DE3701733A1 - Verfahren und vorrichtung zum zuechten von czochralski-einkristallen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum zuechten von czochralski-einkristallenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für
die Herstellung eines Einkristalls und eine dafür
verwendete Vorrichtung. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein Verfahren zum Züchten von Czochralski-
Einkristallen aus verschiedenartigen Materialien un
ter Einschluß von Halbleitern wie Silicium und Galli
umarsenid und anderen anorganischen Verbindungen und
eine dafür verwendete Vorrichtung.
Das Czochralski-Verfahren zum Züchten von Einkristal
len ist ein Verfahren, bei dem der Einkristall ge
züchtet wird, indem man einen Impfkristall aus einer
Schmelze des kristallisierbaren, in einem Schmelztie
gel enthaltenen Materials herauszieht. Dieses Verfah
ren der Einkristallzüchtung wird weitverbreitet ange
wandt bei der industriellen Fertigung von Einkristal
len von Halbleitern wie hochreinem Silicium, Gallium
arsenid u.ä., weil das Verfahren geeignet ist für die
Herstellung eines Einkristallkörpers mit relativ gro
ßem Durchmesser. Das Czochralski-Verfahren der Ein
kristallzüchtung hat jedoch verschiedene Nachteile,
z.B. daß der Einkristall aus Halbleiter-Silicium Sau
erstoff als Verunreinigung in relativ hoher Konzen
tration enthält und daß er manchmal Striationsfehler
hat, die im Verlauf des Züchtens gebildet werden.
Um diese Probleme zu lösen, wurde in der japanischen
Patentveröffentlichung 58-50 953 vorgeschlagen, an die
im Schmelztiegel enthaltene Siliciumschmelze ein sta
tisches Magnetfeld anzulegen, um den Fluß des ge
schmolzenen Siliciums zu unterdrücken. Die Wirksam
keit dieses Verfahrens ist einerseits aus der Tatsa
che verständlich, daß der Nernst′sche Gleichgewichts
verteilungskoeffizient von Sauerstoff in Silicium
zwischen den festen und flüssigen Phasen mit 1,25
größer als 1 ist, so daß die Sauerstoffkonzentration
im geschmolzenen Silicium in Kontakt mit oder in der
Nähe des im Wachstum befindlichen Einkristalls immer
kleiner sein sollte als in der Masse des geschmolze
nen Siliciums im Schmelztiegel. Entsprechend kann man
die in dem Silicium-Einkristall aufgenommene Sauer
stoffkonzentration vermindern, indem man den Fluß des
geschmolzenen Siliciums unterdrückt, der in die
fest/flüssige Grenzschicht aus der Masse des ge
schmolzenen Siliciums Sauerstoff einbringt. Zusätz
lich würde andererseits das Unterdrücken des Flusses
im geschmolzenen Silicium das Lösen von Sauerstoff
aus dem aus Quarzglas hergestellten Schmelztiegel in
dem geschmolzenen Silicium wirksam verringern, so daß
folglich die zur fest/flüssigen Grenzschicht gebrach
te Sauerstoffmenge verringert wird.
Weiter wird in der japanischen Patentoffenlegung
59-1 31 597 berichtet, daß ein Galliumarsenid-Einkri
stall von hoher Qualität ohne Striationen erhalten
werden kann, wenn man beim Züchten des Einkristalls
nach dem Czochralski-Verfahren an die Schmelze ein
statisches Magnetfeld anlegt. Es wird auch in der
japanischen Patentoffenlegung 55-10 405 vorgeschlagen,
die Siliciumschmelze bei der Czochralski-Einkristall
züchtung einem rotierendem Magnetfeld zu unterwerfen,
um so dem geschmolzenen Silicium eine Rotationskraft
mitzugeben.
Gemäß dem in Japanese Journal of Applied Physics, 19
(1980), S. L33-36 mitgeteilten experimentellen Ergeb
nissen kann man die Sauerstoffkonzentration in dem
Silicium-Einkristall verringern, wenn man den wach
senden Einkristall in der gleichen Richtung rotiert,
wie das geschmolzene Silicium durch das rotierende
Magnetfeld umläuft, und kann die Sauerstoffkonzentra
tion noch weiter verringern, wenn man auch den
Schmelztiegel in der gleichen Richtung rotieren läßt.
