DE3637006A1

DE3637006A1 - Siliziumeinkristallsubstrat mit hoher sauerstoffkonzentration sowie verfahren und vorrichtung zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3637006A1
Application number: DE19863637006
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Suzuki; Yasaburo Kato; Motonobu Futagami
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-10-31
Filing date: 1986-10-30
Publication date: 1987-05-07
Also published as: IT8648592A0; AU597599B2; NL8602738A; FR2589489A1; GB2182262B; GB2182262A; CA1336061C; JPS62105998A; SE8604627L; CN86106346A; SE8604627D0; FR2589489B1; IT1198454B; CN1016191B; DK518486D0; DK518486A; ATA289086A; MY100449A; KR870004498A; AU6455086A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Siliciumeinkristall substrat bzw. auf eine Halbleitereinrichtung mit einem derartigen Substrat sowie auf geeignete Verfahren und Vorrichtungen zu seiner Herstellung. Das Siliciumeinkri stallsubstrat ist in der Lage, signifikante Metallverun reinigungen zu absorbieren. Durch einen geeigneten Kri stallwachstumsprozeß wird erreicht, daß die Sauerstoff konzentration gegenüber herkömmlich hergestellten Sub straten im Siliciumeinkristallsubstrat nach der Erfindung wesentlich vergrößert ist.

Siliciumsubstrate werden üblicherweise zur Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente verwendet. Derartige Halbleiterbauelemente sollen vorzugsweise nur einen sehr kleinen Leckstrom aufweisen. Es ist bekannt, daß der Leck strom durch den sogenannten Eigengetterungseffekt (I.G.- Effekt bzw. Intrinsic Gettering-Effekt) herabgesetzt wer den kann. Der I.G.-Effekt stellt sich dadurch ein, daß sich innerhalb der internen Struktur des Siliciumsubstrats Defekte ausbilden.

Es ist allgemein bekannt, ein Siliciumsubstrat aus einem Siliciumeinkristallkörper herzustellen, der aus einer Schmelze polykristallinen Siliciums mit Hilfe eines Kri stallisationskeims und unter Anwendung des sogenannten Czochralski-Verfahrens (CZ-Verfahren) herausgezogen wor den ist. Beim CZ-Verfahren wird der einkristalline Sili ciumkörper langsam aus der Kristallschmelze herausgezo gen, die aus geschmolzenem polykristallinem Silicium be steht. Aus dem fertigen Siliciumeinkristallkörper lassen sich dann mehrere Siliciumsubstrate erzeugen, und zwar durch geeignete Unterteilung des Siliciumeinkristallkör pers. Diese Substrate werden auch als sogenannte Wafer bezeichnet.

Der fertiggestellte Siliciumeinkristallkörper enthält ei nen großen Anteil an Sauerstoff. Durch den Sauerstoff im Siliciumeinkristallkörper werden Kristalldefekte oder Kristallversetzungen, wie z. B. Versetzungsschleifen, Stapelfehler, usw., erzeugt. Diese Defekte entstehen auf grund der Sauerstoffabsonderung (Segregation) während der Wärmebehandlung des Siliciumsubstrats. Durch sie werden die Eigenschaften des fertigen Halbleiterbauelements ver schlechtert, dahingehend, daß z. B. die Durchbruchspan nung verringert und der Leckstrom vergrößert werden. Die Herstellungsrate einwandfreier Halbleiterbauelemente ist daher außerordentlich klein.

Auf der anderen Seite wurde festgestellt, daß Defekte in Halbleiterbauelementen bzw. Halbleitereinrichtungen dazu dienen können, Metallverunreinigungen zu absorbieren, und zwar über den sogenannten Eigengetterungseffekt (I.G. Effekt bzw. Intrinsic Gettering-Effekt). Bei Halbleiter einrichtungen, in denen die Oberfläche des Siliciumsub strats den aktivsten Bereich darstellt, beispielsweise bei sogenannten isolierten Gate-Feldeffekt-Transistoren (MOS-FET′s) oder integrierten Schaltungen mit MOS-FET′s, wird der I.G.-Effekt durch Defekte im Siliciumsubstrat außerhalb des aktivsten Bereichs hervorgerufen, so daß Metallverunreinigungen von diesem aktivsten Bereich abge zogen werden. Dies führt zu einer erheblichen Verminde rung des Leckstroms im Halbleiterbauelement.

Es ist jedoch schwierig, bei der Massenproduktion von Halbleiterbauelementen einen gleichmäßigen I.G.-Effekt einzustellen. Wird beispielsweise ein Siliciumkristall körper mit Hilfe des konventionellen CZ-Verfahrens ge zogen, so ist die Defektkonzentration innerhalb des Kri stallkörpers ungleichmäßig verteilt, und zwar im Bereich der Spitze, die zu Beginn des Wachstumsprozesses erzeugt wird, anders als im Bodenbereich des Kristallkörpers, der am Ende des Wachstumsprozesses gebildet wird. Die Ursache hierfür liegt unter anderem in der thermischen Hysterese. Obwohl durch eine hohe Sauerstoffkonzentration der I.G.- Effekt verbessert wird, werden jedoch bei überhöhten Sau erstoffkonzentrationen Defekte auch an den Oberflächen der Halbleiterbauelemente gebildet, so daß sich die Ei genschaften der Halbleiterbauelemente verschlechtern. Bei einigen Produktionsprozessen zur Herstellung von Halblei terbauelementen muß ferner auf eine genaue Einstellung der Sauerstoffkonzentration geachtet werden, und zwar im Hinblick auf Wärmebehandlungsbedingungen, die zur Er zeugung der Halbleiterbauelemente erforderlich sind. Ent sprechendes gilt auch hinsichtlich des I.G.-Effekts.

