DE3215620C2

DE3215620C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinem Silizium

Info

Publication number: DE3215620C2
Application number: DE3215620A
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: 1986-02-13
Also published as: DE3215620A1; JPS57179099A; US4497777A

Abstract

Die Erfindung schafft ein verbessertes Czochralski-Verfahren zum Herstellen von monokristallinem Silizium sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Beim Ziehen von monokristallinem Silizium (7) nach dem Czochralski-Verfahren wird ein Element (11) zum Verhindern des Entweichens von Sauerstoff in der Siliziumschmelze (6) auf der Oberfläche der Schmelze (6) schwimmen gelassen. Das Element (11) dreht sich um das gezogene monokristalline Silizium (7) herum. Das Element (11) besteht vorzugsweise aus Quarz und hat ringförmige Gestalt. Die Vorrichtung enthält das Element (11), das im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, sowie eine Vorrichtung zum Drehen des Elements (11) über Verbindungsglieder (13a, 13b).

Description

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schnitt des zu ziehenden Kristallstabs zu bestimmen. Angesichts dieser Aufgabenstellung kommen für das auf der Schmelze schwimmende Element nur gewisse Stoffe in Betracht, da gefordert wird, daß das schwimmende Element nicht von der Schmelze benetzt wird. Für das Beispiel der Herstellung einkristallinen Siliziums ist als Material für das schwimmende Element Berylliumoxid. Weiterhin ist in der genannten Druckschrift angegeben, daß das schwimmende Element vorzugsweise aus porösem Material hergestellt werden soll, und daß durch dieses poröse Material entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas hindurchgeströmt wird, damit zwischen dem Element und der Schmelze ein Gas- oder Flüssigkeitskissen gebildet wird, um die direkte Berührung des schwimmenden Elements mit der Schmelze zu vermeiden. Eine derartige Anordnung eignet sich jedoch nicht zum Erreichen des oben angesprochenen Ziels, nämlich in einkristallinem Silizium den Sauerstoffanteil gleichförmig und in hoher Konzentration zu erhalten; denn insbesondere bei Verwendung eines Gas- oder Flüssigkeitskissens kann der Sauerstoff aus der Schmelze mit diesem Gas bzw. dieser Flüssigkeit entweichen.

Ein ähnliches Verfahren bzw. eine ähnliche Vorrichtung ist in der DE-OS 20 07 200 beschrieben. Auch dort hat das auf der Schmelze schwimmende Element die Aufgabe, den Querschnitt des gezogenen Kristalls festzulegen. Entsprechend können auch nur ganz bestimmte Stoffe für das auf einer Siliziumschmelze schwimmende Element verwendet werde. Für eine Germaniumschmelze sind in der genannten Druckschrift verschiedene Stoffe angegeben, für das Ziehen von Siliziumkristallen ist jedoch angegeben, daß bisher kein geeignetes Material für das schwimmende Element (dort als Blende bezeichnet) gefunden worden sei, welches von der SiIiziumschmelze nicht benetzt würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinem Silizium anzugeben, welches Sauerstoff in hoher Konzentration enthält. Der Sauerstoff soll in dem Siliziumkristall gleichmäßig verteilt sein,

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst.

Anders als bei den oben geschilderten bekannten Verfahren mit einem schwimmenden Element auf der Siliziumschmelze sieht die Erfindung also für das schwimmende Element nicht ein Material vor, welches von der Schmelze nicht benetzt wird, sondern es ist im Gegenteil ein Material gewählt, welches von der Siliziumschmelze benetzt wird. Durch die erfindungsgemä- so ße Wahl des Materials wird erreicht, daß ein Entweichen von Sauerstoff aus der Schmelze verhindert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele dor Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinem Silizium und

F i g. 2 und 3 jeweils eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinem Silizium gemäß der Erfindung.

