DE4030551A1

DE4030551A1 - Verfahren zur herstellung von silicium-einkristallen

Info

Publication number: DE4030551A1
Application number: DE4030551A
Authority: DE
Inventors: Kaoru Kuramochi; Makoto Ito; Kiichiro Kitaura
Original assignee: KYUSHU ELECTRON METAL; Osaka Titanium Co Ltd
Current assignee: KYUSHU ELECTRON METAL; Osaka Titanium Co Ltd
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1991-04-11
Also published as: US5471949A; US5392729A; JPH03115188A; JP2813592B2; DE4030551C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach der Czochralski-Methode (im Folgenden als Cz-Methode be zeichnet).

Bei der Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach der Cz-Methode ist es allgemeine Praxis, daß in einen Tiegel gefüllte Rohstoffe, beispielsweise in einer Kammer, mittels einer Heizquelle erhitzt und geschmolzen werden und dann ein Impfkristall in diese flüssige Schmelze getaucht und unter Drehung nach oben gezogen wird, wobei ein Silicium-Einkristall am unteren Ende des Impf kristalls wächst.

In dem Fall, in dem eine integrierte Halbleiter-Schal tung unter Verwendung eines Silicium-Einkristalls her gestellt wird, ist es erforderlich, um das Substrat mit der passenden elektrischen Leitfähigkeit auszustatten, daß dieses eine angemessene Menge an Dotierungsmitteln wie Antimon (Sb), Phosphor (P) und Bor (B) enthält.

Außerdem sollte in dem Substrat des Silicium-Einkri stalls eine angemessene Menge Sauerstoff enthalten sein, um einen sogenannten Gettering-Effekt im Kristallgitter (Intrinsic Gettering, IG-Effekt) zu gewinnen. "Getter ing" bezeichnet ein Verfahren, das schädliche Verunrei nigungen, z. B. Schwermetalle, aus den Bereichen eines Plättchens (Wafers) entfernt, aus denen die Bauelemente gefertigt werden. "Wafer" bezeichnet ein scheibenförmi ges Substrat. IG bedient sich der Defekte, die mit der Abscheidung von Sauerstoff im Inneren des Wafers ver bunden sind, als Einfang-Zentren für die schädlichen Verunreinigungen (S.M. Sze, "VLSI Technology", § 1.5.1., McGraw Hill, 1983). Aus diesem Grunde ist, wenn der Silicium-Einkristall als Substrat eingesetzt wird, Sauerstoff einer angemessenen und gleichmäßigen Konzen tration erforderlich. zu diesem Zweck wird die Sauer stoff-Konzentration in der flüssigen Schmelze der Roh stoffe in dem Tiegel gesteuert.

Der Sauerstoff, der der flüssigen Schmelze von der Ober fläche des Quarz-Tiegels durch den Kontakt zwischen beiden zugeführt wird, wird durch die zwangsweise Konvektion der flüssigen Schmelze infolge der Rotation des Tiegels und die Wärmekonvektion der flüssigen Schmelze aufgrund von Temperaturdifferenzen derselben in dem Tiegel bewegt. Während dieser Bewegung wird der Sauerstoff nicht nur von der Flüssigkeitsoberfläche in Form von Siliciummonoxid (SiO) verdampft, sondern er wird auch zu der Wachstums-Oberfläche des Silicium- Einkristalls transportiert und in diese hinein aufge nommen.

