DE3872471T2

DE3872471T2 - Einrichtung fuer czochralski-einkristallzuechtung.

Info

Publication number: DE3872471T2
Application number: DE8888402284T
Authority: DE
Inventors: Takao Abe; Izumi Fusegawa; Hirotoshi Yamagishi; Shuuji Yokota
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2008-09-10
Also published as: US4956153A; JPS6472984A; EP0308308B1; EP0308308A1; JPH0639352B2; DE3872471D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren. Die Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls von hochreinem Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren, durch das qualitativ hochwertige Einkristalle aus Halbleitersilicium bei beträchtlich verrigerten Kosten hergestellt werden können.
Wie wohlbekannt ist, werden Halbleiter-Einkristalle oder insbesondere Einkristalle aus hochreinem Halbleitersilicium entweder durch das sogenannte Czochralski-Verfahren oder das sogenannte Zonenschmelz-Verfahren hergestellt, von denen in der modernen Technologie für die Produktion von bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendeten Silicium-Einkristallen das vorgenannte Czochralski-Verfahren das häufiger angewendete ist, bei dem ein Einkristall aus Silicium aus einer Siliciumschmelze unter Verwendung eines Impfkristalls gezogen wird.
In einer typischen Vorrichtung, die herkömmlich für das Czochralski-Einkristallziehverfahren von Halbleitersilicium verwendet wird und in Fig. 3 der begleitenden Zeichnung in senkrechtem Querschnitt dargestellt ist, wird der die Siliciumschmelze 4 enthaltende Tiegel 3 aus Quarzglas in einem Metallgehäuse 1 der Kristallziehkammer angeordnet und die Atmosphäre innerhalb der Kammer 1 mit Argongas gefüllt, das eine durch die Strömungslinien 12, 13, 14, 16 und 17 gezeigte Strömung vom oberen Rohr 5 im Gehäuse zu den Abflußöffnungen 11 am Boden des Gehäuses 1 bildet. Demzufolge sollte die Atmosphäre der Kristallziehkammer innerhalb des Metallgehäuses 1 idealerweise aus hochreinem Argongas bestehen. Tatsuachlich ist das Argon-Atmosphärengas der Kristallziehkammer jedoch mit verschiedenen Arten von Schmutzstoffen verunreinigt. Derartige Schmutzstoffe sind beispielsweise Siliciummonoxyd, das durch die Reaktion des Tiegels 3 aus Quarzglas und der Siliciumschmelze 4 gebildet wird, Feuchtigkeit und Sauerstoff, die von den aus Graphit gefertigten Teilen und Komponenten desorbiert sind, wie die Tiegeleinfassung 2 aus Graphit, die Heizelemente 6 aus Graphit, die aus einem Filz von Kohlenstoffasern und dergleichen hergestellten Wärmeisolatoren 7, sowie Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd, die durch die Reaktion der Feuchtigkeit und des Sauerstoffs mit der auf eine hohe Temperatur geheizten Kohlenstoffoberfläche, beispielsweise exponierte Oberflächen der Heizelemente 6 aus Graphit und der Tiegeleinfassung 2 aus Graphit, gebildet werden, Siliciummonoxyd, das durch die Reaktion der Feuchtigkeit und des Sauerstoffs mit der Siliciumschmelze 4 gebildet werden, Kohlenmonoxyd und/oder Siliciummonoxyd, das durch die Reaktion des Siliciumdioxyds des Tiegels 3 mit der damit in Kontakt stehenden Tiegeleinfassung 2 aus Graphit gebildet wird, und so weiter. Die Verunreinigung des Argon-Atmosphärengases mit diesen Schmutzstoffen beeinflußt stark die Fehlordnung der kristallinen Struktur des Einkristalls und auf die Zunahme des Kohlenstoffgehalts im gewachsenen Einkristall aus. Obwohl Kohlenstoff ein Element ist, das im Periodensystem zur selben Gruppe gehört wie Silicium und als elektrisch inaktiv angesehen wird, verursacht die Verunreinigung eines Silicium-Einkristalls mit Kohlenstoff in der Tat eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften von Halbleiterbauteilen, die aus einem derartigen verunreinigten Einkristall hergestellt sind. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff in einem Halbleitersilicium-Einkristall 0,5 ppm bezogen auf die Atomanzahl überschreitet, können beispielsweise die aus einem derartigen Einkristall hergestellten Halbleiterbauteile eine Verringerung der Durchbruchsspannung eines pn-Überganges erleiden. Dementsprechend ist es ein wichtiges technisches Problem, den Kohlenstoffgehalt in einem als Material für integrierte Halbleiterschaltkreise verwendeten Halbleitersilicium- Einkristall zu verringern.
Der Sauerstoff und die Feuchtigkeit als im Argongas der Kristallziehatmosphäre innerhalb des Metallgehäuses 1 enthaltene Verunreinigungen stammen nicht nur von den aus Graphit gefertigten vorstehend beschriebenen Strukturen. In der Vorbereitungsphase vor Beginn des Czochralski-Einkristallziehens von Halbleitersilicium aus einer Siliciumschmelze sollten die aus Graphit hergestellten Teile zuerst einer Ausheizbehandlung für eine Zeitspanne bei einer höheren Temperatur als in dem folgenden wirklichen Kristallziehverfahren mit dem Ziel unterworfen werden, die Graphitmaterialien durch Entfernen der absorbierten Feuchtigkeit und des Sauerstoffs zu säubern. Ein Problem bei dieser Vorbereitungsarbeit besteht darin, daß die Ausheizbehandlung wegen der Langsamkeit der Desorbtion von der Innenseite nicht erfolgreich in wirtschaftlicher Weise durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ist nicht einmal Argongas allerhöchster verfügbarer Reinheit absolut frei von verschiedenen Unreinheiten, und außerdem können die anfänglich in den Ecken und Ausnehmungen in der Kristallziehkammer gegenwärtigen Gase mehr oder weniger dort verbleiben und nicht durch das Argongas ersetzt werden. Deshalb kommt es nicht selten vor, daß das Argongas der Kristallziehatmosphäre mit Feuchtigkeit und Sauerstoff als problematischen Schmutzstoffen verunreinigt ist und so Gitterfehler oder andere unerwünschte Effekte in der Kristallstruktur des in der Atmosphäre gezogenen Czochralski- Einkristalles verursacht.