Der Grund für diesen vorteilhaften Effekt ist vermut
lich der, daß, wenn dem geschmolzenen Silicium in der
gleichen Richtung wie dem wachsenden Einkristall und
dem Schmelztiegel ein Drehmoment gegeben wird, das
geschmolzene Silicium anscheinend relativ zum wach
senden Einkristall und zum Schmelztiegel unbewegt
ist, so daß ein ähnlicher Effekt wie beim Anlegen
eines statischen Magnetfeldes erhalten werden kann.
Beim Czochralski-Verfahren zur Einkristallzüchtung
wird der wachsende Einkristall während des Rotierens
entlang der vertikalen Achse hochgezogen. Wenn man
dem wachsenden Einkristall ein Drehmoment gibt, ist
es deshalb eine der Aufgaben, die Dotierungskonzen
tration innerhalb der Radialebene des Einkristalls so
gleichmäßig wie möglich zu haben. Die Dotierungsele
mente wie Phosphor und Bor haben einen Nernst′schen
fest/flüssig-Verteilungskoeffizienten kleiner als 1,
so daß im Gegensatz zu Sauerstoff deren Konzentration
an der fest/flüssigen Grenzschicht höher ist als in
der Masse des geschmolzenen Siliciums. Die Konzentra
tion von Phosphor und Bor an der fest/flüssigen Grenz
schicht wird bestimmt durch das Gleichgewicht zwi
schen der Austragsgeschwindigkeit durch die Verfesti
gung und der Diffusionsgeschwindigkeit in die Masse
des geschmolzenen Siliciums.
Wenn der Einkristall beim Wachsen nicht rotiert wird,
zeigt ein in der Masse des geschmolzenen Siliciums
durch thermische Konvektion erzeugter Fluß für den
äußeren Teil der fest/flüssigen Grenzschicht eine
Ablenkwirkung, um die oben erwähnte Diffusion zu be
schleunigen, so daß die Konzentration des Dotierungs
mittels des Teiles relativ zu der des Teiles am Mit
telpunkt herabgesetzt wird. Wenn man den Einkristall
während des Wachsens rotieren läßt, wird andererseits
in der Masse des geschmolzenen Siliciums genau unter
halb der Rotationsachse des Einkristalls ein aufstei
gender Fluß oder ein sog. Zwangs-Konvektionsfluß er
zeugt, um den Effekt zu zeigen, den Unterschied in
der Konzentration des Dotierungsmittels zwischen den
Teilen am Mittelpunkt und in der Umgebung der Seiten
oberfläche zu minimieren. Dies ist der zu vermutende
Mechanismus für den Effekt, daß die Gleichmäßigkeit
der Dotierungskonzentration innerhalb der Radialebene
dadurch erhöht wird, daß man dem Einkristall eine
Rotation gibt, um in dem geschmolzenen Silicium einen
Zwangs-Konvektionsfluß zu erzeugen.
Ein an die Silicium- oder Galliumarsenidschmelze an
gelegtes statisches Magnetfeld hat nicht nur auf die
thermische Konvektion sondern auch auf die Zwangskon
vektion einen Unterdrückungseffekt. Die Zwangskonvek
tion wird auch verringert, wenn ein rotierendes Ma
gnetfeld an das geschmolzene Silicium angelegt wird,
so daß diesem ein Drehmoment in der gleichen Richtung
wie dem wachsenden Einkristall gegeben wird. Diese
Verringerung der Konvektivbewegungen, d.h. die Abnah
me des Ablenkeffektes ergeben eine Zunahme der Kon
zentration der Dotierungselemente an der
fest/flüssigen Grenzschicht aufgrund des
Austrageeffektes. Schwach örtliche Flußschwankung,die
durch Anlegen des magnetischen Feldes nicht vermieden
werden kann, setzt die hohe Konzentration des
Dotierungselementes nahe der
fest/flüssigen Grenzschicht ungleichmäßig herab und
verursacht eine große Konzentrationsverteilung in dem
Kristall. Deshalb ist es eine unvermeidbare Folge des
Anlegens eines statischen oder rotierenden Magnetfel
des an das geschmolzene Silicium, daß die Verteilung
der Dotierungskonzentration innerhalb der Radialebene
des Einkristalls weniger gleichmäßig ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es des
halb, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-
Einkristalls durch das Czochralski-Verfahren anzuge
ben, bei dem die Gleichmäßigkeit der Dotierungskon
zentration innerhalb der Radialebene des Einkristalls
erhöht wird, und bei dem das Lösen von Sauerstoff aus
dem Siliciumdioxidmaterial des Schmelztiegels in die
Siliciumschmelze minimiert wird.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vor
richtung für das Czochralski-Einkristallszüchten von
Silicium anzugeben, bei dem das Lösen von Sauerstoff
aus dem Siliciumdioxidmaterial des Schmelztiegels in
die Siliciumschmelze minimiert wird und ein Silicium-
Einkristall mit erhöhter Gleichmäßigkeit der Dotie
rungskonzentration innerhalb der Radialebene des Ein