Es ist daher schwierig, auf konventionelle Weise Silicium substrate für Halbleiterbauelemente zu erzeugen, die eine erhöhte Sauerstoffkonzentration zur Verbesserung des I.G.-Effekts aufweisen, um den Leckstrom zu vermindern, ohne den umgekehrten Effekt zu erzeugen, daß Defekte in nerhalb des fertiggestellten Halbleiterbauelements nach einer Wärmebehandlung entstehen.

Es ist allgemeines Ziel der Erfindung, die oben beschrie benen Nachteile bei der Herstellung von Siliciumsubstra ten zu überwinden und geeignete Verfahren und Vorrichtun gen zur Erzeugung der Siliciumsubstrate zu schaffen.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, Halbleitereinrichtungen mit verringerten Leckströmen und verbesserten Durchbruch spannungen zu erzeugen.

Mit der Erfindung soll ein Siliciumsubstrat mit relativ hoher Sauerstoffkonzentration geschaffen werden, ohne daß befürchtet werden muß, daß sich seine Eigenschaften auf grund einer Sauerstoffabsonderung bzw. Sauerstoffsegrega tion oder aufgrund von Versetzungsschleifen, Stapelfeh lern usw., verschlechtern.

Es soll ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Sili ciumsubstrats als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Halbleiterbauelementen angegeben werden, durch das eine hohe Produktionsrate ermöglicht wird, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich die Eigenschaften des fertiggestellten Produkts wieder verschlechtern.

Die Lösungen der gestellten Aufgaben sind in den jeweils nebengeordneten Ansprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstel lung eines Siliciumsubstrats ein Siliciumkristall- bzw. Siliciumeinkristallkörper mit einer Geschwindigkeit bzw. Kristallwachstumsrate gezogen, die höher als bei einem konventionellen Verfahren dieser Art ist. Es wurde fest gestellt, daß die Wachstumsrate des Siliciumkristallkör pers in starkem Maße die Erzeugung von Defekten im Sili ciumkristallkörper beeinflußt. Entsprechend der Erfin dung ist somit die Sauerstoffkonzentration im Silicium kristallkörper oder in dem aus ihm gewonnenen Silicium substrat merklich höher als in einem konventionell er zeugten Siliciumkristallkörper bzw. Siliciumsubstrat. Durch die Beschleunigung der Kristallwachstumsrate des Siliciumkristallkörpers wird die Separation bzw. Abtren nung von Sauerstoff im Kristallkörper stark unterdrückt. Das hat zur Folge, daß die Anzahl der Defekte oder Ver setzungen bzw. Fehlstellen stark reduziert wird, die sich im Kristallkörper während einer Wärmebehandlung bei der Herstellung der Halbleitereinrichtungen bzw. Halbleiter bauelemente bilden.

Vorteilhafterweise ist die Kristallwachstumsrate des Si liciumkristallkörpers größer oder gleich 1,2 mm/min. Vor teilhaft ist ferner, wenn die Sauerstoffkonzentration in nerhalb des gewachsenen bzw. gezogenen Siliciumkristall körpers größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 ist.

Entsprechend der Erfindung weist ein Siliciumsubstrat ei ne Sauerstoffkonzentration auf, die größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 ist, und einen Leckstrom kleiner oder gleich 1×10^-10 A.

Ein Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung eines Siliciumsubstrats mit einer vergrößerten Sauerstoffkon zentration für Halbleitereinrichtungen ist gekennzeich net durch folgende Verfahrensschritte:

- Ziehen eines Siliciumeinkristalls aus einer Silicium schmelze bei einer derart hohen Kristallwachstumsrate, daß Sauerstoffverluste des Einkristalls während nach folgender Wärmebehandlungen bei der Herstellung der Halbleitereinrichtungen vermieden werden, und
- Herstellung von Siliciumsubstraten aus dem so gezoge nen Siliciumeinkristall.

Eine bevorzugte Kristallwachstumsrate des Siliciumeinkri stalls ist größer oder gleich 1,2 mm/min. Vorteilhaft ist die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Siliciumsub strats größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3. Es ist wei terhin vorteilhaft, wenn die Kristallwachstumsrate des Siliciumeinkristalls im Bereich von etwa 1,5 mm/min bis etwa 2,1 mm/min liegt.

Der Ziehvorgang zur Bildung des Siliciumeinkristalls um faßt entsprechend der Erfindung folgende Schritte:

- Einbringen von Silicium in einen Tiegel,
- Verflüssigen des Siliciums durch Aufheizen und Aufrecht erhalten des flüssigen Zustands, und
- Herausziehen des Siliciumeinkristalls aus der im Tiegel befindlichen Siliciumschmelze.

Bei der Aufheizung des Siliciums wird so viel Wärme zuge führt, daß eine Verfestigung des Siliciums an der Ober fläche der Schmelze verhindert wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, bei der Aufheizung des Siliciums mehr Wärme der Oberfläche der Siliciumschmelze als dem restlichen Bereich dieser Schmelze zuzuführen. Hierzu ist die Heiz einrichtung in geeigneter Weise ausgebildet und besitzt in ihrem der Oberfläche der Kristallschmelze gegenüber liegenden Bereich eine kegelförmige Querschnittsgestalt.