Wie oben bereits gesagt wurde, muß zur Ausnutzung des Eigengetterungseffekts das einkristalline Silizium den Sauerstoff in einer hohen Konzentration enthalten. Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von einkristallinem Silizium gemäß obiger Beschreibung gelangt der in dem Quarz (S1O2) 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 auf der Oberfläche der Siliziumschmelze schwimmen gelassea 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 gleichförmiges Temperaturprofil 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 F i g. 2 und 3 beschrieben werden, in denen diejenigen Teile, die mit den in F i g. 1 dargestellten Teilen übereinstimmen, entsprechende Bezugszeichen tragen. Die Siliziumschmelze 6 wird in dem Quarztiegel 1 gehalten und durch die Heizeinrichtung 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 11 entspricht etwa derjenigen des Quarztiegels 1 und beträgt etwa 3 mm. An dem Quarzelement 11 sind vier Quarz-Verbindungsglieder 13a und 136 (die übrigen beiden sind in der Zeichnung nicht dargestellt) befestigt. Der obere Teil des Verbindungsglieds 13a erstreckt sich gleitend durch einen Tragarm 14a. Ein Ende des Tragarms 14a ist an einer hohlen Drehwelle 12 befestigt Das Verbindungsglied 136, der Tragarm 146 sowie die übrigen (nicht dargestellten) Verbindungsglieder und Tragarme sind ähnlich ausgebildet wie das Verbindungsglied 13a beziehungsweise der Tragarm 14a. Die Drehwelle 12 ist an eine (nicht dargestellte) Dreheinrichtung 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 13a'und 136'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, 136... nicht von den Tragarmen 14a, 146 .., weil die Anschlagflansche 13a', 136',... mit dem jeweiligen Tragarm 14a, 146,... in Eingriff kommen. Die Drehwelle 12 ist auch in vertikaler Richtung bewegbar.

Die Ziehwelle 4 erstreckt sich koaxial innerhalb der Drehwelle 12. Das obere Ende der Ziehwelle 4 steht in Verbindung mit einer Zieh/Dreh-Einrichtung (nicht dargestellt), um die Ziehwelle 4 langsam zu ziehen, während sie in Richtung des Pfeils 16 gedreht wird. Der einkristalline Keim 5 wird am unteren Ende der Ziehwelle 4 montiert. Wie bei der bekannten Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in dem Dichtungsgehäuse 8 untergebracht Das einkristalline 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 einkristallines Silizium hergestellt wird. Zunächst wird in den Quarztiegel 1 poly- s kristallines 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 Heizeinrichtung 2 unter Drehung des Quarztiegels 1 in Richtung des Pfeils 17 aufgeheizt und geschmolzen. Wenn das polycristalline 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 F i g. 2 die Drehwelle 12 in ausreichendem Maß so weit abgesenkt, daß die Tragarme 14a, 146,... genügend Abstand von den jeweiligen Flanschen 13a', 136',... haben. Das Quarzelement 11 und die Verbindungsglieder 13a, 13ύ, ... 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 einkristalline Keim 5 wird durch dieses Loch in dem Quarzelement 11 in die Siliziumschmelze 6 eingetaucht Die Ziehwelle 4 wird iangsam gezogen, während sie in Richtung des Pfeils 16 gedreht wird. Dann wächst einkristallines Silizium 7 um den einkristallinen Keim 5. Der Innendurchmesser des Quarzelements 11 wird so gewählt daß er dem l,2fachen oder mehr des Durchmessers des einkristallinen Siliziums 7 entspricht so daß die Qualität des einkristallinen Siliziums 7 nicht abträglich durch Versetzung innerhalb des einkristallinen 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 einkristallinen Siliziums 7 ab. Da das Quarzelement 11 einfach auf der Siliziumschmelze 6 schwimmt wird es zusammen mit der Oberfläche der Siliziumschmelze 6 abgesenkt Daher bleibt das Quarzelement 11 in ständigem Kontakt mit der Siliziumschmelze 6. F i g. 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.