Als ein Verfahren zur Steuerung der in den Silicium-Ein kristall hinein aufgenommenen Sauerstoff-Konzentration offenbaren die JP-OSen 57-27 996 (27 996/1982) und 57-1 35 796 (1 35 796/1982), unter Hinweis auf die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels und der Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkri stall, die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels in Rela tion zu der Menge der flüssigen Silicium-Schmelze zu ändern und dadurch die Relativ-Geschwindigkeit des Quarz-Tiegels und des geschmolzenen flüssigen Siliciums zu ändern, was eine erzwungene Konvektion der flüssigen Silicium-Schmelze zur Folge hat. Auf diese Weise wird es möglich, die Dicke einer Grenzschicht einzustellen, wo der Sauerstoff aufgrund der erzwungenen Konvektion der flüssigen Schmelze in der Oberfläche des Quarz-Tiegels diffundiert ist. Die JP-OS 62-1 53 191 (1 53 191/1987) offenbart ein anderes Verfahren, bei dem die Berührungs fläche zwischen dem Quarz-Tiegel und der flüssigen Sili cium-Schmelze und die Temperatur der flüssigen Silicium- Schmelze verändert werden. Während nach diesem letzteren Verfahren im einzelnen das Versorgungs-Verhältnis einer Mehrzahl Heizquellen, die im Umfang der Seitenwandungen des Tiegels angeordnet sind, mit elektrischer Energie eingestellt wird und demnach ein Teil der Rohstoffe in dem Tiegel im festen Zustand gehalten werden, wird der Silicium-Einkristall wachsen gelassen.

Zur Erzeugung eines Silicium-Einkristall-Substrats, das bei einer Erhöhung des Grades der Integration von inte grierten Halbleiter-Schaltungen präzise verarbeitet werden kann, hat man in neuerer Zeit Sb als Dotierungs mittel eingesetzt, das dem Silicium-Einkristall-Substrat in vielen Fällen zugesetzt werden soll. Es ist jedoch ein Problem dahingehend aufgetaucht, daß die Sauerstoff- Konzentration in dem mit Sb dotierten Silicium-Einkri stall niedriger ist als die in dem Silicium-Einkristall ohne Dotierungsmittel oder in dem Silicium-Einkristall mit anderen Dotierungsmitteln, beispielsweise B und P, so daß es schwierig ist, die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall genügend hoch (15 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder mehr) zu machen, um mit Hilfe der oben beschriebenen Methode der Steuerung der Sauer stoff-Konzentration den IG-Effekt zu erzielen.

Dies beruht auf der Eigenschaft, daß der Dampfdruck des Diantimontrioxids (Sb₂O₃), das infolge der Addition des Sb gebildet wird, höher ist als derjenige des SiO, so daß Sb₂O₃ leicht von der Oberfläche der flüssigen Sili cium-Schmelze verdampft wird. Dieses Problem läßt sich in keinem Fall durch die im Vorstehenden beschriebene Methode der Steuerung der Sauerstoff-Konzentration lösen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die folgende Überlegung angestellt: Bei der Cz-Methode wird die flüssige Silicium-Schmelze vermittels einer den Tiegel umgebenden Graphit-Heiz quelle erhitzt, und eine Strömung, wie sie durch den Pfeil in Fig. 1 bezeichnet ist, wird im Inneren der flüssigen Silicium-Schmelze gemeinsam erzeugt durch die zwangsweise Konvektion, die aus der Rotation des Tiegels resultiert, und die Wärme-Konvektion, die aus der Tempe ratur-Differenz herrührt. Das heißt, die Konvektion im Inneren des Tiegels erfolgt in der Weise, daß die flüssige Silicium-Schmelze mit einer hohen Sauerstoff- Konzentration von der Seite einer Umfangs-Seitenwand des Tiegels her der Oberfläche der flüssigen Silicium- Schmelze zugeführt werden kann. In dem Fall, in dem Sb der flüssigen Silicium-Schmelze zugesetzt wird, wirkt hier ein Teil des zugesetzten Sb auf den von der Ober fläche des Quarz-Tiegels zugeführten Sauerstoff ein und wird in Oxide wie Sb₂O₃ umgewandelt. Da Sb₂O₃ einen ähnlichen Dampfdruck wie Sb, jedoch einen höheren Dampf druck als das von der Oberfläche des Quarz-Tiegels zuge führte SiO besitzt, wird die Menge des von der Ober fläche der flüssigen Silicium-Scmelze verdampften Sauer stoffs größer als in dem Fall, in dem kein Sb zugesetzt wird.

Demgemäß gibt in dem Fall, in dem Sb zugesetzt wird, bei dem Verfahren, bei dem die flüssige Silicium-Schmelze der Wachtumszone des Einkristalls durch die oben be schriebene Konvention zugeführt wird, die flüssige Silicium-Schmelze Sb₂O₃ durch Verdampfen an ihrer Ober fläche ab, und auf diese Weise wird die Sauerstoff- Konzentration in dem Silicium-Einkristall reduziert.

