang der Innenwand des Quarztiegels in vertikaler Richtung bewegbar ist.

Der Oberflächenpegel der Siliziumschmelze 6 senkt sich mit dem Ziehen des monokristallinen Siliziums 7 ab. Da das Quarzelement 11 einfach auf der Siliziumschmelze 6 schwimnt,

wird es zusammen mit der Oberfläche der Siliziumschmelze abgesenkt. Daher bleibt das Quarzelement 11 in ständigem Kontakt mit der Siliziumschmelze 6. Fig. 3 zeigt den Zustand, bei dem der Pegel der Schmelze beträchtlich abgesunken ist.

Wenngleich das Quarzelement 11 vorzugsweise ringförmige Gestalt hat, wie es beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, so kann es auch polygonale Form haben. Alternativ können mehrere Elemente in ringförmiger Form auf der Siliziumschmelze 6 schwimmen. Das Quarzelement 11 braucht lediglich einen im wesentlichen ringförmig gestalteten Schutz oder Schirm zu bilden.

Erfindungsgemäß wird monokristallines Silizium hergestellt, welches gleichförmig verteilt Sauerstoff mit hoher Konzentration enthält. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben monokristallines Silizium mit der oben beschriebenen Vorrichtung hergestellt. Das erhaltene monokristalline Silizium enthielt Sauerstoff in einer Konzen-

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tration von 0,9 xlO bis 1,2 xlO Atomen/cm . Die Sauerstoffverteilung war gleichförmig. Der Kopf- und der Endabschnitt des erhaltenen monokristallinen Siliziums enthielten im wesentliehen die gleiche Menge Sauerstoff (die Sauerstoffkonzentration im Kopfteil ist höher als im Endteil, wenn das monokristalline Silizium nach dem herkömmlichen Czochralski-Verfahren hergestellt wird).

Wie aus den Figuren ersichtlich,kennzeichnen die Pfeile und 17 dieselbe ,der Pfeil 16 eine hierzu entgegengesetzte Drehrichtung.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BORGTEN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Pa'enlconsult Radeckestraße 4i 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patentconsull Sonnenbergor Slraße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha 82/8744 Horikawa-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Dr Japan Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von monokr is ta Hinein Silizium Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von monokristallinem Silizium, mit folgenden Schritten:

- Schmelzen von polykristallinem Silizium in einem Quarztiegel (1) zum Erhalten einer Siliziumschmelze (6), und

- Ziehen von monokristallinem Silizium (7) durch Eintauchen eines monokristallinen Zuchtkeims (5) in die Siliziumschmelze (6) und durch Ziehen und Drehen des monokristallinen Zuchtkeims (5), während der Quarztiegel (1) gedreht wird,

gi ekennzeichnet durch folgende Schritte:

- auf der Oberfläche der Siliziumschmelze wird ein Element (11) zum Schwimmen gebracht, das das Entweichen von in der Siliziumschmelze (6) enthaltenem Sauerstoff verhindert, und

- beim Ziehen des monokristallinen Siliziums (7) wird das Element (11) um das gezogene monokristalline Silizium (7) herum gedreht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Element (11) aus Quarz besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Element (11) im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Innendurchmesser des Elements (11) im wesentlichen ringförmiger Gestalt nicht weniger als das 1,2-fache des Durchmessers des gezogenen monokristallinen Siliziums (7) beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge~ kennzeichnet , daß der Außendurchmesser des Elements (11) im wesentlichen ringförmiger Gestalt geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Quarztiegels (D.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Element (11) durch eine Drehvorrichtung gedreht wird, deren Drehftequenz steuerbar ist.

7. Vorrichtung zum Herstellen von monokristallinem Silizium, mit einem Quarztiegel (1) zur Aufnahme einer Siliziumschmelze (6), einer Vorrichtung zum Drehen des Quarztiegels (1), einer Heizvorrichtung (2), die außerhalb des Quarztiegels (1) angeordnet ist und die Siliziumschmelze (6) in dem Quarztiegel (1) aufheizt, einem in die Siliziumschmelze (6) einzutauchenden monokristallinen Zuchtkeim (5), und einer mit dem monokristallinen Zuchtkeim (5) zu verbindenden Vorrichtung zum Ziehen des monokristallinen Zuchtkeims (5)> während dieser gedreht wird,

dadurch gekennzeichnet , daß ein im wesentlichen ringförmig ausgebildetes Element (7) vorgesehen ist, welches auf der Siliziumschmelze (6) schwimmt, und daß eine mit dem im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Element (11) über Verbindungsglieder (13a, 13b) verbindbare Von 1 htung vorgesehen ist, um das im wesentlichen ringförmig ausgebildete Element (11) zu drehen, wobei der monokristalline Zuchtkeim (5) durch das Loch des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Elements (11) in die Siliziumschmelze (6) eingetaucht wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das im wesentlichen ringförmig ausgebildete Element (11) aus Quarz besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Innendurchmesser des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Elements (11) nicht kleiner ist als das 1,2-fache des Durchmessers des gezogenen monokristallinen Siliziums (7).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Außendurchmesser des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Elements (11) geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Quarztiegels (1).