Das hauptsächlich von der Siliciumschmelze 4 im Tiegel 3 verdampfte gasförmige Siliciummonoxyd wird durch die entlang der komplizierten Strömungslinien 16 und 17 fließende Argongasströmung weggetragen, nach oben verbracht und in einer schichtförmigen oder haufenförmigen Ablagerung 18, 19 an der oberen Begrenzungsfläche des Tiegels 3 oder der unteren Oberfläche des Deckenteils des Metallgehäuses 1 bei relativ niedriger Temperatur abgelagert. Die Ablagerung 18, 19 eines einmal in der vorstehend beschriebenen Weise gebildeten Siliciummonoxyds kann später auf die Oberfläche der Siliciumschmelze 4 fallen und, ohne gelöst zu werden, den Fest-Flüssig-Grenzbereich des wachsenden Einkristalls 9 erreichen, indem sie durch die Oberflächenströmung der Siliciumschmelze 4 getragen wird, die durch die Konvektionsströmung oder die Rotation des Tiegels 3 verursacht wird, was zu Störungen in der Kristallstruktur des Einkristalls 9 führt.
Ferner sind die Strömungslinien des in der Kristallziehatmosphäre fließenden Argongases selten so einfach, um durch die Strömungslinien 12, 13, 14 in Fig. 3 während des Vorgangs des Kristallziehens ausgedrückt zu werden, sondern weisen gewöhnlich komplizierte turbulente Strömungen auf, wie sie durch die Strömungslinien 15, 16, 17 und 21 gezeigt sind, und fördern die weitere Ablagerung von Siliciummonoxyd.
In der japanischen Patentschrift 55-113695 ist mit der Aufgabe, das Herabfallen von Siliciummonoxydstäuben von den Ablagerungen auf die Oberfläche der Siliciumschmelze 4 zu verhindern, vorgeschlagen worden, einen Protektor innerhalb der Kristallziehkammer der Vorrichtung vorzusehen, um den Tiegel 3, die Heizelemente 6 und die Wärmeisolierungselemente 7 abzudecken. Alternativ offenbart die japanische Patentschrift 57- 123890 eine Vorrichtung, in der nahe beim Quarz-Tiegel ein gasströmungskorrigierendes Leitblech vorgesehen ist, das dazu dient, die Gasströmung zu korrigieren, um die Abführung von Siliciummonoxyd zu fördern.
EP-A 0 229 322 beschreibt eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren mit einem Tiegel zur Aufnahme einer Siliciumschmelze, Mitteln zum Rotieren des Tiegels und einer drehbaren vertikalen Welle zum Halten eines Siliciumimpfkristalls an deren unterem Ende, die ein konisch verjüngtes Rohr aus wärmeisolierendem, reflektierendem Material, das koaxial relativ zur Welle in einer derartigen Anordnung gehalten wird, daß dessen Durchmesser vom oberen Ende zum unteren Ende abnimmt, und ein Mittel zur Kontrolle der Höhe des Tiegels aufweist, um das untere Ende des konisch verjüngten Rohrs in einer Höhe nahe über der Oberfläche der Siliciumschmelze zu halten.
Das Dokument IBM Technical disclosures Bulletin, Band 28, Nr. 1, Juni 1985, Seiten 211-212, offenbart eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren unter Verwendung von wärmeisolierenden Elementen und wärmeregulierenden Abdeckplatten.
Diese Verbesserungen des Aufbaues der Vorrichtungen zum Ziehen von Einkristallen nach dem Stand der Technik sind nicht zufriedenstellend. Dementsprechend besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung einer verbesserten Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Halbleitersilicium ohne die vorstehend genannten Schwierigkeiten aufgrund der Ablagerung von Siliciummonoxyd.
Es ist ebenfalls bekannt, daß, wenn elektronische Bauteile von integrierten Schaltungen auf einem Wafer eines Silicium-Einkristalls mit hoher Integrationsdichte in einem Verfahren mit einem Schritt der thermischen Oxydation gebildet werden, durch die thermische Oxydation Liniendefekte, die nachstehend als OISFs bezeichnet werden, induziert werden, die die Leistungsfähigkeit der elektronischen Bauteile stark beeinträchtigen und andere mikroskopische Kristalldefekte verursachen, was zu einer Verminderung der Ausbeute von akzeptablen Endprodukten der elektronischen Bauteile führt, während eine Kontrolle der OISFs in herkömmlichen Vorrichtungen nahezu unmöglich ist. Obwohl die zum Auftreten der OISFs führenden Mechanismen noch nicht klar verstanden werden, ist bekannt, daß OISFs in zwei Arten klassifiziert werden können, die je nach Art des Auftretens in A OISFs und B OISFs unterteilt werden können. Die A OISFs treten im äußeren Umfangsabschnitt von ungefähr 5 mm Breite um den Einkristall auf. Die Verteilungsdichte der A OISFs im Störstellenbereich übersteigt im Durchschnitt in der Regel 20.000/cm² mit einer klaren Abgrenzung zum Bereich im Inneren des Einkristalls, der frei von A OISFs ist.
Andererseits sind die B OISFs in einer zur Dichte der A OISFs äquivalenten oder niedrigeren Dichte im ganzen Bereich von der Achse des Einkristalls bis gerade in den Bereich der A OISFs hinein verteilt. Eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls kann ein Mittel sein, um das Auftreten der A OISFs zu verhindern, aber bis jetzt ist noch kein effektives Mittel zum Verhindern des Auftretens der B OISFs entwickelt worden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, eine verbesserte Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren bereitzustellen, in der ein effektives Mittel zur Vermeidung des Auftretens von Störungen der Kristallstruktur des Einkristalls bereitgestellt wird, die durch das Herabfallen von Siliciummonoxydstäuben von der Ablagerung an der oberen Begrenzungsfläche des Tiegels aus Quarzglas und der unteren Oberfläche des Deckenabschnitts und der Seitenwände des Metallgehäuses der Kristallziehkammer auf die Oberfläche der Siliciumschmelze im Tiegel verursacht werden, indem die Ablagerung von Siliciummonoxyd kontrolliert oder unterdrückt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren bereitzustellen, in der ein effektives Mittel bereitgestellt wird, die Verunreinigung der im Tiegel enthaltenen Siliciumschmelze mit Kohlenstoff zu vermindern, der als Ergebnis des Kontaktes mit Kohlenmonoxydgas unvermeidlich durch die Reaktion der Teile und Komponenten aus Graphit, wie der Tiegeleinfassung, der Heizelemente und der wärmeisolierenden Elemente, mit den an diesen Graphitteilen absorbierten oder in diesen Graphitteilen absorbierten gasförmigen Bestandteilen erzeugt wird, indem ein gasstromkorrigierendes Mittel für das Atmosphärengas im Tiegel aus Graphit verwendet wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren, in der der Silicium-Einkristall bei stark erhöhter Ziehgeschwindigkeit gezüchtet werden kann, indem die Strahlungswärme von der Siliciumschmelze und von den Heizelementen abgeschirmt wird und indem der wachsende Einkristall mit dem Atmosphärengas als Kühlmittel zwangsweise gekühlt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, die zum Ziehen eines Silicium- Einkristalls mit geringem Auftreten von OISFs, die die Qualität der aus dem Silicium-Einkristall hergestellten Halbleiterbauteile beeinträchtigen, eingesetzt werden kann.
Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren mit einer aus Graphit gefertigten Tiegeleinfassung zum Halten eines aus Quarzglas gefertigten Tiegels bereit, der eine Schmelze aus Silicium enthält, mit einer Welle zum Rotieren der aus Graphit gefertigten Tiegeleinfassung um eine vertikale Achse, mit aus Graphit gefertigten Heizelementen, die so angeordnet sind, daß sie die aus Graphit gefertigte Tiegeleinfassung umgeben, mit hitzeisolierenden Teilen zum Umgeben der Heizelemente, mit einem metallenen Gehäuse, das die Tiegeleinfassung, die rotierende Welle, die Heizelemente und die hitzeisolierenden Teile enthält und an seiner oberen Wand eine Öffnung besitzt und mit einem Rohr, das luftdicht mit der Öffnung in der oberen Wand des Gehäuses verbunden ist und sich nach oben erstreckt, und das ferner aufweist:
(A) eine hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung mit einer Dicke im Bereich von 5 mm bis 50 mm und einer gesamten thermischen Leitfähigkeit von nicht mehr als 20 kcal/m x h x ºC (83736 Joule/m x h x ºC), die in direktem Kontakt mit den oberen Enden der wärmeisolierenden Teile steht und eine kreisförmige mittige Öffnung besitzt, und
(B) ein hitzebeständiges und wärmeisolierendes zylindrisches Rohr mit einem äußeren Durchmesser, der ungefähr gleich groß wie der Durchmesser der mittigen Öffnung in der die Komponente (A) darstellenden Abdeckung ist, das luftdicht mit dem sich nach oben erstreckenden Rohr verbunden ist und sich von der Verbindungsstelle an der oberen Wand des metallenen Gehäuses nach unten erstreckt, wobei das sich nach oben erstreckende Rohr die mittige Öffnung in der die Komponente (A) darstellende Abdeckung in der Weise durchdringt, daß der wachsende Einkristall koaxial von ihm umgeben ist, wobei dessen unteres Ende sich auf einer Höhe nahe über der Oberfläche der Schmelze in dem Tiegel aus Quarzglas befindet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 stellt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im vertikalen Querschnitt dar.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Dichte der OISFs auf einem Silicium-Einkristall-Wafer unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Funktion des radialen Abstands vom Rand zeigt.
Fig. 3 und 4 sind jeweils in vertikalem Querschnitt schematische Darstellungen einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Dichte der OISFs auf einem Silicium-Einkristall-Wafer unter Verwendung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik als Funktion des radialen Abstands vom Rand zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie vorstehend beschrieben ist, bestehen die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung gemäß Fig. 1 der begleitenden Zeichnung in der verbesserten Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren mit einer aus Graphit gefertigten Tiegeleinfassung 2 zum Halten eines aus Quarzglas gefertigten Tiegels 3, der eine Schmelze 4 aus Silicium enthält, mit einer Welle 10 zum Rotieren der aus Graphit gefertigten Tiegeleinfassung 2 um eine vertikale Achse, mit aus Graphit gefertigten Heizelementen 6, die so angeordnet sind, daß sie die aus Graphit gefertigte Tiegeleinfassung 2 umgeben, mit hitzeisolierenden Teilen 7 zum Umgeben der Heizelemente 6, mit einem metallenen Gehäuse 1, das die Tiegeleinfassung 2, die rotierende Welle 10, die Heizelemente 6 und die hitzeisolierenden Teile 7 enthält und an seiner oberen Wand eine Öffnung besitzt und mit einem Rohr 5, das luftdicht mit der Öffnung in der oberen Wand des Gehäuses 1 verbunden ist und sich nach oben erstreckt, und das ferner aufweist:
(A) eine hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung 20 mit einer Dicke im Bereich von 5 mm bis 50 mm und einer gesamten thermischen Leitfähigkeit von nicht mehr als 20 kcal/m x h x ºC (83736 Joule/m x h x ºC), die in direktem Kontakt mit den oberen Enden der wärmeisolierenden Teile 7 steht und eine kreisförmige mittige Öffnung besitzt, und
(B) ein hitzebeständiges und wärmeisolierendes zylindrisches Rohr 22 mit einem äußeren Durchmesser, der ungefähr gleich groß wie der Durchmesser der mittigen Öffnung in der die Komponente (A) darstellenden Abdeckung 20 ist, das luftdicht mit dem sich nach oben erstreckenden Rohr 5 verbunden ist und sich von der Verbindungsstelle an der oberen Wand des metallenen Gehäuses 1 nach unten erstreckt, wobei das sich nach oben erstreckende Rohr 5 die mittige Öffnung in der die Komponente (A) darstellende Abdeckung 20 in der Weise durchdringt, daß der wachsende Einkristall 9 koaxial von ihm umgeben ist, wobei dessen unteres Ende sich auf einer Höhe nahe über der Oberfläche der Schmelze 4 in dem Tiegel 3 aus Quarzglas befindet.
In der vorstehend beschriebenen Vorrichtung beträgt die Entfernung zwischen der unteren Oberfläche der hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung 20 und der Schmelzenoberfläche 4 im Tiegel 3 vozugsweise 200 mm bis 400 mm und die Entfernung zwischen dem unteren Ende des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohrs 22 und der Oberfläche der Schmelze 4 im Tiegel 3 5 mm bis 30 mm. Der innere Durchmesser des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohrs 22 ist vorzugsweise um mindestens 10 mm größer als der Durchmesser des Einkristalles beim Ziehen, überschreitet jedoch das Doppelte des äußeren Durchmessers des in der Vorrichtung zu ziehenden Einkristalls nicht.