Bei dem konventionellen Verfahren, bei dem die Rota tionsgeschwindigkeit verändert wird, und dem Verfahren, bei dem die Berührungsfläche zwischen dem Quarz-Tiegel und der flüssigen Silicium-Schmelze und die Temperatur des geschmolzenen flüssigen Siliciums verändert werden, gibt es keinen grundlegenden Unterschied bei den zustän den der Konvektion, und die flüssige Silicium-Schmelze, aus der Sb₂O₃ verdampft worden ist, wird der Wachtums zone des Silicium-Einkristalls zugeführt, so daß die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall bei einer Erhöhung der Konzentration des Sb gesenkt wird. Es ist jedoch bekannt, daß die Sauerstoff-Konzentration in einem Teil erhöht wird, wo der Tiegel mit der flüssigen Silicium-Schmelze in Berührung gebracht wird. Wenn dem zufolge die Konvektion in der flüssigen Silicium- Schmelze so gesteuert wird, daß die flüssige Silicium- Schmelze mit einer hohen Sauerstoff-Konzentration im Boden-Teil des Tiegels der Wachtumszone des Silicium- Einkristalls im oberen Teil des Tiegels zugeführt werden kann, ohne dabei die Oberfläche der flüssigen Silicium- Schmelze zu passieren, wo die heftige Verdampfung statt findet, kann die Sauerstoff-Konzentration in dem Sili cium-Einkristall erhöht werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkri stalls gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn eine zylindrische Trenn wand in eine flüssige Silicium-Schmelze taucht und die flüssige Silicium-Schmelze auf der Innenseite der Trenn wand aus dem Tiegel hochgezogen wird, um den Silicium- Einkristall zu erzeugen, die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall dadurch gesteuert wird, daß der Abstand zwischen dem unteren Ende der Trennwand und dem Boden des Tiegels verändert wird. Konkret gesprochen, in dem Fall, in dem die Sauerstoff-Konzentration in dem hochzuziehenden Silicium-Einkristall erhöht wird, wird der Abstand verkleinert, während in dem Fall, in dem die Sauerstoff-Konzentration in dem hochzuziehenden Sili cium-Einkristall erniedrigt wird, der Abstand vergrößert wird. Außerdem kann zusätzlich Antimon (Sb) als Dotier stoff in den Tiegel gegeben werde.

Wenn die Trennwand in der flüssigen Silicium-Schmelze angeordnet ist, so wird hinsichtlich der Konvektion im Inneren der Trennwand eine aufsteigende Strömung, die von der Wärmekonvektion herrührt, verstärkt, und dadurch wird das geschmolzene flüssige Silicium mit einem hohen Sauerstoff-Gehalt in einem bodennahen Teil des Tiegels vorzugsweise der Silicium-Einkristall-Ziehzone zuge führt, ohne eine Oberfläche des geschmolzenen flüssigen Siliciums zu passieren wo Sb₂O₃ kräftig verdampft wird. Weiterhin ist es für die flüssige Silicium-Schmelze außerhalb der Trennwand schwierig, sich mit der flüssi gen Silicium-Schmelze im Inneren der Trennwand zu durch mischen, und demgemäß ist die Temperatur der flüssigen Silicium-Schmelze außerhalb der Trennwand höher als die jenige der Silicium-Schmelze im Inneren der Trennwand, da das Erhitzen mittels einer Graphit-Heizquelle von außen her erfolgt. Als Folge davon wird die Menge des Sauerstoffs, die aus dem Tiegel oder der Trennwand her ausgelöst wird, erhöht, wodurch eine flüssige Silicium- Schmelze mit einer hohen Sauerstoff-Konzentration gebil det wird. Und die flüssige Silicium-Schmelze mit der hohen Sauerstoff-Konzentration wird allmählich dem Inneren der Trennwand zugeführt, während der Silicium- Einkristall hochgezogen wird. Wie im Vorstehenden be schrieben wurde, führt das Anbringen der zylindrischen Trennwand zu der Möglichkeit einer Steigerung der Sauer stoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall vermit tels eines synergistischen Effekts der Verstärkung der aufsteigenden Strömung, der aus der Wärmekonvektion im Inneren der Trennwand und der Zufuhr von flüssigem geschmolzenen Silicium mit einer hohen Sauerstoff-Kon zentration resultiert.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Silicium-Einkristallen verfügbar zu machen, das in der Lage ist, die Sauer stoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall in einfacher Weise zu steuern.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Silicium-Einkristallen verfügbar zu machen, das in der Lage ist, auch in dem Fall, in dem Antimon (Sb) als Dotierungsstoff zugesetzt wurde, einen Silicium-Einkristall mit einer hohen Sauer stoff-Konzentration zu erzeugen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Silicium-Einkristallen verfügbar zu machen, das in der Lage ist, einen Sili cium-Einkristall mit einer hohen Sauerstoff-Konzentra tion zu erzeugen, die genügt, um den IG-Effekt zu er zielen.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, ein Verfahren zur Herstellung von Silicium-Einkri stallen verfügbar zu machen, das in der Lage ist, einen Silicium-Einkristall zu erzeugen, der als Substrat zur Verwendung in einer integrierten Halbleiter-Schaltung optimal ist.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit größerer Vollständig keit aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Konvektion einer Schmelze aus flüssigem Silicium im Inneren eines Tiegels gemäß dem herkömmlichen Verfahren dargestellt ist;

Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt, der eine Arbeitsbedingung der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen schematische perspektivische Darstellungen, in denen andere bevorzugte Ausführungs formen eines Steuerrings dargestellt sind, der als Trennwand in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen schematische Längsschnitte zur Veranschaulichung einer Methode zum Halten des Steuer rings;

Fig. 7 zeigt ein Diagramm, in dem die Konvektion einer Schmelze aus flüssigem Silicium im Inneren eines Tiegels gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung des Zusammen hangs zwischen dem Hochzieh-Verhältnis eines Silicium- Einkristalls und der Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall; und

Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung des Zusammen hangs zwischen dem spezifischen Widerstand und der Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall.

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Kammer, die auf ein festgelegtes Vakuum eingestellt ist. Ein Tiegel 2 ist im Zentrum im Inneren der Kammer 1 angeordnet. Eine Graphit-Heizquelle 3 ist außerhalb des Tiegels 2 angeordnet, und ein wärmezurückhaltendes Bauelement 4 ist konzentrisch zwischen der Graphit-Heizquelle 3 bzw. der Kammer 1 angebracht. Der Tiegel 2 hat eine Doppel bauweise, bei der ein äußerer Tiegel 2b aus Graphit um den äußeren Umfang eines inneren Tiegels 2a aus Quarz herum angeordnet ist. Das obere Ende einer tragenden Welle 2c, das durch einen Boden-Teil der Kammer 1 hin durchgeführt ist, ist mit dem Zentrum des Boden-Teils des Tiegels 2 in solcher Weise verbunden, daß der Tiegel 2 mittels der tragenden Welle 2c unter Drehung aufwärts und abwärts bewegt werden kann. Ein Aufbewahrungsgefäß (nicht eingezeichnet) für ein Dotierungsmittel ist ober halb des Tiegels 2 angebracht, so daß das Sb-Dotierungs mittel durch Öffnen einer Bodenklappe des Aufbewahrungs gefäßes mit Hilfe eines Schaltgeräts (nicht eingezeich net) in den Tiegel eingebracht werden kann. Außerdem ist der Tiegel 2 mit einer flüssigen Silicium-Schmelze 5 gefüllt, die dadurch erhalten wird, daß polykristallines Silicium mit Hilfe der Graphit-Heizquelle 3 erhitzt wird. Ein Schutzzylinder 1a zum Schutz des Silicium- Einkristalls, der auch als Zuführungsrohr für das Gas der umgebenden Atmosphäre in die Gaskammer 1 dient, ist im Zentrum der oberen Wandung der Kammer 1 errichtet. Oberhalb des Schutzzylinders ist ein Mechanismus zur Rotation und Aufwärts-Abwärts-Bewegung (nicht einge zeichnet) vorgesehen, mit dem das obere Ende einer Hebe achse 6 gekoppelt ist. Ein von einer Aufspannvorrichtung gehaltener Impfkristall 7 hängt vom oberen Ende der Hebachse 6 nach unten. Der Impfkristall 7 wird, nach dem er in die flüssige Silicium-Schmelze 5 im Inneren des Tiegels 8 eingetaucht worden ist, unter Rotation ange hoben, so daß ein Silicium-Einkristall 8 am unteren Ende des Impfkristalls 7 zum Wachsen gebracht wird.