Das mit der oben beschriebenen Vorrichtung erhaltene einkristalline Silizium enthielt Sauerstoff in einer Konzentration von 0,9 x 10¹⁸ bis 1,2 χ ΙΟ¹⁸ Atomen/cm³. Die Sauerstoffverteilung war gleichförmig. Der Kopf- und der Endabschnitt des erhaltenen einkristallinen Siliziums enthielten im wesentlichen die gleiche Menge Sauerstoff (die Sauerstoffkonzentration im Kopfteil ist höher als im Endteil, wenn das einkristalline Silizium nach dem herkömmlichen Czochralski-Verfahren hergestellt wird).

Wie aus den Figuren ersichtlich, kennzeichnen die Pfeile 15 und 17 dieselbe, der Pfeil 16 eine hierzu entgegengesetzte Drehrichtung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 ist mit einer Drehwelle 9 versehen, so daß die Tiegel 1 Patentansprüche: und 3 durch eine (nicht dargestellte) an die Drehwelle 9 angeschlossene Drehvorrichtung gedreht wird Die Tie-

1. Verfahren zum Herstellen von einkristallinem gel 1 und 3 werden derart gedreht, daß in der SiIi-Silicium, wobei polykristallines Silicium in einem 5 ziumschmelze 6 ein gleichförmiges Temperaturprofil Quarztiegel (1) geschmolzen, der Tiegel in Drehung erzielt wird. Zur Herstellung von einkristallinem Siliziversetzt und durch ein auf der Oberfläche der SiIi- um wird eine Ziehwelle 4 mit einem an deren unterem ciumschmelze schwimmendes Element (11) hindurch Ende montierten einkristallinen Keim 5 abgesenkt, so unter Hochziehen und Drehen eines einkristallinen daß der Keim 5 in die Siliziumschmelze 6 eintaucht Keims (5) einkristallines Silicium (7) gezogen wird, io Danach wird die Ziehwelle 4 langsam gezogen, während und das Element (11) um das gezogene einkristalline sie in eine der Drehrichtung des Quarztiegels 1 entge-Silicium (7) gedreht wird, dadurch gekenn- gengesetzte Richtung gedreht wird.

zeichnet, daß das Element (11) aus Quarz be- Der oben geschilderte Vorgang wird in einer inerten steht, daß der Innendurchmesser des im wesentli- Atmosphäre durchgeführt, beispielsweise in Argon, das chen ringförmigen Elements (11) nicht weniger als 15 in einem Dichtungsgefäß 3 enthalten ist Dies soll verdas !,2fache des Durchmessers des gezogenen ein- hindern, daß die Siliziumschmelze 6 bei hoher Temperakristallinen Siliciums (7) beträgt und daß die Dreh- tür mit Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen reagiert richtung des Elements (11) der Drehrichtung des Doch selbst wenn der Vorgang innerhalb des Dich-Keims entgegengesetzt ist tungsgefäßes 8 stattfindet, enthält das hergestellte ein-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 kristalline Silizium noch Sauerstoff in einer Konzentrazeichnet, daß der Außendurchmesser des Elements tion von 10¹⁷ bis 110¹⁸ Atomen/cm³. Es ist bekannt, daß (11) geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser Siliciumdioxid (SiO₂) des Quarztiegels 1 Quelle für diedes Quarztiegels (1). sen Saugstoff ist Wenn derart hergestelltes einkristalli-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch nes Silizium zu einem Substrat geformt und einer gekennzeichnet, daß das Element (11) durch eine 25 Warmbehandlung unterworfen wird, bilden sich auf-Dreheinrichtung gedreht wird, deren Drehfrequenz grund des vorhandenen Sauerstoffs Mikrodefekte. Dasteuerbar ist her ist es notwendig, die Sauerstoffkonzentration in den

4. Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinem Kristallen herabzusetzen, damit die Bildung solcher Mi-Silicium, mit einem Quarztiegel (1), einer Einrichtung krodefekte verhindert wird.

