DE4414947C2

DE4414947C2 - Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silicium

Info

Publication number: DE4414947C2
Application number: DE4414947A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Von Dr Ammon; Erich Dipl Ing Dornberger; Hans Dr Oelkrug; Peter Dr Gerlach; Franz Segieth
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2014-04-29
Also published as: DE4414947A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Ein kristalls aus Silicium, wobei der Einkristall mit einer be stimmten Geschwindigkeit in vertikaler Richtung zu einer in einem Tiegel gehaltenen Schmelze aus Silicium gezogen wird.

Dieses nach seinem Erfinder Czochralski benannte Verfahren liefert Einkristalle, die mit einem hohen Gehalt an Sauer stoff, der aus den üblicherweise eingesetzten Quarztiegeln stammt, dotiert sind. Die hohe Sauerstoffdotierung führt zur Bildung von Oxidation induzierten Stapelfehlern (OSF) im Einkristall. Es wurde bereits festgestellt, daß die räum liche Verteilung, mit der OSF in aus Einkristallen geschnit tenen Siliciumscheiben auftreten, wesentlich von der Ziehge schwindigkeit während des Ziehens des Einkristalls abhängig ist. Einem Bericht in "Defect Control in Semiconductors" (M. Hasebe et al., Elsevier Science Publishers B. V., S. 157 (1990)) zu Folge treten OSF in hoher Dichte innerhalb eines kreisringförmigen Bereichs von Siliciumscheiben auf, wenn der auf ihnen basierende Einkristall mit einer Ziehgeschwin digkeit von 0,5 bis 1,0 mm/min gezogen wurde. Der kreisring förmige Bereich, nachfolgend Stapelfehlerkranz genannt, ist nicht erwünscht, da OSF im Bereich der Siliciumscheibe, in den elektronische Bauelemente integriert werden sollen, in der Regel extrem stören.

Der Stapelfehlerkranz liegt konzentrisch zum Umfang der Siliciumscheibe. Sein Radius ist in Abhängigkeit der Ge schwindigkeit, mit der der Einkristall gezogen wurde, klei ner oder größer. Lag die Ziehgeschwindigkeit knapp über der angegebenen unteren Grenze von 0,5 mm/min, so liegt der Sta pelfehlerkranz eng um das Scheibenzentrum herum. Wurde der Einkristall mit einer Geschwindigkeit knapp unterhalb der angegebenen oberen Grenze von 1,0 mm/min gezogen, so liegt der Stapelfehlerkranz bereits eng an der Umfangslinie der Siliciumscheibe.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP-503 816 A1 ist be kannt, daß zusätzliche Kristalldefekte innerhalb des Stapel fehlerkranzes umso häufiger auftreten, je höher die Ge schwindigkeit beim Ziehen des Einkristalls war. Eine hohe Dichte dieser Kristalldefekte beeinträchtigt insbesondere die Durchschlagsfestigkeit von dielektrischen Oxidfilmen, die zur Herstellung von hochintegrierten Schaltungen auf einer Seitenfläche der Siliciumscheibe erzeugt werden.

Es läßt sich belegen (M. Hourai et al., proceedings of pro gress in semiconductor fabrication, technical conference at Semicon Europe 1993, Semicon Europe, Belgium (1993)), daß die Durchschlagsfestigkeit von Oxidfilmen, häufig als Gate- Oxid-Integrity (GOI) bezeichnet, bei Siliciumscheiben mit Stapelfehlerkranz signifikant unterschiedlich ist, je nach dem, ob sie in einem Bereich innerhalb oder außerhalb des Stapelfehlerkranzes gemessen wird. So entspricht der GOI in einem Bereich außerhalb des Stapelfehlerkranzes den hohen Anforderungen, die bei der Bauelementherstellung an die Durchschlagsfestigkeit eines dielektrischen Oxidfilms ge stellt werden. Dagegen ist der GOI innerhalb des Stapelfeh lerkranzes völlig unzureichend. Im Einklang mit der Lehre aus der EP-503 816 A1 ist der GOI bei Siliciumscheiben von Einkristallen, die so schnell gezogen wurden, daß kein Stapel fehlerkranz mehr zu beobachten ist, im gesamten für die Inte gration von Bauelementen in Frage kommenden Bereich der Silici umscheibe ungenügend.