Ein die Sauerstoff-Konzentration steuernder Ring 10 als zylindrische Trennwand, gebildet aus einem hitzebestän digen Bauelement wie Quarz und Keramik und mit den folgenden Werten des Außen-Durchmessers und der Dicke wird in die flüssige Silicium-Schmelze 5 außerhalb des Silicium-Einkristalls 8 eingetaucht, so daß ein geeigne ter Abstand zwischen seinem unteren Ende und der inneren Oberfläche des inneren Tiegels 2a besteht und sein oberer Rand über die Oberfläche der flüssigen Silicium- Schmelze 5 hervorsteht. Die flüssige Silicium-Schmelze 5 wird mit Hilfe des Steuerrings 10 in eine äußere flüssi- ge Silicium-Schmelze 5a und eine innere flüssige Sili cium-Schmelze 5b unterteilt.

Es ist wünschenswert, daß der äußere Durchmesser des Steuerrings 10 60 bis 90%, vorzugsweise etwa 75%, des äußeren Durchmessers des inneren Tiegels 2a beträgt. Wenn der äußere Durchmesser des Steuerrings 10, relativ zu dem äußeren Durchmessers des inneren Tiegels 2a, zu klein ist, besteht die Möglichkeit, daß die innere flüssige Silicium-Schmelze 5b, d. h. die flüssige Sili cium-Schmelze innerhalb der Wachtums-Zone des Silicium- Einkristalls 8, Temperaturschwankungen unterliegt, was für das Hochziehen des Silicium-Einkristalls 8 ohne Stattfinden einer Versetzung nachteilig ist; wenn der äußere Durchmesser des Steuerrings 10, relativ zu dem äußeren Durchmessers des inneren Tiegels 2a, zu groß ist, wird die Menge Sauerstoff, die von der Oberfläche der inneren flüssigen Silicium-Schmelze 5b verdampft, größer, und damit wird es schwierig, die Sauerstoff- Konzentration in der inneren flüssigen Silicium-Schmelze 5b auf einen Wert zu steigern, der für den IG-Effekt benötigt wird. Daneben ist es wünschenswert, daß die Dicke des Steuerrings 10 5 bis 20 mm, vorzugsweise 7 bis 8 mm, beträgt. Wenn nämlich die Dicke des Steuer rings 10 zu klein ist, wird der Steuerring durch die flüssige Silicium-Schmelze 5 verformt, und die Tempera turverteilung in der inneren flüssigen Silicium-Schmelze 5b wird auf konzentrischen Kreisen ungleichmäßig, während dann, wenn die Dicke des Steuerrings 10 zu groß ist, die Möglichkeit besteht, daß die innere flüssige Silicium-Schmelze 5b Temperaturschwankungen unterliegt, was für das Hochziehen des Silicium-Einkristalls 8 ohne Stattfinden einer Versetzung nachteilig ist.

Was die Form des Steuerrings 10 betrifft, so ist dessen oberer Teil zylindrisch, und ein sich an den oberen Teil anschließender Teil kann in Richtung auf das untere Ende hin einen zunehmenden oder abnehmenden Durchmesser haben, wie dies in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellt ist. Der zylindrische Steuerring ist nicht auf ein einziges Exemplar beschränkt, sondern mehrere Steuerringe können auf konzentrischen Kreisen angeordnet sein, um die Sauerstoff-Konzentration in dem Einkristall zu steuern.