Bei einem abgewandelten Verfahren nach der Erfindung wird ferner ein magnetisches Feld an das Silicium bzw. an die Siliciumschmelze angelegt, d. h., daß der Tiegel mit der Siliciumschmelze innerhalb eines magnetischen Feldes po sitioniert wird. Der Tiegel kann vorzugsweise gedreht werden, wobei die Drehgeschwindigkeit des Tiegels zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration im Siliciumsub strat veränderbar ist.

Eine Vorrichtung zum Ziehen eines Siliciumeinkristalls mit hoher Sauerstoffkonzentration zur Bildung von Sili ciumsubstraten für Halbleitereinrichtungen zur Durchfüh rung des oben beschriebenen Verfahrens enthält:

- einen Tiegel zur Aufnahme von Silicium,
- eine Heizeinrichtung zum Verflüssigen des Siliciums durch Erhitzen sowie zum Aufrechterhalten des flüssigen Zustands, und
- eine Zieheinrichtung zum Herausziehen eines Silicium einkristalls aus der im Tiegel befindlichen Silicium schmelze bei einer derart hohen Kristallwachstumsrate bzw. Geschwindigkeit, daß Sauerstoffverluste des Sub strats während nachfolgender Wärmebehandlungen bei der Herstellung der Halbleitereinrichtungen vermieden wer den.

Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß die Ziehgeschwin digkeit des Siliciumeinkristalls auf einen Wert größer oder gleich 1,2 mm/min einstellbar ist. Die Sauerstoff konzentration im Siliciumsubstrat ist dagegen auf einen Wert größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 einstellbar. Vor zugsweise kann die Kristallwachstumsrate des Siliciumein kristalls im Bereich von etwa 1,5 mm/min bis etwa 2,1 mm/ min liegen.

Durch die Heizeinrichtung ist verhinderbar, daß sich die Oberfläche der Siliciumschmelze verfestigt. Zu diesem Zweck führt die Heizeinrichtung der Oberfläche der Sili ciumschmelze mehr Wärme zu als den restlichen Bereichen dieser Schmelze.

Die Vorrichtung weist ferner eine Einrichtung zur Erzeu gung eines Magnetfelds auf, das an die Siliciumschmelze anlegbar ist. Der Tiegel mit dieser Schmelze ist also innerhalb des Magnetfelds positionierbar. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Drehung des Tiegels auf. Mit dieser Einrichtung kann die Drehgeschwin digkeit des Tiegels so eingestellt werden, daß eine ge wünschte Sauerstoffkonzentration innerhalb des Silicium substrats erhalten wird.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Halbleiterein richtung, die sich durch ein Siliciumsubstrat mit einer Sauerstoffkonzentration größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 und durch einen Leckstrom kleiner als 1×10¹⁰ A auszeich net.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Ziehen eines Siliciumkristalls, mit deren Hil fe das Verfahren nach der Erfindung durchführ bar ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Heizelements für die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine dreidimensionale graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen Kri stallwachstumsrate, Sauerstoffkonzentration und Stapelfehlerdichte,

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration von der Wärmebehandlungszeit,

Fig. 5 Meßergebnisse hinsichtlich des Leckstroms bei einer Anzahl von Probendioden aus einem Sili ciumsubstrat, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist,

Fig. 6 Meßergebnisse hinsichtlich des Leckstroms bei einer Anzahl von Probendioden aus einem Sili ciumsubstrat, das nach einem konventionellen Verfahren hergestellt worden ist, und

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Aus führungsform einer Vorrichtung zum Ziehen eines Siliciumkristalls, mit deren Hilfe das Verfah ren nach der Erfindung durchführbar ist.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ziehen eines Sili ciumeinkristalls, die sich zur Herstellung eines Silicium substrats gemäß dem Verfahren nach der Erfindung eignet. Wie anhand der Fig. 1 erläutert wird, umfaßt das Verfah ren zur Herstellung des Siliciumsubstrats einen Prozeß zum Ziehen eines Siliciumeinkristallkörpers als Ausgangs material für mehrere Siliciumsubstrate. Bei diesem bevor zugten Prozeß wird der Siliciumeinkristall mit Hilfe des Czochralski-Verfahrens hergestellt (CZ-Verfahren).

Die Vorrichtung nach der Erfindung zum Ziehen von Einkri stallen enthält einen Graphittiegel 1, in dem sich ein Quarztiegel 2 befindet. Innerhalb des Quarztiegels 2 kann Silicium 3 geschmolzen werden. Der Graphittiegel 1 ist von einem Heizgenerator 4 aus Graphit umgeben, der sei nerseits von einem wärmeisolierenden Material 9 umgeben ist. Das wärmeisolierende Material 9 ist zusätzlich von einer Mehrzahl von Kühlmänteln 10 a, 10 b und 10 c umgeben. Der Kühlmantel 10 b weist ein Fenster 12 auf, durch das hindurch der Wachstumsprozeß des Einkristalls 6 beobach tet werden kann. Im Boden des Kühlmantels 10 b ist eine Auslaßröhre 13 zum Auslassen eines inerten Gases vorhan den, das als Atmosphäre innerhalb der Kühlmäntel 10 a, 10 b und 10 c dient und von oben zugeführt wird. Mit der unteren Fläche des Graphittiegels 1 ist eine Achse 8 fest verbunden, die frei durch eine Öffnung 10 d im Bo den des Kühlmantels 10 a hindurchragt. Diese Achse 8 dient zur Drehung sowie zur Anhebung oder Absenkung des Graphit tiegels 1. Der untere Rand des Heizgenerators 4 ist mit einer ringförmigen Platte 14 fest verbunden, die ihrer seits mit zwei Achsen 15 fest verbunden ist, welche frei durch zwei Öffnungen 10 e und 10 f im Boden des Kühlmantels 10 a hindurchragen. Die Achsen 15 dienen dazu, den Heizge nerator 4 anzuheben oder abzusenken. Ein zylindrischer Schutzschild 16 aus Molybdän mit einem Innendurchmesser, der etwas größer als der Außendurchmesser des Einkri stalls 6 ist, liegt oberhalb des flüssigen Siliciums 3 und umgibt den Einkristall 6. Innerhalb des Schutzschilds 16 wird ein Kristallkeim 5 durch ein Spannfutter 7 gehal ten, welches sich am unteren Ende einer drehbaren Achse 17 befindet, so daß mit Hilfe des Kristallkeims 5 der zy lindrische Einkristall 6 gezogen werden kann.