zum Drehen des Quarztiegels (1), einer Heizeinrich- 30 Derzeit besteht ein Trend, zu versuchen, den in den tung (2), die außerhalb des Quarztiegels (1) angeord- Kristallen enthaltenen Sauerstoff zu nutzen. Wenn das net ist und die Siliciumschmelze (6) in dem Quarztie- eine große Menge Sauerstoff enthaltende Silizium bei gel (1) aufheizt, einem einkristallinem Keim (5), einer einer relativ hohen Temperatur (z.B. 1050⁰C) einer Einrichtung zum Hochziehen des einkristallinen Wärmebehandlung unterworfen wird, schlägt sich Sau-Keims (5), einem im wesentlichen ringförmig ausge- 35 erstoff mit der Folge von Mikrodefekten nieder. Der bildeten Element (U), welches auf der Silicium- niedergeschlagene Sauerstoff verursacht weitere Mischmelze (6) schwimmt, und einer mit dem Element krodefekte, wie zum Beispiel Versetzungsschleifen oder (U) über Verbindungsglieder (13a, 13b) verbindba- Lamellierur.gsdefekte. Diese Mikrodefekte haben die ren Einrichtung zum Drehen des Elements (11), da- Eigenschaft, Verunreinigungen einzufangen. Wenn also durch gekennzeichnet, daß das Element (11) aus 40 niedergeschlagener Sauerstoff oder sich daraus erge-Quarz besteht und sein Innendurchmeser nicht klei- bende Defekte lediglich in der Nähe der Siliziumsubner ist als das l,2fache des Durchmessers des gezo- stratmitte (in Dicker.richtung des Substrats gesehen) gegenen einkristallinen Siliciums (7). bildet werden, so !fangen diese Defekte Verunreinigun-

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- gen ein, die, falls sie nicht eingefangen würden, Mikrozeichnet, daß der Außendurchmesser des Elements 45 defekte oder Lamellierungsdefekte in der Oberflächen-(11) geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser schicht des Subsixats während der Herstellung der des Quarztiegels (1). Halbleiterbauelemente verursachen wurden. Auf diese

Weise kann ein Siliziumsubstrat mit einer von Defekten

freien reinen Oberflächenschicht erhalten werden. Dies

50 wird als Eigengetterung bezeichnet Um Sauerstoff lediglich in der Mitte des Siliziumsubstrats (in Breiten-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver- oder Dickenrichtung des Substrats gesehen) niederzufahren zum Herstellen von einkristallinem Silizium ge- schlagen, genügt es, ein Sauerstoff enthaltendes SiIimäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vor- ziumsubstrat einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, richtung zum Herstellen von einkristallinem Silizium 55 Wenn ein solches Siliziumsubstrat wärmebehandelt gemäß Oberbegriff des Anspruchs 4. wird, wird in der Oberflächenschicht des Substrats ent-Das Czochralski-Verfahren ist als Verfahren zur Her- haltener Sauerstoff aufgrund der Wärme nach außen stellung einkristallinen Siliziums für Halbleiterbauele- abgegeben und der Sauerstoff in der Mitte des Substrats mente bekannt. Dieses Verfahren sowie die hierfür ein- bleibt. Um den Eigengetterungseffekt mit hoher Effigesetzte Vorrichtung sollen nachstehend unter Bezug- 60 zienz und genauer Wiederholbarkeit ausnutzen zu könnähme auf Fig. 1 erläutert werden. nen, muß das einkristalline Silizium des Siliziumsub- '■'i F i g. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, strats den Sauerstoff gleichförmig und in hoher Konzen-

die zur Durchführung des Czochralski-Verfahrens ein- tration enthalten.

*; gesetzt wird. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, wird in einem Aus der US-PS 41 67 554 sind bereits ein Verfahren

'ü Quarztiegel 1 eine Siliziumschmelze 6 aufgenommen. 65 und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung

;i; Die Siliziumschmelze 6 wird von einer Heizvorrichtung bekannt. Das auf der Siliziumschmelze schwimmende

^;;1 2 durch den Quarztiegel 1 und einen diesen tragenden Element, welches zusammen mit dem einkristallinen Si-

S Kohlenstofftiegel 3 aufgeheizt. Der Kohlenstofftiegel 3 liziumkristall gezogen wird, hat die Aufgabe, den Quer-