Methoden der Halterung des Steuerrings 10 mit dem geeig neten Abstand von der inneren Oberfläche des Tiegels 2, wie sie in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind, werden bedacht. Der Steuerring 10, der mittels der folgenden Methoden an seinem oberen Teil gehalten wird, wird in die in dem Tiegel 2 befindliche flüssige Silicium- Schmelze 5 eingetaucht. Bei der in Fig. 5 dargestellten Methode werden L-förmige Spannvorrichtungen 10a, 10b aus Graphit so auf einer Kante des Tiegels 2 befestigt, daß ihre langen Seiten der Oberfläche der flüssigen Sili cium-Schmelze 5 gegenüber liegen und ihre kurzen Seiten in Richtung auf die flüssige Silicium-Schmelze 5 weisen, wobei der Steuerring 10 mittels der End-Teile der kurzen Seiten aufgehängt ist. Bei der in Fig. 6 dargestellten Methode wird der Steuerring 10 an seinem unteren Ende mit einer Mehrzahl von Bein-Teilen 10c versehen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, wobei der Steuerring 10 auf der Bodenoberfläche des Tiegels 2 steht, wobei der geeignete Abstand mittels der Bein-Teile 10c gebildet wird.

Im Betrieb wird der Tiegel 2 zunächst mit polykristalli nem Silicium als Rohstoff beschickt; dieses wird dann mit Hilfe der Graphit-Heizquelle 3 geschmolzen. Dann wird der Impfkristall 7 in die flüssige Silicium- Schmelze eingetaucht und unter Drehen angehoben wodurch das Wachstum des Silicium-Einkristalls eingeleitet wird.

Wenn zu diesem Zeitpunkt der Abstand zwischen der inneren Boden-Oberfläche des Tiegels 2 klein ist, wird der Grad der Vermischung der äußeren flüssigen Silicium- Schmelze 5a mit der inneren flüssigen Silicium-Schmelze 5b reduziert. Dementsprechend wird die Temperatur der äußeren flüssigen Silicium-Schmelze 5a, die sich näher an der Graphit-Heizquelle befindet, höher als diejenige der inneren flüssigen Silicium-Schmelze 5b beim Wachsen des Silicium-Einkristalls 8, und somit wird das Maß der Auflösung des inneren Tiegels 2a und des Steuerrings 10 erhöht, wodurch eine flüssige Silicium-Schmelze mit hohem Sauerstoff-Gehalt gebildet wird. Sowie der Sili cium-Einkristall 8 aus der inneren flüssigen Silicium- Schmelze 5b hochgezogen wird, strömt die äußere flüssige Silicium-Schmelze 5a, die eine hohe Temperatur und einen hohen Sauerstoff-Gehalt besitzt, zu der inneren flüssi gen Silicium-Schmelze 5b mit niedriger Temperatur. Was die Temperatur-Verteilung in der inneren flüssigen Sili cium-Schmelze 5b betrifft, so ist die Temperatur im unteren Teil hoch, während sie im oberen Teil niedrig ist aufgrund des synergistischen Effekts des Erhitzens mittels der Graphit-Heizquelle 3 durch den äußeren Tiegel 2b hindurch und diesen Zufluß, und damit wird eine von der Wärmekonvektion herrührende aufsteigende Strömung verstärkt, wodurch eine Konvektion entsteht, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Diese Konvektion spielt eine Rolle bei der Versorgung der Wachstums-Zone des Silicium-Einkristalls mit der flüssigen Silicium- Schmelze, die eine hohe Sauerstoff-Konzentration hat, im Boden-Teil des Tiegels 2, ohne Sauerstoff von der Ober fläche der flüssigen Silicium-Schmelze zu verdampfen, wodurch die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium- Einkristall 8 erhöht wird. Dementsprechend kann selbst in dem Fall, in dem Sb als Dotierungsstoff zugesetzt wird, die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium- Einkristall 8 auf einen Wert erhöht werden, der genügt, um den IG-Effekt zu erzielen.

