DE60007066T2

DE60007066T2 - Verfahren zur herstellung eines siliziumeinkristalls damit hergestellter siliziumeinkristall und siliziumwafer

Info

Publication number: DE60007066T2
Application number: DE60007066T
Authority: DE
Inventors: Makoto Annaka-shi IIDA; Masanori Annaka-shi KIMURA; Hiroshi Annaka-shi TAKENO; Yoshinori Hayamizu
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: EP1127962A4; EP1127962A1; KR20010080345A; DE60007066D1; KR100780097B1; US6544332B1; JP4154891B2; EP1127962B1; WO2001016410A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls, wobei die Größe und Dichte des eingewachsenen Fehlers, der in dem Kristall inkorporiert ist, wenn der Slliziumeinkristall durch ein Czochralski-Verfahren (anschließend als CZ-Verfahren abgekürzt) gezüchtet wird, gesteuert werden, damit sie einen gewünschten Wert darstellen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Siliziumeinkristalle und durch das Verfahren hergestellte Siliziumwafer.
Hintergrund zum Stand der Technik
Mit einem neuesten Trend, den Integrationsgrad von Halbleiterschaltkreisen zu erhöhen, wurden Schaltkreiselemente feiner; daher werden auch die Qualitätsanforderungen für durch CZ-Verfahren hergestellte Siliziumeinkristalle, die als ein Substrat verwendet werden, strenger. Insbesondere wurde eine Reduzierung von Fehlern, die während des Einkristallwachstums erzeugt wurden, wie beispielsweise FPD (Flow Pattern Defect = Fließmusterfehler), LSTD (Laser Scattering Tomography Defect = Laserstreutomographiefehler) und COP (Crystal Originated Particle = aus Kristall stammendes Partikel), die eingewachsener Fehler genannt werden und einen Abbau der Oxiddurchschlagsspannungscharakteristiken oder Gerätecharakteristiken bewirken können, gefordert.
Wenn ein Siliziumeinkristall gezüchtet wird, wurde in letzter Zeit ein Herstellungsverfahren verwendet, in dem in dem Kristall während des Wachstums des Kristalls inkorporierte Fehler durch Ändern der Wachstumsbedingungen oder durch Einstellen der Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung unterdrückt werden, Zum Beispiel liegt eine Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler eines durch ein CZ-Verfahren gezüchteten Siliziumeinkristalls gewöhnlich im Bereich von 1150 bis 1080°C und die Größe und Dichte der eingewachsenen Fehler können gesteuert werden, damit sie gewünschte Werte durch das Erhöhen oder Vermindern einer Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen des Temperaturbereichs darstellen. Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit des Siliziumeinkristalls in der Agglomerationstemperaturzone des eingewachsenen Fehlers vermindert wird, wird eine Agglomeration von eingewachsenen Fehlern wie beispielsweise COP gefördert, mit dem Ergebnis, dass ein Siliziumeinkristall mit niedriger Kristallfehlerdichte erhalten werden kann. Wenn daher das erhaltene Siliziumeinkristall bearbeitet wird, um Wafer bereitzustellen, und der Wafer als ein Substratmaterial für ein integriertes Schaltkreisgerät verwendet wird, ist demgemäß eine Dichte von Fehlern in der Waferoberfläche bemerkenswert niedrig, so dass Geräte mit ausgezeichneten Oxiddurchschlagspannungscharakteristiken gefertigt werden können.
Obwohl es möglich ist, geringe Dichte von eingewachsenen Fehlern zu hatten, gibt es im obigen Herstellungsverfahren mittlerweile einen Nachteil, dass sich die Fehlergröße in umgekehrter Proportion zur Fehlerdichte befindet und daher die Fehlergröße größer wird, wenn die Fehlerdichte reduziert wird (Siehe Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr.10-208987). Mit der Miniaturisierung und der hohen Integration von integrierten Schaltkreisen gilt es als unerwünscht, dass Fehler mit großer Größe in einem Wafer, der als ein Substrat für integrierte Schaltkreise verwendet wird, vorhanden sind, selbst wenn die Fehlerdichte niedrig ist.
Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit eines Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler durch das Einstellen der Ziehbedingungen des Kristails oder der Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens erhöht wird, wird das Wachstum der eingewachsenen Fehler unterdrückt und die Fehlergröße selbst kann unterdrückt werden, so dass sie äußerst klein ist. Wenn die Größe der Fehler jedoch kleiner wird, tendiert die Dichte der Fehler dazu, umgekehrt größer zu sein. Falls eine Anzahl Fehler auf einem Wafer vorhanden ist, wird ein Problem hinsichtlich der Oxiddurchschlagsspannungscharakteristiken verursacht, wenn der Wafer auf integrierten Schaltkreisen bearbeitet wird. Bis jetzt wurde das Herstellungsverfahren, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Agglomerationstemperaturzone erhöht wird, daher nicht so oft angewendet.
In letzter Zeit wurde jedoch bestätigt, dass selbst in einem Siliziumwafer, in dem eingewachsene Fehler in der großen Dichte erzeugt werden, wenn eine Größe der Fehler sehr klein ist, die Fehler dadurch beseitigt werden können, indem der Wafer Wärmebehandlung ausgesetzt wird. Die Aufmerksamkeit wurde auf ein Verfahren gerichtet, in dem die Fehler in der Oberfläche eines Wafers effektiv durch das Kombinieren eines Verfahrens zum Steuern der Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler unterdrückt werden, wenn das Siliziumeinkristall mit einer Wärmebehandlung des Wafers, der durch das Bearbeiten des Kristalls erhalten wurde, gezogen wird.
Wenn Stickstoff in ein Siliziumeinkristall hinzugefügt wird, wird währenddessen eine Agglomeration von in dem Kristall während des Wachstums des Einkristalls erzeugten Fehlern weiter unterdrückt. In letzter Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, in dem eine Größe von eingewachsenen Fehlern durch genaue Steuerung einer Zeit zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone zusätzlich zum oben genannten Verfahren durch Hinzufügen von Stickstoff äußerst klein gehalten wird, und dann werden die Fehler in der Waferoberfläche durch das Aussetzen der Wafer, die von dem Einkristall zur Wärmebehandlung bearbeitet werden, beseitigt (siehe japanische Patentanmeldung Nr. 10-170629. Durch Anwenden dieses Verfahrens kann das Siliziumeinkristall durch die Agglomerationstemperaturzone mit einer hohen Geschwindigkeit während des Züchtens durchlaufen, und dadurch können die Fehler in der Waferoberfläche, ohne eine Herstellungseffizienz des Kristalls zu verringern, beseitigt werden. Folglich sind die Oxiddurchschlagsspannungscharakteristiken gut und die Fehler mit einer großen Größe kommen nicht auf dem Wafer vor, so dass der Wafer als ein Substratmaterial von hoher Qualität für integrierte Schaltkreise verwendet werden kann. Daher hat die Technik mit Bezug auf das Verfahren gegenwärtig schnelle Fortschritte gemacht.
Neueste Testergebnisse zeigen jedoch einige Fälle, in denen die Größe oder die Dichte der eingewachsenen Fehler nicht gleichmäßig reguliert werden können und die Fehlergröße dispergiert ist, zum Beispiel, selbst wenn die Fehler durch Hinzufügen von Stickstoff als Fremdstoff und genaues Einstellen der Zeit zum Durchlaufen des Kristalls in einem Temperaturbereich von 1150–1080°C, d. h. eine Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler, unterdrückt werden können und selbst wenn die Durchlaufzeit des Kristalls in dem oben genannten Temperaturbereich, d, h. eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls im Bereich von 1150–1080 °C ähnlich durch maßgebliches Ändern der Konzentration der hinzugefügten Fremdstoffe, d. h. Stickstoff, oder durch feines Einstellen einer Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens durch Ändern der warmen Zone der Ziehvorrichtung gesteuert wird. Außerdem gibt es, selbst wenn der durch Bearbeiten erhaltene Wafer der Wärmebehandlung zum Beseitigen der Fehler ausgesetzt wird, einige Fälle, in denen die Fehler verbleiben, ohne beseitigt zu werden, was ein Problem bei der Herstellung eines Wafers mit ein paar Fehlern bewirkt.