In der oben erwähnten europäischen Patentschrift wird zur Ver besserung des GOI von Siliciumscheiben, die aus einem Einkri stall stammen, der mit einer wirtschaftlichen Geschwindigkeit von über 0,8 mm/min gezogen wurde, vorgeschlagen, die Silicium scheiben einer Temperaturbehandlung im Bereich von 1150°C bis 1280°C zu unterziehen. Zum selben Zweck wird in der europäi schen Patentanmeldung EP-504 837 A2 eine bestimmte thermische Behandlung des Einkristalls während des Ziehvorgangs empfohlen. Demnach sind die Ziehbedingungen so einzustellen und aufrecht zu erhalten, daß zumindest ein Teil des wachsenden Einkri stalls, dessen Temperatur über 1150°C beträgt, sich oberhalb eines Abstandes von 280 mm über der Schmelzenoberfläche befin det.

Beide Vorschläge verfolgen das Ziel, die GOI-Qualität zu ver bessern. Auf das Auftreten des Stapelfehlerkranzes bei hohen Ziehgeschwindigkeiten wird nicht eingegangen.

W. Geil und K. Schmugge haben in 'Kristall und Technik 14(3), 1979, Seiten 343-350' dargelegt, unter welchen Bedingungen die Züchtung von versetzungsfreien Siliciumeinkristallen noch ge währleistet ist. Die DE-A-28 21 481 behandelt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ziehen von hochreinen Halbleiterstäben aus der Schmelze.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, das Ver fahren zum Ziehen von Einkristallen aus Silicium nach der Czochralski-Methode so zu verbessern, daß die untere Grenze der Ziehgeschwindigkeit v_krit, bei deren Überschreitung der Stapel fehlerkranz aufzutreten beginnt, angehoben werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ziehge schwindigkeit auf eine Grenzziehgeschwindigkeit v_krit begrenzt wird, die sich nach der empirischen Formel

v_krit = f . G

berechnet, wobei f einen Proportionalitätsfaktor mit dem Wert 13 . 10^-4 cm²/K . min und G den axialen Temperaturgradienten im Bereich der Fest/Flüssig-Phasengrenze des wachsenden Einkri stalls in der Einheit [K/cm] bedeuten und die Grenzziehge schwindigkeit v_krit in der Einheit [cm/min] erhalten wird.

Wenn die Ziehanlage keine konstruktiven Merkmale aufweist, die den axialen Temperaturgradienten im wachsenden Einkristall er höhen, können den Untersuchungen der Erfinder zu Folge Einkri stalle aus Silicium, die Scheiben mit sehr guter GOI-Qualität liefern und keinen Stapelfehlerkranz aufweisen, nur mit einer niedrigen Grenzziehgeschwindigkeit v_krit gezogen werden. Hinge gen kann man die Grenzziehgeschwindigkeit v_krit und damit die Wirtschaftlichkeit des Ziehverfahrens über das bisher gekannte Maß steigern, wenn solche konstruktiven Merkmale vorhanden sind.

Damit eine Ziehanlage mit hohen Grenzziehgeschwindigkeiten v_krit gefahren werden kann, kommt es insbesondere darauf an, daß der axiale Temperaturgradient insbesondere im Bereich der Fest/Flüssig-Phasengrenze des wachsenden Einkristalls möglichst hoch ist. Die Ziehanlage ist demzufolge mit konstruktiven Merk malen auszustatten, mit deren Hilfe die beim Kristallisieren des Siliciums entstehende Wärme wirksam von der Kristallisati onsfront fortgeführt werden kann. Darüber hinaus muß ein derar tiges konstruktives Merkmal verhindern, daß der wachsende Ein kristall durch Wärmestrahlung, die von den Seitenwänden des Tiegels oder von der Schmelzenoberfläche ausgeht, am Abkühlen gehindert wird. Beispiele für konstruktive Merkmale mit dieser Wirkung sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Es han delt sich dabei um Vorrichtungsteile, die als thermisch ab schirmender Schild um den wachsenden Einkristall herum angeord net sind.