Wenn im Gegensatz dazu der Abstand zwischen dem Steuer ring 10 und der inneren Bodenoberfläche des Tiegels 2 groß ist, wird der Grad der Vermischung der äußeren flüssigen Silicium-Schmelze 5a mit der inneren flüssigen Silicium-Schmelze 5b gesteigert. Demzufolge wird nicht nur die von der Wärmekonvektion im Inneren des Steuer rings 10 herrührende Aufwärtsströmung geschwächt, sondern auch die Sauerstoff-Konzentration in der flüssi gen Silicium-Schmelze, die vom Bereich außerhalb des Steuerrings 10 zugeführt wird, ist vermindert, und damit wird die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Ein kristall 8 gesenkt. Insbesondere in dem Fall, in dem Sb als Dotierungsstoff zugesetzt wird, steigt die Menge an Sauerstoff, der als Sb₂O₃ verdampft wird, und damit wird die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall noch weiter erniedrigt.

Numerisches Beispiel

Der Silicium-Einkristall mit Sb als zugesetztem Dotier stoff wurde mit 16 × 10¹⁷ Atomen/cm³ als gewünschtem Wert der Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Ein kristall 8 hergestellt unter Verwendung einer Apparatur (Durchmesser des Tiegels 2: 5,08 cm (2 inch)), wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Druck in der Kammer wurde auf 13,3 mbar (10 Torr) eingestellt, und der Silicium-Einkristall mit einem Durchmesser von 15,24 cm (6 inches) wurde mit einer Geschwindigkeit von 1,0 mm/min hochgezogen, wobei der Tiegel 2 mit 10 Umdrehungen/min und der Impfkristall gegenläufig dazu mit 20 Umdrehungen/min rotierten. Außerdem wurde der zylindrische Steuerring 10 aus Quarz mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Dicke von 8 mm in die flüssige Silicium-Schmelze 5 in Abständen von 5 mm bzw. 15 mm von der inneren Oberfläche des Bodens des Tiegels 2 eingetaucht. Als Ergebnis wurde eine Verteilung des spezifischen Widerstandes des Silicium-Einkristalls 8 in Längsrichtung aufgrund der ausgewogenen Verdampfung und Abscheidung des Sb-Dotie rungsstoffes im Bereich von 0,015 ± 0,001 Ω × cm gehalten.

Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Hochzieh- Verhältnis (das Verhältnis des Abstandes vom Seitenend- Teil des Impfkristalls 7 zu der Gesamtlänge des Sili cium-Einkristalls 8) und der Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall 8 in dem Fall, in dem der spezifische Widerstand konstant gemacht worden war (0,015 Ω × cm). Die Ordinatenachse bezeichnet die Sauer stoff-Konzentration, und die Abszissenachse bezeichnet das Hochzieh-Verhältnis des Silicium-Einkristalls 8. In der graphischen Darstellung bezeichnen die Symbole die Ergebnisse in dem Fall, in dem der Abstand zwischen dem Steuerring 10 und der inneren Oberfläche des Bodens des Tiegels auf 5 mm eingestellt wurde; die Symbole ⊗ be zeichnen die Ergebnisse in dem Fall, in dem dieser Abstand auf 15 mm eingestellt wurde, und die Symbole bezeichnen die Ergebnisse in dem Fall, in dem der Steuerring 10 nicht verwendet wurde. Wie aus dieser graphischen Darstellung hervorgeht, wurde in den Fällen, in denen der Steuerring 10 eingesetzt wurde, ein Sili cium-Einkristall 8 mit einem hohen Sauerstoff-Gehalt erhalten, der den angestrebten Wert der Sauerstoff-Kon zentration (16 × 10¹⁷ Atome/cm³) übersteigt.

In Fig. 9 wird außerdem der Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall 8 dargestellt. Die Ordina tenachse bezeichnet die Sauerstoff-Konzentration, und die Abszissenachse bezeichnet den spezifischen Wider stand. Die Symbole ∎ bezeichnen die Ergebnisse in dem Fall, in dem der Steuerring 10 nicht verwendet wurde (dem konventionellen Verfahren), und die Symbole ∎ be zeichnen die Ergebnisse in dem Fall, in dem der Steuerring 10 eingesetzt wurde und der Abstand zwischen dem Steuerring 10 und der inneren Oberfläche des Tiegels auf 15 mm eingestellt wurde (dem Verfahren der vor liegenden Erfindung). Die Messungen werden in der Lage durchgeführt, wo die ursprüngliche Menge der flüssigen Silicium-Schmelze 45 kg ausmacht und das Hochzieh-Ver hältnis 33% beträgt.