kristalls erhalten werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung
eines Einkristalls mit dem Czochralski-Verfahren
durch Hochziehen des Einkristalls an einem Impfkri
stall aus einer in einem Schmelztiegel enthaltenen
Schmelze beinhaltet deswegen das Anlegen eines magne
tischen Wanderfeldes an die in dem Schmelztiegel ent
haltene Schmelze.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Czochralski-Ein
kristallzüchten durch Hochziehen des Einkristalls aus
einer Schmelze weist auf:
- (1) einen Schmelztiegel, in dem die Schmelze enthal ten ist;
- (2) eine Einrichtung zum Beheizen der in dem Schmelz tiegel enthaltenen Schmelze; und
- (3) eine Einrichtung zum Anlegen eines magnetischen Wanderfeldes an die im Schmelztiegel enthaltene Schmelze, wobei die Einrichtung den Umfang der Seitenwände des Schmelztiegel umgibt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkei
ten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung in axialem
Schnitt;
Fig. 2 und 3 jeweils eine schematische
Darstellung der Flußlinien in der Schmelze,
wenn der Einkristall beim Wachsen nicht
rotiert bzw. bei Rotation;
Fig. 4 eine Auftragung, die die
Sauerstoffkonzentration des Siliciums-Ein
kristalls zeigt, der gemäß dem Verfahren
der Erfindung gezüchtet wird als Funktion
des magnetischen Wanderfeldes.
Wie durch die vorstehend gegebene Zusammenfassung der
Erfindung verständlich wird, besteht der Sinn der
vorliegenden Erfindung im Anlegen eines magnetischen
Wanderfeldes an eine in einem Schmelztiegel enthalte
ne Siliciumschmelze, aus dem ein Silicium-Einkristall
mit dem Czochralski-Verfahren hochgezogen wird. Diese
Einrichtung vermeidet wirksam den thermischen Konvek
tionsfluß der Schmelze ohne den Zwangs-Konvektions
fluß der Schmelze zu verringern, der durch die Rota
tion des Einkristalls beim Wachsen verursacht wird.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wird ein
durch die Pfeile 10 gezeigter thermischer Konvekti
onsfluß in der in einem Schmelztiegel 3 enthaltenen
Schmelze 4 erzeugt, wenn ein wachsender Einkristall 5
im Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze 4 nicht
rotiert wird. Wenn der wachsende Einkristall 5 ro
tiert wird wie Fig. 3 gezeigt, wird ein Zwangs-Konvek
tionsfluß 11 in der in dem Schmelztiegel 3 enthalte
nen Schmelze 4 erzeugt und der Zwangs-Konvektionsfluß
11 gleicht zumindest teilweise den thermischen Konvek
tionsfluß 10 aus, um den unerwünschten durch den ther
mischen Konvektionsfluß 10 hervorgerufenen Effekt zu
vermindern. Das Anlegen eines magnetischen Wanderfel
des dient zum weiteren Unterdrücken des unerwünschten
thermischen Konvektionsflusses 10, ohne den Zwangs-
Konvektionsfluß 11 zu vermindern. Die Einrichtung für
das Anlegen eines magnetischen Wanderfeldes besteht
aus einem Elektromagneten, der den die Schmelze ent
haltenden Schmelztiegel umgibt und aus einer elektri
schen Energieversorgung, die die Magnetspule mit ei
nem Niederfrequenz-Wechselstrom versorgt. Wenn ein
magnetisches Wanderfeld an ein elektrisch leitendes
Fluid angelegt wird, wird dem Fluid durch die Wech
selwirkung des induzierten elektrischen Stromes und
dem magnetischen Feld eine Fluß-Antriebskraft gege
ben. Diese Prinzip wird genutzt in elektromagneti
schen Pumpen zum Fluidtransport u.ä. In diesem Falle
ist der Bereich, in dem der elektrische Strom indu
ziert wird oder die Eindringtiefe D gegeben durch die
Gleichung
D = (1/π · f · v · c) 1/2 (1)
wobei v die magnetische Permeabilität, c die elektri
sche Leitfähigkeit und f die Frequenz des magneti
schen Wanderfeldes ist. Eine Zunahme der Frequenz f
des magnetischen Wanderfeldes hat so den Effekt, die
Eindringtiefe D zu verringern. Dies bedeutet, daß die
Eindringtiefe D oder mit anderen Worten der Bereich,
in dem das elektrisch leitende Fluid eine Fluß-An
triebskraft erfährt, aufgabengemäß durch geeignete
Wahl der Frequenz des magnetischen Wanderfeldes ge
steuert werden kann.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung durch axialen Schnitt, in
der eine Magnetspule 1 zur Erzeugung eines magneti
schen Wanderfeldes außerhalb der Wände der Kammer so
eingerichtet ist, daß der Schmelztiegel 3 davon umge
ben wird. Die Magnetspule 1 hat die Form eines auf
rechten Zylinders, der dazu dient, an die Silicium
schmelze 4 im Schmelztiegel 3 ein axialsymmetrisches
magnetisches Wanderfeld anzulegen.