Beim Czochralski-Verfahren läßt sich die maximale Einkri stallwachstumsrate V _max unter der Voraussetzung, daß die Grenzfläche fest-flüssig zwischen dem Einkristall 6 und der Flüssigkeit 3 flach ist und kein radialer Temperatur gradient im Einkristall 6 existiert, wie folgt ausdrücken: Hierbei sind k die thermische Leitfähigkeit des Einkri stalls 6, h die Erstarrungswärme, ρ die Dichte und dT/dX der Temperaturgradient in der festen Phase des Einkri stalls 6 an der Grenzfläche fest/flüssig. X gibt dabei den Abstand entlang der Longitudinalachse des Einkristalls 6 an. Da in der oben genannten Gleichung die Ausdrücke k, h und ρ Materialeigenschaften darstellen, ist es erforder lich, den Temperaturgradienten dT/dX zu erhöhen, um eine große oder vergrößerte maximale Einkristallwachstumsrate V _max zu erhalten. Beim obengenannten Czochralski-Verfah ren ist jedoch der Wert des Temperaturgradienten dT/dX unvermeidbar beschränkt, da der Einkristall durch Strah lung von der Oberfläche der Flüssigkeit 3 aufgeheizt wird, durch die innere Wand des Tiegels 2 und durch den Wärmege nerator 4, so daß in der Praxis immer eine relativ kleine Wachstumsrate erhalten wird.

Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, kann die Wachstums rate des Siliciumeinkristalls dadurch vergrößert werden, daß die Wärme, die dem geschmolzenen Silicium 3 durch den Wärmegenerator 4 zugeführt wird, reduziert wird, so daß die Temperatur des geschmolzenen Siliciums abgesenkt wird. Obwohl dies einen direkt proportionalen Effekt be züglich der Absenkung des Temperaturgradienten hervorruft, wird andererseits aufgrund des Stefan-Boltzmann-Gesetzes die in Richtung des Einkristalls 6 abgestrahlte Wärme in einem sehr viel größeren Umfang reduziert, so daß sich aufgrund des Nettoeffekts eine Erhöhung des Temperatur gradienten dT/dX ergibt. Bei der Herabsetzung der durch den Wärmegenerator 4 erzeugten Wärme zur Erzielung einer höheren Wachstumsrate besteht jedoch die Gefahr, daß sich die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums verfestigt, da die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums der gasför migen Ofenatmosphäre ausgesetzt ist und durch diese ge kühlt wird. Hierdurch wird der Umfang begrenzt, in dem die Temperatur des geschmolzenen Siliciums 3 herabgesetzt werden kann.

Der Wärmegenerator 4 der Vorrichtung zum Ziehen von Sili ciumeinkristallen ist so ausgebildet, daß durch ihn genü gend Wärme zur Oberfläche des geschmolzenen Siliciums 3 geführt werden kann, um den flüssigen Zustand des Sili ciums aufrechtzuerhalten. Insbesondere ist der Wärmege nerator 4 nach einer bevorzugten Ausbildung so gestal tet, daß er mehr Wärme zu der Oberfläche des geschmolze nen Siliciums führen kann als zum verbleibenden Bereich des geschmolzenen Siliciums, so daß es auf diese Weise möglich ist, die Temperatur des geschmolzenen Siliciums 3 zu minimieren.

In der Fig. 2 ist der Aufbau des Wärmegenerators 4 näher dargestellt. Er besteht aus einem leitfähigen Material, beispielsweise aus Graphit, und weist generell die Form einer zylindrischen Buchse auf, die an ihrem oberen Ende einen kegelförmigen Bereich 4 a besitzt. Im Wärmegenerator 4 sind abwechselnd obere Furchen 4 b und untere Furchen 4 c vorhanden, die jeweils parallel zur Vertikalachse des Wärmegenerators 4 verlaufen. Die genannten Furchen 4 b, 4 c wechseln sich in Umfangsrichtung des Wärmegenerators 4 ab. Auf diese Weise wird eine zylindrische Hülle mit einer serpentinenartigen Konfiguration erhalten, die sich als elektrisches Heizelement verwenden läßt. Zusätzlich sind die oberen Enden der unteren Furchen 4 c gabelförmig aufgespalten, um jeweils zwei kurze Furchen 4 d und 4 e zu bilden, die jeweils unter 45° zu der Furche 4 c verlaufen. Aufgrund ohm′scher Verluste wird Hitze erzeugt, wenn ein Strom durch die Bereiche fließt, die durch benachbarte obere und untere Furchen 4 b und 4 c gebildet sind.