Als Ergebnis kann in dem Fall, in dem der Abstand auf 15 mm eingestellt wird, der angestrebte Wert der Sauerstoff-Konzentration gleichmäßig in der axialen Richtung des Silicium-Einkristalls 8 erhalten werden, und somit läßt sich der IG-Effekt erzielen.

Wie im Vorstehenden beschrieben ist, kann in dem Verfah ren gemäß der vorliegenden Erfindung die Sauerstoff- Konzentration in dem Silicium-Einkristall 8 in einfacher Weise durch Eintauchen des Steuerrings 10 als zylindri sche Trennwand in die flüssige Silicium-Schmelze 5 erhöht oder erniedrigt werden, wodurch die Sauerstoff- Konzentration in der äußeren flüssigen Silicium-Schmelze 5a der Wachstums-Zone des Siliciumchlorid-Einkristalls zugeführt wird.

Im übrigen bedarf es keiner besonderen Erwähnung, daß trotz des Zusatzes von Antimon (Sb) als Dotierungsstoff in der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf den Fall angewandt werden kann, wo der Silicium-Ein kristall ohne den Zusatz von Dotierungsstoffen gezogen wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls, bei dem der Silicium-Einkristall aus einer flüssigen Silicium-Schmelze in einem Tiegel im Inneren einer in die flüssige Silicium-Schmelze tauchenden zylindrischen Trennwand hochgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand nicht so weit eingetaucht wird, daß sie mit dem Boden des Tiegels in Berührung gelangt, und daß der Abstand zwischen dem unteren Ende der Trennwand und dem Boden des Tiegels verändert wird, um die Sauerstoff- Konzentration in dem Silicium-Einkristall während des Hochziehens zu steuern.

2. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die Sauerstoff-Konzentration in dem hochzu ziehenden Silicium-Einkristall erhöht werden soll, der Abstand verkleinert wird, während in dem Fall, in dem die Sauerstoff-Konzentration in dem hochzuziehenden Silicium-Einkristall erniedrigt werden soll, der Abstand vergrößert wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn wand ein hitzebeständiges Bauelement aus Quarz oder Keramik ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel aus einem inneren Tiegel aus Quarz und einem äußeren Tiegel aus Graphit besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Trennwand 60 bis 90% des äußeren Durch messers des inneren Tiegels beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Trennwand 75% des äußeren Durchmessers des inneren Tiegels beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Trennwand 5 bis 20 mm beträgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Trennwand 7 bis 8 mm beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls, bei dem der Silicium-Einkristall aus einer ein Dotie rungsmittel enthaltenden flüssigen Silicium-Schmelze in einem Tiegel im Inneren einer in die flüssige Silicium- Schmelze tauchenden zylindrischen Trennwand hochgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand nicht so weit eingetaucht wird, daß sie mit dem Boden des Tiegels in Berührung gelangt, und daß der Abstand zwischen dem unteren Ende der Trennwand und dem Boden des Tiegels verändert wird, um die Sauerstoff-Konzentration in dem Silicium-Einkristall während des Hochziehens zu steuern.

10. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die Sauerstoff-Konzentration in dem hochzu ziehenden Silicium-Einkristall erhöht werden soll, der Abstand verkleinert wird, während in dem Fall, in dem die Sauerstoff-Konzentration in dem hochzuziehenden Silicium-Einkristall erniedrigt werden soll, der Abstand vergrößert wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotie rungsstoff Antimon (Sb) ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn wand ein hitzebeständiges Bauelement aus Quarz oder Keramik ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel aus einem inneren Tiegel aus Quarz und einem äußeren Tiegel aus Graphit besteht.

14. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Trennwand 60 bis 90% des äußeren Durch messers des inneren Tiegels beträgt.

15. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Trennwand 75% des äußeren Durchmessers des inneren Tiegels beträgt.

16. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Trennwand 5 bis 20 mm beträgt.

17. Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Trennwand 7 bis 8 mm beträgt.