Im deutschen Patent DE-28 21 481 ist eine topfförmige, Wär mestrahlung reflektierende Abdeckung beschrieben, mit der die Schmelze, der Tiegel und der Raum seitlich des Tiegels während des Kristallziehens abgedeckt werden, so daß ein Rückströmen von aus der Schmelze austretenden Gasen auf die Schmelze wirksam unterbunden werden kann. Da diese Abdeckung den axialen Temperaturgradienten im wachsenden Einkristall erhöht, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Silicium- Einkristall in einer diese Abdeckung aufweisenden Ziehanlage mit einer höheren Grenzziehgeschwindigkeit v_krit gezogen werden, als dies in einer Ziehanlage, in welcher der wachsende Einkristall weder von der Schmelzenoberfläche noch von den Seitenwänden des Tiegels abgeschirmt ist, möglich ist.

Wenn der den Einkristall thermisch abschirmende Schild aktiv gekühlt wird, wird der axiale Temperaturgradient im wachsen den Einkristall weiter erhöht. Demzufolge kann auch die Grenzziehgeschwindigkeit v_krit weiter angehoben werden. Zu diesem Zweck könnte die Ziehanlage beispielsweise mit einem thermischen Schild ausgestattet werden, der nach dem Vorbild der in der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 39 05 626 zum Steuern der Verweilzeit des wachsenden Einkristalls in einem bestimmten Temperaturbereich offenbarten Kühlschale gefer tigt ist.

Bei Verwendung eines den Einkristall umgebenden und ther misch abschirmenden Schilds ist es von Vorteil, wenn die Unterkante des Schilds so nahe wie möglich an die Fest/Flüssig-Phasengrenze des wachsenden Einkristalls heranreicht, ohne diese zu berühren. Wird ein Abstand Unterkante - Phasengrenze von 1 bis 200 mm, vorzugsweise 20 bis 200 mm, nicht überschritten, ist die Erhöhung des Temperaturgradienten im Bereich der Fest/Flüssig- Phasengrenze besonders effektiv.

Erfindungsgemäß wird bei gegebener Konfiguration der Ziehan lage ein Siliciumeinkristall mit einer Geschwindigkeit gezo gen, die sich nach dem axialen Temperaturgradienten des wachsenden Einkristalls richtet. Vorzugsweise wird der axiale Temperaturgradient im Bereich der Fest/Flüssig-Pha sengrenze experimentell bestimmt oder näherungsweise berech net. Die Grenzziehgeschwindigkeit v_krit läßt sich nach der empirischen Formel:

v_krit = f . G

berechnen. Für den Proportionalitätsfaktor f ist der Wert 13 . 10^-4 cm²/K . min einzusetzen. Um die Grenzziehgeschwin digkeit v_krit in der Einheit [cm/min] zu erhalten, muß der axiale Temperaturgradient G in der Einheit [K/cm] angegeben werden.

Die Formel zeigt, daß die Grenzziehgeschwindigkeit nähe rungsweise proportional zum axialen Temperaturgradienten im wachsenden Einkristall ist. Die gemäß oben genannter Formel einzustellenden Grenzziehgeschwindigkeiten liegen um bis zu 100% über den Ziehgeschwindigkeiten, die bisher angegeben wurden. Siliciumscheiben, die von Einkristallen stammen, die mit einer erfindungsgemäß ermittelten Grenzziehgeschwindig keit gezogen wurden, weisen keinen Stapelfehlerkranz auf und haben einen ausgezeichneten GOI: Die dielektrische Durch schlagsfestigkeit eines auf einer Seitenfläche einer solchen Scheibe erzeugten Oxidfilms liegt bei 100%. Demnach besitzt nahezu jeder Testpunkt auf der Oxidschicht eine geforderte Durchschlagsfestigkeit von mindestens 8 MV/cm.

Die nachfolgenden Beispiele belegen, daß durch eine über konstruktive Maßnahmen in der Ziehanlage bewirkte Erhöhung des axialen Temperaturgradienten im wachsenden Einkristall Siliciumscheiben, die ohne Stapelfehlerkranz sind und einen GOI von annähernd 100% aufweisen, mit Ziehgeschwindigkeiten gezogen werden können, die über der als bisher angesehenen Grenze von 0,5 mm/min liegen.