Des weiteren besitzen die hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung 20 und das hitzebeständige und wärmeisolierende zylindrische Rohr 22 eine Dicke im Bereich von 5 mm bis 50 mm und sind vorzugsweise aus Graphit gefertigt und wahlweise mit einer Überzugsschicht aus feuerfestem Material wie Siliciumnitrid und Siliciumcarbid versehen.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, wird ein Tiegel 3 aus Quarzglas in etwa in der Mitte des wassergekühlten Metallgehäuses 1 durch eine Tiegeleinfasung 2 aus Graphit gehalten, die an den Seitenwänden und am Boden formkomplementär mit dem Tiegel 3 ist. Die Tiegeleinfassung 2 wird in der Mitte des Bodens durch das obere Ende der rotierenden Welle 10 unterstützt. Wärmeisolierende Elemente 7, die beispielsweise aus einem Filz aus Graphitfasern angefertigt sind, umgeben die Tiegeleinfassung 2 aus Graphit koaxial und lassen dazwischen einen Freiraum.
Die obere Wand des metallenen Gehäuses 1 besitzt eine mittige Öffnung, durch die eine rotierende Welle oder ein Draht zum Halten eines Impfkristalls 8 an deren unterem Ende in die Kristallziehkammer herunterhängt. Eine Öffnung 5 ist luftdicht mit der mittigen Öffnung des Gehäuses 1 verbunden, um die vorstehend genannte Welle oder den Draht zum Halten des Impfkristalls zu umgeben. Das Rohr 5 dient zum Umschließen des nach dem Wachsen aus der Schmelze 4 im Tiegel 3 hochgezogenen Einkristalls 9. An der Verbindung des Rohrs 5 und des Gehäuses 1 ist ein hitzebeständiges wärmeisolierendes zylindrisches Rohr 22 luftdicht am Gehäuse 1 angebracht und erstreckt sich nach unten. Das Rohr 22 umgibt den Einkristall 9 beim Wachsen koaxial. Das untere Ende des Rohrs 22 ist in einer Höhe über der Oberfläche der Siliciumschmelze 4 im Tiegel 3 gehalten und bildet einen engen Spalt dazwischen, der vorzugsweise während des ganzen Kristallziehverfahrens gleich groß bleiben sollte. Das zylindrische Rohr 22 erstreckt sich nach unten und durchdringt die runde mittige Öffnung einer hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung 20. Der äußere Durchmesser der Abdeckung 20 ist ungefähr gleich dem der wärmeisolierenden Elemente 7, und der äußere Umfang der Abdeckung 20 ist mit den horizontalen oberen Endflächen der wärmeisolierenden Elemente 7 vorzugsweise luftdicht verbunden oder steht in Kontakt damit. Der Durchmesser der mittigen Öffnung in dieser Abdeckung 20 ist vorzugsweise so dicht wie möglich am äußeren Durchmesser des sich hierdurch erstreckenden zylindrischen Rohrs 22. Das Spiel zwischen dem Umfang der mittigen Öffnung in der Abdeckung 20 und der äußeren Oberfläche des zylindrischen Rohrs 22 übersteigt vorzugsweise 5 mm nicht.
Die Öffnung am unteren Ende des sich nach unten erstreckenden zylindrischen Rohrs 22 sollte natürlich einen inneren Durchmesser besitzen, der größer als der Durchmesser des darin gezogenen Einkristalls 9 ist, und der innere Durchmesser des Rohrs 22 sollte um mindestens 10 mm größer sein als der äußere Durchmesser des Einkristalls 9, jedoch das Doppelte des äußeren Durchmessers des Einkristalls nicht überschreiten.
Es ist sehr wünschenswert, daß die Abdeckung 20 stark wärmeisolierend ist. In disem Zusammenhang sollte die Abdeckung 20 eine Mehrschichtstruktur besitzen, die oberste und unterste Schichten aufweist, zwischen denen eine Schicht aus einem Filz von Graphitfasern in Sandwichbauweise angeordnet ist. In dieser Hinsicht sollte die Abdeckung 20 eine Dicke in der Größenordnung von 5 bis 50 mm besitzen, und deren gesamter Wärmeleitungskoeffizient sollte 20 kcal/m x h x ºC (83736 Joule/m x h x ºC) im Durchschnitt nicht überschreiten.
Die Abdeckung 20 sollte in einer Höhe installiert sein, die so dicht wie möglich an der Oberfläche der Schmelze im Tiegel 3 liegt, da es vorteilhaft ist, daß die untere Fläche 27 der Abdeckung 20 auf einer so hohen Temperatur wie möglich gehalten wird. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, daß der Höhenunterschied zwischen der unteren Fläche 27 der Abdeckung 20 und dem oberen Rand des Tiegels 3 in der letzten Phase des Kristallziehverfahrens im Bereich von 5 bis 20 mm liegt, wenn sich der Tiegel 3 in seiner höchsten Position befindet, da er gleichzeitig mit der Verringerung des Volumens der im Tiegel 3 verbleibenden Schmelze 4 fortschreitend nach oben bewegt worden ist.
Damit die obenstehenden Anforderungen erfüllt werden können, sollte die untere Fläche 27 der wärmeisolierenden Abdeckung 20 auf einer Höhe von ungefähr 200 mm über der Oberfläche der Schmelze 4 aus Silicium im Tiegel 3 sein. Der Höhenunterschied sollte jedoch 400 mm nicht überschreiten, um die untere Fläche 27 der Abdeckung 20 auf einer Temperatur von 1100ºC oder höher zu halten. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, daß die Abdeckung 20 eine Mehrschichtsstruktur wie oben beschrieben besitzt, um den gesamten Wärmeleitungskoeffizienten in Richtung der Dicke zu vermindern. Typischerweise besitzt die Mehrschichtabdeckung 20 drei Schichten, die wie im zylindrischen Rohr 22 aus der aus Graphit gefertigten obersten und untersten Schicht zusammengesetzt ist, während die dazwischen angeordnete Schicht aus einem Material mit besonders geringer Wärmeleitfähigkeit, wie ein Filz von Graphitfasern, gefertigt ist, die in Sandwichbauweise zwischen der obersten und untersten Schicht angeordnet ist. Die aus einem Filz von Graphitfasern gebildete Schicht sollte nicht unbedeckt dem Atmosphärengas ausgesetzt werden, weil ein derartiges Material manchmal für die Erzeugung von Kohlenstäuben verantwortlich sein kann.