Um mit Hilfe des Kristallkeims 5 einen Einkristall 6 aus dem geschmolzenen Siliciummaterial zu ziehen, werden die beiden Tiegel 1 und 2 mit Hilfe der Achse 8 in Uhrzeiger richtung gedreht, während der gezogene Einkristall 6 mit Hilfe der Achse 17 in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht wird, oder umgekehrt. Zur selben Zeit wird die drehbare Achse 17 mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebsme chanismus langsam angehoben, um den Einkristall 6 aus der Schmelze zu ziehen. Zusätzlich werden die beiden Tiegel 1 und 2 langsam angehoben, so daß die Oberfläche der Flüs sigkeit 3 in einer vorbestimmten Position relativ zum Heizgenerator 4 gehalten werden kann.

Die beschriebene Vorrichtung hat folgende Vorteile: Das obere Ende 4 a des Heizgenerators 4 ist kegelförmig ausge bildet, während zusätzlich gabelförmige Furchen 4 d und 4 e an den oberen Enden der unteren Furchen 4 c vorhanden sind. Die genannten Furchen durchsetzen dabei die gesamte Wanddicke des Heizgenerators 4. Ferner ist der Querschnitt im kegelförmigen Bereich 4 a kleiner als der Querschnitt im restlichen Bereich des Heizgenerators 4. Darüber hinaus ist der Querschnittsbereich in der Nähe der gabelförmi gen Furchen 4 d und 4 e außerordentlich klein. Fließt daher ein Strom durch den Heizgenerator 4, so wird der kegel förmige Bereich 4 a des Heizgenerators 4 auf eine höhere Temperatur aufgeheizt als die anderen Bereiche des Heizge nerators 4. Daraus folgt, daß die Temperaturdifferenz zwi schen der Schmelze 3 a, die dem kegelförmigen Bereich 4 a senkrecht gegenüberliegt und an der inneren Wand des Tie gels 2 anliegt, und dem maximalen Wert innerhalb des Be reichs der Schmelze 3, klein ist.

Da gegenüber den konventionellen Modellen durch den kegel förmigen Bereich 4 a der elektrische Gesamtwiderstand des Heizgenerators 4 erhöht wird, läßt sich mit dem Heizgene rator 4 auch eine höhere Temperatur erzeugen, wenn man von jeweils gleichen Strömen ausgeht. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann daher der Strom durch den Heiz generator 4 kleiner sein als bei der konventionellen Heiz einrichtung mit ähnlichem Aufbau.

Wie bereits erläutert, ist es erforderlich, den Tempera turgradienten dT/dX innerhalb der festen Phase des Ein kristalls 6 an der Fest/Flüssig-Grenzfläche zu erhöhen, um die maximale Wachstumsgeschwindigkeit V _max zu vergrö ßern. Daher ist es vorteilhaft, die vom Heizgenerator 4 abgegebene Wärme zu reduzieren, da der Einkristall 6 durch die Strahlungswärme des Heizgenerators 4 erhitzt wird.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die Oberfläche der Schmelze 3 vor einer Verfestigung an der Innenwand des Tiegels 2 zu schützen, auch wenn die vom Heizgenerator 4 abgegebene Wärme reduziert wird, um den Temperaturgradienten dT/dX zu erhöhen, da die oben erwähn te maximale Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche 3 a und dem restlichen Bereich der Schmelze 3 klein ist. Es ist somit möglich, die Wachstumsrate merklich zu erhöhen, und zwar im Vergleich zu konventionellen Systemen um mehr als 0,2 mm/min. Ferner ist es möglich, den Monokri stall 6 gleichmäßiger wachsen zu lassen, so daß eine höhere Ausbeute erhalten wird, während sich die Herstel lungskosten gleichzeitig verringern.

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines Si liciumsubstrats nach der Erfindung näher erläutert, das mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung durchge führt wird. Forschungen haben ergeben, daß die Kristall wachstumsrate einen großen Einfluß auf die Erzeugung von Kristallfehlern hat, insbesondere auf die Erzeugung von Stapelfehlern. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird daher die Kristallwachstumsrate auf einen Wert grö ßer als 1,2 mm/min gesetzt, um einen Siliciumkristallkör per mit einer Sauerstoffkonzentration von mehr als 1,8×10¹⁸ cm^-3 zu erhalten. Aus diesem Siliciumeinkri stallkörper werden dann Siliciumsubstrate (wafer) heraus geschnitten. Dadurch, daß die Wachstumsrate des Silicium einkristalls größer ist als beim konventionellen Verfah ren, lassen sich Absonderungen bzw. Segregationen von Sauerstoff in nachfolgenden Wärmebehandlungsstufen vermei den, so daß die Qualität des gewachsenen bzw. gezogenen Siliciumeinkristalls vor Verschlechterungen geschützt ist. Es ist somit möglich, die Sauerstoffkonzentration zu erhöhen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Sauerstoffkonzentration 1,8×10¹⁸ cm^-3 oder größer, so daß es möglich ist, einen verbesserten Eigengetterungsef fekt (I.G.-Effekt bzw. Intrinsic Gettering Effect) zu er halten.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf ein fertig gestelltes Siliciumsubstrat, das nach einem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung unter Einsatz der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung erzeugt worden ist.