Die Siliciumschmelze 4 im Schmelztiegel 3 wird durch
den Heizer 6 durch die Wände des Schmelztiegels 3
beheizt, so daß selbstverständlich daraus folgt, daß
die Temperatur des geschmolzenen Siliciums 4 in der
Umgebung der Wände des Schmelztiegels 3 höher ist als
in der Masse der Schmelze 4. Die durch diese Tempera
turdifferenz hervorgerufene Schwimmkraft in der
Schmelze 4 führt zu dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten
thermischen Konvektionsfluß 10. Der Sinn der vorlie
genden Erfindung besteht darin, dem geschmolzenen
Silicium 4 in der Umgebung der Wände des Schmelztie
gels 3 mit Hilfe einer magnetischen Wanderkraft bzw.
eines magnetischen Wanderfeldes eine elektromagneti
sche Antriebskraft zu geben, die der oben erwähnten
Schwimmkraft entgegenwirkt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend detail
lierter mit Hilfe von Beispielen beschrieben.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung wurde für das
Czochralski-Einkristallzüchten von Halbleitersilicium
verwendet. Der Schmelztiegel 3 in dieser Vorrichtung
enthielt eine Siliciumschmelze 4 aus der ein Silicium-
Einkristall 5 an einem Impfkristall hochgezogen
wurde. Der Schmelztiegel 3 wurde mit einem ihn umge
benden Heizelement 6 beheizt und es wurde ein Wärme
schild 7 in den Raum zwischen dem Heizelement 6 und
den Seitenwänden 2 der Kammer eingebaut. Eine Magnet
spule 1 wurde außerhalb der Wände 2 der Kammer in
einer Art eingebaut, daß der Schmelztiegel 3 davon
umgeben war. Die Magnetspule 1 wurde von einer elek
trischen Niederfrequenzenergiequelle (in der Figur
nicht gezeigt) mit Wechselstrom versorgt, um ein ma
gnetisches Wanderfeld zu erzeugen.
In diesem Beispiel war die Frequenz des Wechselstroms
100 Hz und die Siliciumschmelze 4 in dem Schmelztie
gel wurde mit einem abwärts wandernden Magnetfeld von
100 Gauss in der unmittelbaren Umgebung der Seiten
wände des Schmelztiegels 3 beaufschlagt. Getrennt
davon wurde ein Vergleichsversuch durchgeführt, bei
dem dieselbe Vorrichtung verwendet wurde, jedoch ohne
die Magnetspule 1 mit Energie zu versorgen. In jedem
dieser Experimente wurden der wachsende Einkristall 5
und der Schmelztiegel in entgegengesetzten Richtungen
mit Geschwindigkeiten von 20 bzw. 10 Umdrehungen pro
Minute rotiert.