Es folgt eine Beschreibung des Verfahrens zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium unter Verwendung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zunächst werden Blöcke hochreinen polykristallinen Siliciums in den Tiegel 3 aus Quarzglas gebracht, die Kammer wird evakuiert und Argongas wird zum völligen Ersetzen der Luft in die Kammer eingeführt. Danach werden die aus Graphit gefertigten Heizelemente 6 mit elektrischer Energie versorgt, um die polykristallinen Siliciumblöcke zu schmelzen und eine Schmelze 4 zu bilden. Der Impfkristall 8 wird schrittweise nach unten bewegt, bis dessen unterer Endabschnitt in die Siliciumschmelze 4 eintaucht, und wird dann mit kontrollierter Geschwindigkeit nach oben gezogen, während die Zufuhr von elektrischer Energie zu den Heizelementen 6 exakt kontrolliert wird, um die Schmelze 4 und den Impfkristall 8 in ein Temperaturgleichgewicht zu bringen. Gewöhnlich wird der Tiegel 3 und der Impfkristall 8 jeweils mit kontrollierter Geschwindigkeit in Drehung versetzt, die jeweils gegenläufig zur Drehung des anderen Teils stattfindet, bevor das untere Ende des sich nach unten bewegenden Impfkristalls 8 in Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze 4 kommt.
Es ist wichtig, daß die Atmosphäre der Kristallziehkammer im Gehäuse 1 mit hochreinem Argongas während des ganzen Kristallziehverfahrens gefüllt ist. Das am oberen Ende durch das Rohr 5 eingeführte Argongas fließt entlang der Linie 12 im Rohr 5 und in dem sich nach unten erstreckenden zylindrischen Rohr 22, das eine Oberflächenüberzugsschicht aus hochreinem Graphit oder Siliciumcarbid aufweist, durch den Spalt zwischen dessen inneren Wänden und dem wachsenden Einkristall 9 nach unten. Das Argongas, das das untere Ende des zylindrischen Rohrs 22 erreicht hat, passiert die Lücke zwischen dessen unterem Ende und der Oberfläche der Schmelze 4 und wird aus der Kristallziehkammer 1 nach dem Fließen entlang der Linien 24, 25, 26 und 11 abgeführt. Die Lücke zwischen dessen unterem Ende und der Oberfläche der Schmelze 4 weist vorzugsweise eine Größe von 5 bis 30 mm auf. Die Öffnung am unteren Ende des zylindrischen Rohrs 22 besitzt einen Durchmesser, der vorzugsweise um mindestens 10 mm größer als der Durchmesser des wachsenden Einkristalls 9 ist, jedoch das 1,5-fache des Durchmessers des wachsenden Einkristalls nicht überschreitet.
Wie oben erwähnt ist, fließt das umgebende Argongas in der Kristallziehkammer entlang der Strömungslinien 24, 25, 26 und wird am Boden der Kammer nach unten abgeführt. Es ist hierbei wichtig, daß keine turbulente Strömung von Argongas in dem Raum gebildet wird, der durch das zylindrische Rohr 22, die Oberfläche der Siliciumschmelze 4 und den Tiegel 3 aus Quarzglas umgeben ist, um den an der Oberfläche der Siliciumschmelze 4 produzierten Siliciummonoxyddampf gleichmäßig abzuführen. Im Gegensatz zum Kristallziehverfahren unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung, in der feine Partikel von Siliciummonoxyd auf dem oberen Randabschnitt des Tiegels aus Quarzglas abgelagert werden, kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ablagerung von feinen Partikeln von Siliciummonoxyd stark vermindert oder völlig verhindert werden mittels der ausreichend hohen Fließgeschwindigkeit des Argongases, der genügend hohen Temperaturbedingung an dem oberen Randabschnitt des Tiegels 3 und der beständigen und nicht turbulenten Strömungslinie des Argongases ohne Rückfluß. Obwohl das entlang der Linie 25 fließende Argongas zumindest teilweise in Kontakt mit der unteren Oberfläche 27 der Abdeckung 20 und der äußeren Oberfläche des sich nach unten erstreckenden zylindrischen Rohrs 22 kommt, findet keine oder nur wenig Ablagerung von Siliciummonoxyd auf diesen Oberflächen statt, da die Oberflächen durch die Strahlungswärme von der Oberfläche der Siliciumschmelze in Tiegel 3 auf einer genügend hohen Temperatur gehalten werden. Selbst wenn eine geringe Menge an Siliciummonoxydablagerung auf diesen Oberflächen gebildet werden sollte und sich eventuell ablöst, werden die fallenden Siliciummonoxydstäube sofort durch den aus dem unteren Ende des zylindrischen Rohrs 22 austretenden Gasstrom weggeblasen und somit wirkungsvoll von dem Bereich weggetragen, wo die Stäube eine Möglichkeit besitzen, auf die Oberfläche der Schmelze 4 am oder in der Nähe des Grenzbereiches zwischen dem wachsenden Einkristall 9 und der Oberfläche der Schmelze 4 zu fallen, und die Stäube können wieder verdampft werden und somit keine Schwierigkeiten verursachen.
Im Gegensatz zum Kristallziehverfahren unter Verwendung einer gewöhnlichen Vorrichtung, mit der die Verunreinigung des gewachsenen Silicium-Einkristalls mit Kohlenstoff mehr oder weniger unvermeidbar ist, kann dieser Nachteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vollständig vermieden werden, da das verunreinigende Kohlenstoffmaterial durch die Argongasströmung entlang der Linien 24, 25 und 26 mit einer genügend hohen Fließgeschwindigkeit ohne Rückfluß rasch weggetragen werden kann. Trotz der scheinbar möglichen Verunreinigung des Einkristalls 9 mit Kohlenstoff, wenn die untere Oberfläche 27 der Abdeckung 20 und/oder der äußeren oder inneren Oberfläche des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohrs 22 aus kohlenstoffhaltigem Material wie Graphit gefertigt sind, ist dieses Problem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht von Bedeutung, und der Gehalt an kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen im gewachsenen Einkristall kann weit unterhalb der akzeptablen Obergrenze liegen. Es ist selbstverständlich vorzuziehen, daß die obengenannten Oberflächenschichten mit einem nicht kohlenstoffhaltigen hitzebeständigen Material, wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und dergleichen beschichtet sind.
Zusätzlich zu den obengenannten Vorteilen ist es in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, die Ziehgeschwindigkeit des wachsenden Einkristalls stark zu erhöhen, was zu einer Verbesserung der Produktivität beiträgt. Im Gegesatz zur maximalen Ziehgeschwindigkeit von ca. 1,0 mm/Minute in einer herkömmlichen Vorrichtung zum Ziehen eines Silicium-Einkristalls mit einem Durchmesser von 6 Inch (15,24 cm) kann die Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einigen Fällen verdoppelt werden.