Ein Siliciumeinkristallkörper wurde unter Anwendung des Czochralski-Verfahrens gezogen. Ein Wafer wurde aus dem Einkristallkörper herausgeschnitten. Die Oberfläche des Wafers wurde dann spiegelglatt poliert und anschließend zweimal wärmebehandelt, und zwar bei einer Temperatur von 1100°C über 2 Stunden innerhalb einer trockenen Sauerstoff atmosphäre. Anschließend wurde der Wafer geätzt, und zwar bis zu einer Tiefe von 13 µm, wobei ein sogenanntes trockenes Ätzverfahren zur Anwendung kam, um Fehler aufzudecken. Um den genannten Test durchzuführen, wurden verschie dene Proben bei veränderter Wachstumsrate des Siliciumein kristallkörpers mit Hilfe des CZ-Verfahrens hergestellt. Ebenso wurden Proben mit verschiedenen Sauerstoffkonzen trationen hergestellt. Dann wurde die Dichte der Stapel fehler in diesen Proben gemessen. Das Ergebnis dieser Mes sungen ist in Fig. 3 gezeigt.

Das in Fig. 3 gezeigte Ergebnis zeigt an, daß praktisch keine Stapelfehler erhalten werden, wenn die Wachstumsra te des Siliciumeinkristalls größer oder gleich 1,2 mm/min ist. Darüber hinaus ist ebenfalls ersichtlich, daß keine Stapelfehler erzeugt werden, wenn der Siliciumwafer oder das Siliciumsubstrat wärmebehandelt werden, und auch nicht während der Oberflächenpolierung.

Zusätzlich wurden die Sauerstoffkonzentrationsänderungen während der Wärmebehandlung bei 750°C gemessen. Fig. 4 zeigt die Meßergebnisse der Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Wärmebehandlungszeit. In der Fig. 4 stellen die Kurven 21 bis 23 jeweils eine Beziehung zwi schen der Sauerstoffkonzentration und der Wärmebehand lungszeit bei Kristallwachstumsraten größer als 1,2 mm/ min dar. Die Anfangssauerstoffkonzentrationen für die Kurven 21 bis 26 sind jeweils 1,644×10¹⁸ cm^-3, 1,667×10¹⁸ cm^-3, 1,709×10¹⁸ cm^-3, 1,866×10¹⁸ cm^-3, 2,019×10¹⁸ cm^-3 und 1,737×10¹⁸ cm^-3. Obwohl die Sauer stoffkonzentration schließlich abfällt, wenn Sauerstoff aus dem Siliciumsubstrat nach außen tritt oder der Sili ciumeinkristallkörper über längere Zeit wärmebehandelt wird, läßt sich doch erkennen, daß im Falle einer hohen Ausgangssauerstoffkonzentration entsprechend der vorlie genden Erfindung, wie durch die Kurven 24 bis 26 angegeben, die Änderung sehr klein ist, und zwar auch nach einer relativ langen Wärmebehandlungszeit, so daß ein meßbarer Sauerstoffverlust erst nach einer sehr langen Zeit auf tritt.

Anhand der Fig. 3 und 4 wird somit unmittelbar deutlich, daß eine hohe Kristallwachstumsgeschwindigkeit zu weniger Stapelfehlern führt.

Für den nächsten Test wurden Dioden durch Bildung eines n⁺-p Übergangs auf einem Siliciumsubstrat hergestellt, das einmal gemäß dem Verfahren nach der Erfindung und zum anderen nach dem konventionellen Verfahren erzeugt wurde. Für jede Diode wurde der Leckstrom im Bereich des p-n Übergangs gemessen. Im vorliegenden Fall wurde ein Be reich vom p-Typ auf einem Siliciumsubstrat vom n-Typ ge bildet, während n⁺ Bereiche mit einer Fläche von 2,4×10^-12 cm Stück/cm² hergestellt wurden (2,4×10^-12 cm²). Die Messung wurde jeweils bei Anlegen einer Testspannung von +5 V an den n⁺ Bereich durchgeführt. Die Ergebnisse des Tests bei einem Siliciumsubstrat aus einem Silicium einkristallkörper, der mit Hilfe des CZ-Verfahrens bei einer Kristallwachstumsrate größer oder gleich 1,2 mm/ min und mit einer Sauerstoffkonzentration von 2,0×10¹⁸ cm^-3 hergestellt worden ist, sind in Fig. 5 dargestellt. Auf der anderen Seite sind in Fig. 6 Testergebnisse von Siliciumsubstraten eines Siliciumeinkristallkörpers ge zeigt, der mit Hilfe des konventionellen Siliciumeinkri stall-Ziehverfahrens bei einer Kristallwachstumsrate von 0,6 bis 0,9 mm/min gebildet worden ist. In den Fig. 5 und 6 ist der gemessene Leckstrom auf der Abszisse aufgetra gen, während auf der Ordinate jeweils die Anzahl der Pro ben aufgetragen worden ist, die einen Leckstrom gezeigt haben (Häufigkeit). Durch einen Vergleich der Fig. 5 und 6 läßt sich unmittelbar erkennen, daß bei Siliciumsub straten, die nach der Erfindung hergestellt worden sind, der Leckstrom 10^-11 A oder weniger beträgt. Dies ist un ter anderem auch eine Folge des bereits erwähnten Ionen getterungseffekts (I.G.-Effekt), der aufgrund der hohen Sauerstoffkonzentration auftritt.

Entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung ist es mög lich, einen Siliciumeinkristallkörper mit hoher Sauer stoffkonzentration herzustellen. Es ist ferner möglich, die Sauerstoffkonzentration in einem weiten Bereich ge nau einzustellen, und zwar unter Einsatz eines magneti schen Felds beim Herstellen des Siliciumeinkristallkör pers. Das magnetische Feld durchsetzt dabei die Silicium schmelze, die sich innerhalb eines Quarztiegels befindet, wobei der Tiegel gedreht wird, sofern dies erforderlich ist. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren, bei dem ein magnetisches Feld zum Einsatz kommt, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 7 näher beschrieben.

In Fig. 7 ist die gesamte Vorrichtung mit dem Bezugszei chen 31 bezeichnet. Innerhalb eines Quarztiegels 32 be findet sich geschmolzenes Silicium, aus dem ein Kristall gezogen wird. Der Quarztiegel 32 ist drehbar um seine Zentralachse gelagert, wobei sich die Drehgeschwindigkeit einstellen läßt. Er ist ferner von einer Heizeinrichtung 34 umgeben. Diese Heizeinrichtung 34 kann als zylindri sche und elektrisch arbeitende Heizeinrichtung 35 ausge bildet sein, und zwar entsprechend dem Wärmegenerator 4 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels. Ein zylin drischer und wärmeisolierender Körper oder ein wasserge kühlter Mantel 36 können, je nach Erfordernis, an der Au ßenseite der Heizeinrichtung 34 vorhanden sein. Außerhalb des Mantels 36 befindet sich eine Einrichtung 37 zur Er zeugung eines magnetischen Gleichfelds, beispielsweise ein Permanentmagnet oder ein von einem Gleichstrom ge speister Elektromagnet. Der Tiegel 23 liegt dabei zwi schen den Polschuhen des jeweiligen Magneten. Ein Kri stallkeim 38 aus einem Siliciumeinkristall wird von einem Spannfutter 39 gehalten. Mit Hilfe des Spannfutters 39 wird der Siliciumeinkristallkeim 38 nach oben gezogen, während er gleichzeitig um die Rotationsachse des Tiegels gedreht wird. Auf diese Weise läßt sich aus der Kristall schmelze 33 ein Siliciumeinkristallkörper 310 ziehen.

Der der Heizeinrichtung 34 zugeführte elektrische Strom ist ein Gleichstrom mit 4% oder weniger als 4% Wellig keit. Es kann aber auch ein pulsierender Strom oder ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 kHz oder mehr ver wendet werden. Ströme dieser Art werden bevorzugt, da durch sie unnötige Resonanzen zwischen der Heizeinrich tung 34 und dem magnetischen Feld vermieden werden.

Wie bereits erwähnt, wird der einkristalline Siliciumkeim 38 aus der geschmolzenen Siliciumoberfläche bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit nach oben gezogen, so daß der Siliciumeinkristallkörper 310 wachsen kann. In diesem Fall läßt sich durch Veränderung der Drehgeschwindigkeit des Tiegels 32 insbesondere die Sauerstoffkonzentration des fertiggestellten Kristalls 310 einstellen. Dies liegt daran, daß die effektive Viskosität des geschmolzenen Si liciums innerhalb des Tiegels 32 durch Anlegung des magne tischen Felds vergrößert wird. Da das Silicium relativ zur Tiegeldrehung gedreht wird, entsteht ein Reibungskon takt zwischen dem geschmolzenen Silicium 33 und den inne ren Wänden des Tiegels 32. Aus diesem Grund kann Sauer stoff aus den Wänden des Tiegels 32, insbesondere bei einem Quarztiegel, in das geschmolzene Silicium 33 ein treten. Der Sauerstoff an den Tiegelwänden wird somit ge löst und in die Schmelze überführt. Das bedeutet, daß die Sauerstoffkonzentration des gezogenen Einkristalls 310 ansteigt, wenn sich der gelöste Sauerstoffanteil auf grund zunehmenden Reibungskontakts vergrößert. Mit zuneh mender Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels relativ zum geschmolzenen Silicium 33 wird also mehr und mehr Sauer stoff in die Schmelze überführt, so daß deren Sauerstoff konzentration und damit diejenigen des gezogenen Einkri stalls 310 ansteigt. Der Sauerstoff wird dabei vom Tiegel bzw. Quarztiegel geliefert. Es wurde ferner festgestellt, daß bei einer hinreichend großen Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels eine höhere Sauerstoffkonzentration im gezo genen Kristall erhalten wird, wenn die Kristallschmelze zwischen einem magnetischen Feld liegt. Ist kein magneti sches Feld vorhanden, so ist die Sauerstoffkonzentration niedriger.

Wie oben beschrieben, läßt sich ein Siliciumeinkristall körper mit hoher Sauerstoffkonzentration herstellen, was viele Vorteile hat. Beispielsweise können dadurch die Effekte der thermischen Hysterese beim Ziehen des Kristall körpers im wesentlichen beseitigt werden. Da die Sauer stoffkonzentration hoch ist, wird bei der Wärmebehandlung ein extrem hoher I.G.-Effekt erzielt (Intrinsic Gettering Effect). Zusätzlich lassen sich Kristallfehler in der Sub stratoberfläche bzw. Stapelfehler auf ein Minimum reduzie ren. Aufgrund dieser Vorteile lassen sich mit Hilfe des nach der Erfindung hergestellten Siliciumsubstrats Halb leiterelemente mit sehr guten Eigenschaften herstellen, beispielsweise mit einem weiter verminderten Leckstrom, mit verbesserter Druchbruchsspannung, verbesserter Gleich mäßigkeit der Eigenschaften, usw. Ferner läßt sich auch die Produktionsrate der auf diese Weise erzeugten Halb leiterelemente erhöhen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines für Halbleiterein richtungen geeigneten Siliciumsubstrats mit hoher Sauer stoffkonzentration, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Ziehen eines Siliciumeinkristalls (6, 310) aus einer Siliciumschmelze (3, 33) bei einer derart hohen Kri stallwachstumsrate, daß Sauerstoffverluste des Einkri stalls während nachfolgender Wärmebehandlungen bei der Herstellung der Halbleitereinrichtungen vermieden wer den, und
- Herstellung von Siliciumsubstraten aus dem so gezogenen Siliciumeinkristall.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kristallwachstumsrate des Siliciumeinkristalls größer oder gleich 1,2 mm/min ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Siliciumsubstrats größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Siliciumsubstrats größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kristallwachstumsrate des Siliciumeinkristalls vorzugsweise im Bereich von etwa 1,5 mm/min bis etwa 2,1 mm/min liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeich net durch folgende Schritte:

- Einbringen von Silicium in einen Tiegel (2, 32),
- Verflüssigen des Siliciums durch Aufheizen und Aufrecht erhalten des flüssigen Zustands, und
- Herausziehen des Siliciumeinkristalls aus der im Tiegel (2, 32) befindlichen Siliciumschmelze.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Aufheizung des Si liciums so viel Wärme zugeführt wird, daß eine Verfesti gung des Siliciums an der Oberfläche der Schmelze verhin dert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Aufheizung des Si liciums mehr Wärme der Oberfläche der Siliciumschmelze als dem restlichen Bereich dieser Schmelze zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß ein magnetisches Feld an das Silicium bzw. an die Siliciumschmelze angelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6 oder einem der folgen den, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (2, 32) gedreht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des Tiegels (2, 32) zur Einstellung der Sauerstoffkonzentra tion im Siliciumsubstrat veränderbar ist.

12. Vorrichtung zum Ziehen eines Siliciumeinkristalls mit hoher Sauerstoffkonzentration zur Bildung von Sili ciumsubstraten für Halbleitereinrichtungen, gekenn zeichnet durch

- einen Tiegel (2, 32) zur Aufnahme von Silicium,
- eine Heizeinrichtung (4, 34) zum Verflüssigen des Si liciums durch Erhitzung sowie zum Aufrechterhalten des flüssigen Zustands, und
- eine Zieheinrichtung (7, 17; 39) zum Herausziehen eines Siliciumeinkristalls aus der im Tiegel (2, 32) befindli chen Siliciumschmelze bei einer derart hohen Kristall wachstumsrate bzw. Geschwindigkeit, daß Sauerstoffver luste des Substrats während nachfolgender Wärmebehand lungen bei der Herstellung der Halbleitereinrichtungen vermieden werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit des Siliciumeinkristalls größer oder gleich 1,2 mm/min ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzen tration im Siliciumsubstrat größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallwachstums rate des Siliciumeinkristalls vorzugsweise im Bereich von etwa 1,5 mm/min bis etwa 2,1 mm/min liegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Heizeinrich tung (4, 34) verhinderbar ist, daß sich die Oberfläche der Siliciumschmelze verfestigt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Heizeinrich tung (4, 34) der Oberfläche der Siliciumschmelze mehr Wärme zuführbar ist als den restlichen Bereichen der Schmelze.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekenn zeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeu gung eines Magnetfeldes, das an die Siliciumschmelze an legbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch eine Einrich tung zur Drehung des Tiegels (2, 32).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des Tiegels (2, 32) zur Einstellung der Sauerstoffkonzen tration im Siliciumsubstrat veränderbar ist.

21. Halbleitereinrichtung, gekennzeich net durch ein Siliciumsubstrat mit einer Sauer stoffkonzentration größer oder gleich 1,8×10¹⁸ cm^-3 und einen Leckstrom kleiner als 1×10^-10 A.

22. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumsubstrats mit vergrößerter Sauerstoffkonzentration, gekenn zeichnet durch folgende Schritte:

- Ziehen eines Siliciumeinkristalls aus einer Silicium schmelze bei einer solchen effektiv vergrößerten Wachs tumsrate bzw. Geschwindigkeit, daß die Anzahl der De fekte, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung entstehen, herabgesetzt wird, um auf diese Weise die Separation von Sauerstoff im Kristallkörper zu unter binden und den Sauerstoffanteil im Kristallkörper zu erhöhen, so daß ein verminderter Leckstrom erhalten wird, wobei die vergrößerte Wachstumsrate und die er höhte Sauerstoffkonzentration voneinander abhängen, und
- Bildung des Siliciumsubstrats aus dem Siliciumeinkri stall.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß die vergrößerte Wachstums rate wenigstens 1,2 mm/min beträgt und die Sauerstoff konzentration einen Wert von wenigstens 1,8×10¹⁸ cm^-3 aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß die vergrößerte Wachstums rate im Bereich von etwa 1,5 mm/min bis etwa 2,1 mm/min liegt.

25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Ziehvorgang mehr Wärme der Oberfläche der Siliciumschmelze zugeführt wird als den restlichen Bereichen dieser Schmelze, um eine Verfe stigung ihrer Oberfläche zu verhindern.

26. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß die Siliciumschmelze in einem magnetischen Feld angeordnet wird.

27. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß der Tiegel (2, 32) relativ zur Siliciumschmelze gedreht wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch ge kennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des Tiegels (2, 32) zur Einstellung der Sauerstoffkonzen tration im Siliciumsubstrat verändert bzw. eingestellt wird.