Beispiel 1

Ein Silicium-Einkristall mit der Orientierung <100< und einem Durchmesser von 4 Zoll wurde in einer üblichen Ziehan lage nach dem Czochralski-Ziehverfahren gezogen. Um die Grenzziehgeschwindigkeit v_krit bestimmen zu können, wurde während des Ziehens des Kristalls die Ziehgeschwindigkeit von 1,8 auf 0,6 mm/min linear abgesenkt. Als konstruktives Merkmal zur Erhöhung des axialen Temperaturgradienten im Be reich der Fest/Flüssig-Phasengrenze diente eine topfähnliche Abdeckung aus Molybdänblech als den wachsenden Einkristall thermisch abschirmender Schild. Aus dem zylinderförmigen Kristall wurde nach dessen Abkühlen axial ein brettförmiger Testkörper herausgeschnitten. Der Testkörper wurde zunächst einer Wärmebehandlung (3 h bei 780°C und 16 h bei 1000°C) und dann einer Standardätze ("Seiterätze") zum Sichtbar machen von Kristalldefekten unterzogen. Die Zuordnung der gefahrenen Ziehgeschwindigkeiten und der beobachteten Kri stalldefekte ergab, daß bei einer Grenzgeschwindigkeit von 0,6 mm/min noch kein Stapelfehlerkranz aufgetreten war.

Beispiel 2

Beim Ziehen eines Einkristalls gemäß Beispiel 1) wurde zur Erhöhung des axialen Temperaturgradienten ein den Einkri stall thermisch abschirmender Schild mit aktiver Wasserküh lung eingesetzt. Die Auswertung dieses Versuchs ergab, daß die Grenzziehgeschwindigkeit, bei der der Stapelfehlerkranz noch nicht in Erscheinung trat, auf 1,0 mm/min angestiegen war.

Beispiel 3

In der gemäß Beispiel 2) konfigurierten Ziehanlage wurde ein weiterer Einkristall gezogen, wobei während des Ziehens des Kristalls die zuvor ermittelte Grenzziehgeschwindigkeit von 1,0 mm/min konstant beibehalten wurde. Der abgekühlte Ein kristall wurde anschließend zu polierten Silicium-Scheiben weiterverarbeitet. Ein an diesen Scheiben durchgeführter Standard-Test auf GOI ergab, daß ein auf einer Scheibenober fläche erzeugter Oxidfilm an nahezu allen Meßpunkten die ge forderte dielektrische Durchlagsfestigkeit aufwies.

Beispiel 4

Nach dem Ziehen eines Einkristalls mit 6 Zoll Durchmesser unter Bedingungen wie sie in Beispiel 2) beschrieben sind ergab die anschließende Bestimmung der Grenzziehgeschwindig keit einen Wert von 0,8 mm/min.

Beispiel 5

Durch zusätzliches Schwärzen der zum Einkristall gerichteten Seitenfläche des den Einkristall thermisch abschirmenden Schilds und der damit verbundenen Verminderung der Reflexion von Wärmestrahlung konnte die Grenzziehgeschwindigkeit für einen ansonsten nach Beispiel 4) gezogenen Silicium-Kristall auf 1,0 mm/min angehoben werden.

Claims

1. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silicium, wo bei der Einkristall mit einer bestimmten Grenzziehge schwindigkeit in vertikaler Richtung zu einer in einem Tiegel gehaltenen Schmelze aus Silicium gezogen wird, da durch gekennzeichnet, daß die Ziehgeschwindigkeit auf eine Grenzziehgeschwindigkeit v_krit begrenzt wird, die sich nach der empirischen Formel
v_krit = f . G
berechnet, wobei f einen Proportionalitätsfaktor mit dem Wert 13 . 10^-4 cm²/K . min und G den axialen Temperaturgra dienten im Bereich der Fest/Flüssig-Phasengrenze des wach senden Einkristalls in der Einheit [K/cm] bedeuten und die Grenzziehgeschwindigkeit v_krit in der Einheit [cm/min] er halten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Grenzziehgeschwindigkeit der Temperaturgra dient im wachsenden Einkristall durch einen, den Einkri stall thermisch abschirmenden Schild vergrößert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Einkristall thermisch abschirmende Schild aktiv ge kühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Einkristall thermisch abschirmende Schild auf seiner zum Einkristall gerichteten Seitenfläche geschwärzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der den Einkristall thermisch abschir mende Schild mit seiner Unterkante so nahe wie möglich an die Fest/Flüssig-Phasengrenze des wachsenden Einkristalls heranreicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die thermische Geschichte des Einkri stalls durch Änderung der thermischen Abschirm- und Kühl wirkung des Schildes und der Grenzziehgeschwindigkeit va riiert wird.