Das hitzebeständige und wärmeisolierende zylindrische Rohr 22 kann als einstückiger KörPer mit einer Dicke von 5 bis 10 mm und aus Graphit gefertigt sein oder wahlweise wie die Abdeckung 20 eine Mehrschichtstruktur aufweisen, die aus einer äußersten und innersten Schicht aus Graphit und einer dazwischen angeordneten, aus einem Filz von Graphitfasern gebildeten Schicht zusammengesetzt ist, um den Widerstand gegen Wärmeleitung von der inneren Oberfläche zur äußeren Oberfläche zu erhöhen. Während bekannt ist, daß die Ziehgeschwindigkeit eines Einkristalls erhöht werden kann, indem der Temperaturgradient in der Siliciumschmelze 4 und in der Nähe des Grenzbereichs mit dem wachsenden Einkristall durch effizientes Abziehen der Wärme vom Grenzbereich zu erhöhen, wird dieser Zweck durch den Abschirmeffekt der Strahlungswärme von der Oberfläche der Schmelze 4 und der aus Graphit gefertigten Heizelemente 6 und durch den Kühleffekt mittels des fließenden Argongases erreicht.
Es ist höchst bedeutsam, daß die verbesserte Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sehr vorteilhaft im Hinblick auf die Möglichkeit ist, Silicium-Einkristalle von hoher Qualität mit stark verminderten OISFs zusätzlich zu den oben beschriebenen verschiedenen Vorteilen zu ziehen. Wie vorstehend beschrieben ist, sind Halbleitersubstrate aus Silicium-Einkristall durch die thermische Oxydation im Laufe des Herstellungsverfahrens von Halbleiterbauteilen immer dem Auftreten von OISFs unterworfen. Eine derartige Störung und andere mikroskopische Störungen, die auf der Oberfläche eines Silicium-Wafers nach der thermischen Oxydationsbehandlung ausgebildet sind, beeinträchtigen die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterbausteine, wie beispielsweise in der Nähe der Oberfläche des Silicium- Wafers gebildete Transistoren stark, wobei insbesondere die Ausbeute von akzeptablen Produkten bei der Herstellung von elektronischen Schaltungselementen hoher Integrationsdichte aus Halbleitern vermindert wird.
Eine große Anzahl von Veröffentlichungen ist dem Problem der Verhinderung eines derartigen Liniendefekts auf der Oberfläche eines Halbleitersilicium-Wafers aufgrund einer thermischen Oxydationsbehandlung mittels Forschungen über die zu dem Defekt führenden Mechanismen gewidmet, wobei auch die mikroskopischen mechanischen Spannungen auf der Wafer-Oberfläche, die Anhäufung der punktartigen Defekte im Verlauf der thermischen Oxydationsbehandlung, Verunreinigungen der Wafer-Oberfläche mit Natrium usw. eingeschlossen sind. Es ist ebenso bekannt, daß das Auftreten von Liniendefekten von der kristallographischen Orientierung des Wafers aus Silicium-Einkristall beeinflußt wird, und die Häufigkeit des Auftretens der Störungen ist in der [100]-Richtung größer als in anderen Ausrichtungen. Entsprechend den Ergebnissen neuerer Forschungen, deren besondere Aufmerksamkeit den vom im Silicium-Wafer enthaltenen Sauerstoff verursachten mikroskopischen Defekten galt, ist die Technologie überdies auf ein derartiges Niveau verbessert worden, daß auf der Oberfläche des Silicium-Wafers mittels Ausdiffundierung bei hohen Temperaturen absichtlich eine Sauerstoffverarmungszone gebildet wird. In dieser Weise konnte erfolgreich eine starke Verminderung der Dichte an Liniendefekten aufgrund der thermischen Oxydation auf der Oberfläche des Silicium-Wafers erreicht werden. Es ist jedoch eine durch die Experimente der Erfinder gewonnene Schlußfolgerung, daß jene OISFs abhängig von der zum Ziehen des Silicium-Einkristalls verwendeten Kristallziehvorrichtung und/oder den Bedingungen des Kristallziehverfahrens immer noch in hoher Dichte auf der Oberfläche des Silicium-Wafers auftreten, die Charakteristika der unter Verwendung der Halbleiterbauteile aufgebauten elektronischen Schaltungen beeinträchtigen und die Ausbeute an akzeptablen Endprodukten vermindern.
Die Erfinder folgten auch der Lehre des US-Patents 4 330 362 und führten Experimente unter Verwendung der topfähnlichen Wärmeabschirmung durch. Sie kamen zu dem Ergebnis, daß ein derartiges Mittel keine nachprüfbare Auswirkung auf die Verhinderung des Austretens der B OISFs hatte, obwohl das Auftreten der A OISFs durch Einstellen der Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls kontrolliert werden kann. Fig. 5 der begleitenden Zeichnung zeigt die Ergebnisse dieser Experimente.
Als die gleichen Experimente wie obenstehend unter Verwendung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wiederholt wurden, konnte im Gegensatz dazu ein Einkristall nahezu ohne Auftreten von B OISFs gezogen werden, oder die Dichte der B OISFs in dem so gezogenen Einkristall war sehr viel kleiner als im unter Verwendung der Vorrichtung nach dem Stand der Technik gezogenen Einkristall. Fig. 2 zeigt die Ergebnisse dieser Experimente.
Obwohl keine detaillierte Analyse für die zur Bildung und dem Verschwinden der zwei Arten von OISFs führenden Mechanismen durchgeführt worden ist, wird nachstehend eine von der Tatsache ausgehende Vermutung angegeben, daß, während A OISFs nicht mehr auftreten, wenn die Kristallziehgeschwindigkeit durch Verwenden entweder der topfähnlichen Wärmeabschirmung nach dem Stand der Technik oder der hitzebeständigen Abdeckung 20 und des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohrs 22 gemäß der Erfindung höher ist, eine bemerkenswerte Verminderung der Dichte an B OISFs nur durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann.