Jeder der Silicium-Einkristallkörper in den Erfin
dungs- und Vergleichsversuchen, die auf die oben be
schriebene Weise durchgeführt wurden, wurde in Wafer
geschnitten und es wurden Vergleiche angestellt be
züglich der Sauerstoffkonzentration und der Variation
des spezifischen Widerstandes innerhalb der Ebene der
Wafer unter Verwendung der Wafer, die aus dem Teil
genau unterhalb der Schulter der Körper entnommen
wurden. Die Ergebnisse waren, daß die Sauerstoffkon
zentrationen in den Erfindungs- und Vergleichswafern
(3,5 ± 0,5) × 1017 bzw. (15 ± 2) × 1017 Sauerstoff
atome pro cm3 betrugen, während die Variation des
spezifischen Widerstandes innerhalb der Ebene der
Wafer 5% bei jedem der Wafer betrug. Diese Ergebnis
se zeigen somit klar auf, daß das Anlegen eines ma
gnetischen Wanderfeldes an das geschmolzene Silicium
wirksam war, die Sauerstoffkonzentration auf etwa ein
Viertel derjenigen in Abwesenheit des magnetischen
Wanderfeldes herabzusetzen, vermutlich aufgrund des
verminderten Lösens von Sauerstoff aus dem den
Schmelztiegel bildenden Silicium-Material als Ergeb
nis der Unterdrückung der thermischen Konvektions
flusses der Schmelze durch das magnetische Wanderfeld
ohne die Gleichmäßigkeit in der Verteilung des spezi
fischen Widerstandes oder der Dotierungskonzentration
innerhalb der Ebene der Wafer zu beeinträchtigen.
Die gleiche wie in Beispiel 1 verwendete Vorrichtung
wurde in verschiedenen Versuchen der Czochralski-Ein
kristallzüchtung von Silicium verwendet unter Anlegen
eines magnetischen Wanderfeldes von 20, 40 oder 70
Gauss. Der wachsende Einkristall und der Schmelztie
gel wurden in entgegengesetzten Richtungen mit Ge
schwindigkeiten von 20 bzw. 10 Umdrehungen pro Minute
rotiert. Die auf diese Weise erhaltenen Silicium-Ein
kristallkörper wurden in Wafer geschnitten und die
Sauerstoffkonzentration wurde in dem aus dem Teil
genau unterhalb der Schulter entnommenen Wafer
bestimmt und ergab die in der Auftragung von Fig. 4
gezeigten Ergebnisse als Funktion der Stärke des ma
gnetischen Wanderfeldes zusammen mit den in Beispiel
1 erhaltenen Ergebnissen.
Wie aus dieser Figur verständlich ist, wird die Sauer
stoffkonzentration in dem Wafer herabgesetzt, wenn
das magnetische Wanderfeld erhöht wird. Deshalb folgt
aus der vorliegenden Erfindung, daß die Sauerstoff
konzentration in dem Silicium-Einkristallwafer inner
halb eines gewünschten Bereiches gesteuert werden
kann durch geeignetes Einstellen des magnetischen
Wanderfeldes, das an die Siliciumschmelze angelegt
wird, so daß die Silicium-Einkristalle, die gemäß der
vorliegenden Erfindung gezüchtet werden, verwendet
werden können für die Fertigung von Silicium-Wafern
mit geringer Sauerstoffkonzentration, die für Lei
stungstransistoren u.ä. erforderlich sind und für die
Fertigung von Silicium-Wafern als Substrat von LSIs,
bei denen kleine Variationen des spezifischen Wider
standes innerhalb der Waferebene zusammen mit wohl
kontrollierter Sauerstoffkonzentration wesentlich
ist.
Claims (2)
1. Verfahren für die Herstellung eines Einkristalls mit
dem Czochralski-Verfahren durch Hochziehen des
Einkristalls an einem Impfkristall aus einer in
einem Schmelztiegel enthaltenen Schmelze,
dadurch gekennzeichnet, daß
man an die in dem Schmelztiegel enthaltene Schmelze
ein magnetisches Wanderfeld anlegt.
2. Vorrichtung für das Czochralski-Einkristallzüchten
durch Hochziehen des Einkristalls aus einer Schmel
ze, gekennzeichnet durch
- (1) einen Schmelztiegel (2), in dem die Schmelze (4) enthalten ist;
- (2) eine Einrichtung (6) zum Beheizen der in dem Schmelztiegel (2) enthaltenen Schmelze (4); und
- (3) eine Einrichtung (1) zum Anlegen eines magneti schen Wanderfeldes an die in dem Schmelztiegel (2) enthaltene Schmelze (4), wobei die Einrich tung (1) den Umfang der Seitenwände des Schmelz tiegels (2) umgibt.
Priority Applications (2)
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Publications (1)
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ID=39339893
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