Wenn beispielsweise die Kristallziehgeschwindigkeit groß ist, ist der Temperaturgradient in Richtung des Kristallziehens relativ klein, so daß das Auftreten von A OISFs dadurch verhindert werden kann. Wenn die Kühlrate des Einkristallstabs beim Wachsen erhöht wird und einen bestimmten Grenzwert überschreitet, werden andererseits die zahlloden Punktdefekte, die existieren, wenn sich der Kristall auf der hohen Temperatur befindet, eingefangen und als solche eingefroren. Wenn ein Silicium-Wafer, der aus einem derartigen eine große Anzahl von gefrorenen Punktdefekten aufweisenden Einkristall hergestellt ist, später einer thermischen Oxydationsbehandlung unterworfen wird, wächst jeder der Punktdefekte und bildet einen schichtförmigen Defekt. Dies wäre der Grund für die hohe Dichte an auftretenden B OISFs, wenn der Einkristall unter Verwendung der topfähnlichen Wärmeabschirmung nach dem Stand der Technik gezogen wird. Im Gegensatz dazu wäre die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Hinsicht vorteilhaft, weil das den wachsenden Einkristall 9 umgebende hitzebeständige und wärmeisolierende zylindrische Rohr 22 sich von der Nähe der Oberfläche der Siliciumschmelze 4 im Tiegel 3 über die hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung 20 bis zur oberen Öffnung des Metallgehäuses 1 erstreckt und einen direkten Kontakt mit der Verbindungsstelle des Gehäuses 1 mit dem Rohr 5 herstellt, um das Auftreten der B OISFs effektiv zu verhindern. Diese Situation kann einfach verstanden werden, wenn ein Vergleich zwischen der mit der topfähnlichen Wärmeabschirmung ausgerüsteten herkömmlichen Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird. Detaillierter erklärt, wird die Oberfläche eines wachsenden Einkristalls in der in US-4 330 302 offenbarten Vorrichtung dadurch schnell gekühlt, daß sie der durch das Metallgehäuse begrenzten und durch einen Kühlmantel auf niedriger Temperatur gehaltenen Atmosphäre ausgesetzt ist, wenn der Abschnitt des gezogenen Einkristalls über die topfähnliche Wärmeabschirmung gezogen wird. Dies ist vermutlich einer der Gründe, die zum Auftreten von B OISFs führen. Im Gegensatz dazu wird ein wärmeabschirmender Effekt mittels eines zylindrischen, beispielsweise aus Graphit gefertigten Rohrs erzielt, um nicht das Abkühlen des Einkristalls mit einer derartig hohen Geschwindigkeit zu verursachen. Das aus Graphit gefertigte hitzebeständige und wärmeisolierende zylindrische Rohr 22 wird auch durch die von unten zugeführte Wärme auf eine hohe Temperatur von 750 bis 850ºC erwärmt. Es ist wohl eine gerechtfertigte Annahme, daß die Kühlrate eines wachsenden Einkristalls zwischen der äußeren Oberfläche und deren Nähe und zwischen der äußeren Oberfläche und dem Kernabschnitt des Kristalls unterschiedlich sein können, und daß der Kernabschnitt sich auf einer wesentlich höheren Temperatur als der äußere Oberflächenabschnitt befindet. In der mit der topfähnlichen Wärmeabschirmung nach dem Stand der Technik ausgestatteten Vorrichtung ist der Abschnitt eines wachsenden Einkristalls einer raschen Kühlung unterworfen, wenn der Abschnitt über die Wärmeabschirmung kommt, was möglicherweise zum Auftreten von B OISFs führt. Die innerhalb des Einkristalls durch eine derartig rasche Kühlung verursachte thermische Spannung kann für das Auftreten von B OISFs verantwortlich sein.
Im folgenden wird eine Beschreibung der Experimente gegeben, die unternommen wurden, um die Folgerung zu bestätigen, daß die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung effizient für das Verhindern des Auftretens von OISFs ist.
Der Aufbau der Kristallziehvorrichtung war im wesentlichen so, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Ein Tiegel 3 aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 45 cm an seinem oberen Rand wurde mit Blöcken von mit Phosphor dotiertem polykristallinem Silicium mit einem Gewicht von 60 kg beschickt, und der Tiegel 3 wurde auf die aus Graphit gefertigte Tiegeleinfassung 2 montiert. Eine hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung 20 wurde auf die oberen Enden der wärmeisolierenden Elemente 7 montiert, und das Rohr 5 wurde geschlossen. Ein hitzebeständiges und wärmeisolierendes zylindrisches Rohr 22 wurde vom oberen Abschnitt des Rohrs 5 durch die kreisförmige Öffnung in der hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung 20 so abgesenkt, daß es mit den Vorsprüngen an der inneren Wand des Rohrs 5 verbunden war. Argongas wurde am oberen Ende des Rohrs 5 mit einer Rate von 50 l/Minute derart eingeführt, daß der Druck innerhalb der Kristallziehkammer bei 50 mbar gehalten wurde. Die Heizelemente 6 wurden mit elektrischer Energie versorgt, um die polykristallinen Siliciumblöcke im Tiegel 3 zu schmelzen und eine Schmelze 4 zu bilden, aus der ein n-dotierter Silicium-Einkristallstab mit einem Durchmesser von 155 mm in einer kristallographischen Orientierung von (100) gezogen wurde.
Beim erfindungsgemäß betriebenen Kristallziehen wurden die inneren Wände der wärmeisolierenden Elemente 7, die untere Oberfläche der hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung 20 und der untere Abschnitt des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohrs gegenüber dem Tiegel 3 auf Temperaturen im Bereich von 1180 bis 1250ºC gehalten, und keine Ablagerung von Siliciummonoxyd wurde auf diesen Flächen gefunden. Entsprechend wurden keine Schwierigkeiten aufgrund des Herabfallens von Siliciummonoxyd als Stäube in den Tiegel 3 verursacht, so daß der in dieser Weise gezogene Silicium-Einkristall exzellente Eigenschaften aufwies.
Getrennt wurde ein weiterer Kristallziehvorgang zu Vergleichszwecken in einer zur obenstehenden ähnlichen Weise durchgeführt, indem eine aus Molybdän gefertigte topfähnliche Wärmeabschirmung 28 verwendet wurde, wie sie in US-4 330 362 offenbart und schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Fall wurde eine große Menge an Siliciummonoxyd auf der unteren Oberfläche des ringförmigen Randes der aus Molybdän gefertigten topfähnlichen Wärmeabschirmung 28 abgelagert, die die Kristallisation des Siliciums zu einem Einkristall stark störte. Die Ergebnisse von Temperaturmessungen zeigten, daß die untere Oberfläche des ringförmigen Randes der aus Molybdän gefertigten topfähnlichen Wärmeabschirmung 28 sich auf einer Temperatur von ungefähr 105ºC befand, die um mehr als 100ºC niedriger liegt als die der unteren Oberfläche der hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung 20. Der große Unterschied in der Qualität der Silicium-Einkristalle kann durch diese großen Temperaturunterschiede erklärt werden und stützt die Folgerung, daß die hitzebeständige und wärmeisolierende erfindungsgemäße Abdeckung 20 sehr effektiv ist.
Jeder der in der obenstehend beschriebenen Weise gezogenen Silicium-Einkristalle mit einer Gesamtlänge von 110 cm wurde an jeweils 10 cm von den Nachbarpositionen beabstandeten Positionen zerschnitten und in dünnen Scheiben abgetragen, um Wafer von 0,75 mm Dicke zu bilden. Die Wafer wurden nach dem Spiegelpolieren einer Oxydationsbehandlung bei 1150ºC in einem Oxydationsofen unter Dampfdurchführung unterzogen, und nach dem Abkühlen auf RaumtemPeratur wurde der Oxydfilm auf der Oberfläche mit Fluorwasserstoffsäure entfernt. Danach wurden die Wafer durch Eintauchen für 2 Minuten in eine Secco-Ätzflüssigkeit einer selektiven Ätzbehandlung unterworfen und mikroskopisch auf das Auftreten von B OISFs untersucht. Im Ergebnis konnten nahezu keine OISFs auf den Wafern nachgewiesen werden, die aus dem unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezogenen Einkristall gewonnen wurden, während die Dichte an B OISFs ca. 20.000/cm² auf den Wafern betrug, die aus dem unter Verwendung der Vorrichtung nach dem Stand der Technik gezogenen Einkristall gewonnen wurden. Es wurde festgestellt, daß die OISFs in einem ringförmigen Bereich von ca. 30 mm Breite, der koaxial mit der Waferoberfläche war, mit einem äußeren Durchmesser, der um ca. 40 mm kleiner als der Durchmesser des Wafers war, verteilt waren. Dieses Ergebnis stützte die Folgerung, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sehr effektiv im Verhindern des Auftretens der B OISFs auf der Oberfläche des einer Oxydationsbehandlung ausgesetzten Silicium-Einkristall-Wafers war. Darüber hinaus wurde eine aus dem Endbereich des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezogenen Einzelkristalls genommene Probe durch Infrarotabsorbtionsspektrometrie auf den Gehalt von Kohlenstoffverunreinigungen untersucht und ein Kohlenstoffgehalt unter dem detektierbaren Grenzwert von 0,05 ppm festgestellt.

Claims

1. Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitersilicium nach dem Czochralski-Verfahren

mit einer aus Graphit gefertigten Tiegeleinfassung zum Halten eines aus Quartzglas gefertigten Tiegels, der eine Schmelze aus Silicium enthält,

mit einer Welle zum Rotieren der aus Graphit gefertigten Tiegeleinfassung um eine vertikale Achse,

mit aus Graphit gefertigten Heizelementen, die so angeordnet sind, daß sie die aus Graphit gefertigte Tiegeleinfassung umgeben,

mit hitzeisolierenden Teilen zum Umgeben der Heizelemente,

mit einem metallenen Gehäuse, das die Tiegeleinfassung, die rotierende Welle, die Heizelemente und die hitzeisolierenden Teile enthält und an seiner oberen Wand eine Öffnung besitzt und

mit einem Rohr, das luftdicht mit der Öffnung in der oberen Wand des Gehäuses verbunden ist und sich nach oben erstreckt, und das ferner aufweist:

(A) eine hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung mit einer Dicke im Bereich von 5 mm bis 50 mm und einer gesamten thermischen Leitfähigkeit von nicht mehr als 20 kcal/m x h x ºC (83736 Joule/m x h x ºC), die in direktem Kontakt mit den oberen Enden der wärmeisolierenden Teile steht und eine kreisförmige mittige Öffnung besitzt, und

(B) ein hitzebeständiges und wärmeisolierendes zylindrisches Rohr mit einem äußeren Durchmesser, der ungefähr gleich groß wie der Durchmesser der mittigen Öffnung in der die Komponente (A) darstellenden Abdeckung ist, das luftdicht mit dem sich nach oben erstreckenden Rohr verbunden ist und sich von der Verbindungsstelle an der oberen Wand des metallenen Gehäuses nach unten erstreckt, wobei das sich nach oben erstreckende Rohr die mittige Öffnung in der die Komponente (A) darstellende Abdeckung in der Weise durchdringt, daß der wachsende Einkristall koaxial von ihm umgeben ist, wobei dessen unteres Ende sich auf einer Höhe nahe über der Oberfläche der Schmelze in dem Tiegel aus Quartzglas befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung eine dreischichtige Struktur besitzt, die eine aus einem Filz von Graphitfasern gefertigte Mittelschicht aufweist, die zwischen zwei Graphitschichten in Sandwichbauweise angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der der innere Durchmesser des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohres um mindestens 10 mm größer ist als der Durchmesser des Einkristalles beim Ziehen, jedoch das Doppelte des Durchmessers des Einkristalls beim Ziehen nicht überschreitet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der die Oberfläche der hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung mit einer Überzugsschicht versehen ist, die eine Dicke im Bereich von 5 mm bis 50 mm besitzt und aus einem Material gefertigt ist, das aus der aus Graphit, Siliciumnitrid und Siliciumcarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Oberfläche des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohres mit einer Überzugsschicht versehen ist, die eine Dicke im Bereich von 5 mm bis 50 mm besitzt und aus einem Material gefertigt ist, das aus der aus Graphit, Siliciumnitrid und Siliciumcarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die hitzebeständige und wärmeisolierende Abdeckung eine mehrschichtige Struktur besitzt, die eine oberste Schicht, eine unterste Schicht und eine in Sandwichbauweise zwischen die oberste und die unterste Schicht eingelegte Zwischenschicht aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in der die oberste Schicht und die unterste Schicht aus Graphit gebildet sind und die Zwischenschicht aus einem Filz aus Graphitfasern gefertigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der bei Betrieb der Abstand zwischen der unteren Oberfläche der hitzebeständigen und wärmeisolierenden Abdeckung und der Oberfläche der Schmelze im Tiegel 200 mm bis 400 mm beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der bei Betrieb der Abstand zwischen dem unteren Ende des hitzebeständigen und wärmeisolierenden zylindrischen Rohres und der Oberfläche der Schmelze im Tiegel 5 mm bis 30 mm beträgt.