JP-10330189 (US-6042646) offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Temperaturverteilungen in Einkristallen durch Finden der Stelle der eingewachsenen Fehler und in der Annahme, dass sich diese Stelle bei einer Temperatur von 1100°C befand.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um das oben genannte Problem zu lösen, und das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen durch das CZ-Verfahren hergestelltes Siliziumeinkristall bereitzustellen, wobei die Dispergierung in der Größe und Dichte der eingewachsenen Fehler effektiv unterdrückt wird und die Qualität, ungeachtet der Vielfalt von Kristallen, einem Siliziumwafer und einem Herstellungsverfahren dafür stabilisiert wird.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß einem Czochralski-Verfahren bereit, wobei vor dem Herstellen eines Kristalls mit einer vorgegebenen Art und Konzentration von Fremdstoffen ein anderer Siliziumeinkristall mit derselben Art und Konzentration von Fremdstoffen wie der herzustellende Kristall gezüchtet wird, um dadurch eine Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler davon zu bestimmen, und dann wird auf der Basis der Temperatur eine Wachstumsbedingung des herzustellenden Kristalls oder eine Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit zum Herstellen des Siliziumeinkristalls dadurch ist.
Es gilt herkömmlich, dass eine Agglomerationstemperaturzone im Allgemeinen im Bereich von 1150 bis 1080°C liegt, wenn ein Siliziumeinkristall durch ein CZ-Verfahren gezüchtet wird. Der oben genannte Bereich entspricht jedoch einem Fall, in dem nicht alle Fremdstoffe wie beispielsweise Stickstoff in den Kristall dotiert werden. Es hat sich erwiesen, dass im Fall, wenn ein Fremdstoff mit hoher Konzentration in einen wachsenden Kristall hinzugefügt wird, die Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler leicht unter dem Einfluss von Fremdstoffen variiert, wie beispielsweise dem Hinzufügen von Stickstoff zum Unterdrücken von Fehlern, Sauerstoff, der von einem Quarzschmelztiegel geliefert wird, Bor zum Bereitstellen eines Merkmals des Halbleiters, und dergleichen. In einem als ein Produkt hergestellten Siliziumeinkristall werden diese Fremdstoffe von vorgegebener Menge normalerweise gemäß der Vielfalt der Kristalle hinzugefügt, und die Agglomerationstemperaturzone verschiebt sich auch leicht vom Bereich von 1150–1080°C in Abhängigkeit von einer Art und Konzentration der Fremdstoffe. Im Verlauf der Erforschung und Tests, hinsichtlich des Einflusses der Fremdstoffe, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung weiterhin eine Agglomerationstemperaturzone genau gemessen, wobei nicht jeder Fremdstoff hinzugefügt wird und es hat sich herausgestellt, dass die Agglomerationstemperaturzone im Bereich von 1100–1010°C lag. Im Folgenden wird dieser Temperaturbereich, wenn nicht anders angezeigt, verwendet.
Um Kristallfehler durch Hinzufügen eines Fremdstoffs und außerdem durch Anwenden einer Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler zu unterdrücken, muss demgemäß ein Einkristall nach dem genauen Bestimmen der Agglomerationstemperaturzone, die an Abhängigkeit von einer Art oder Konzentration des Fremdstoffs in dem Kristall variiert, gezüchtet werden. Um ein Siliziumeinkristall zu züchten, das zu Produktwafern mit einer stabilen Fehlergröße und -dichte bearbeitet wird, ist es daher effektiv, die folgenden Schritte vorzunehmen; vor dem Herstellen der Produkte, das Durchführen eines Wachstumstests des Siliziumeinkristalls im voraus einschließlich der gleichen Fremdstoffe wie der herzustellende Kristall, Erforschen der Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler davon, das Festlegen der richtigen Bedingungen für das Wachstum des Einkristalls oder der Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens der Ziehvorrichtung und dann das Herstellen des Siliziumeinkristalls. Gemäß dieser Schritte ist es möglich, die Abkühlungsgeschwindigkeit in der vorgesehenen Agglomerationstemperaturzone genau zu halten, so dass die Größe und Dichte der eingewachsenen Fehler genau gesteuert werden können, bis sie gewünschte Werte mit Genauigkeit darstellen.
In diesem Fall kann die Art und Konzentration der Fremdstoffe zumindest Stickstoff und eine Konzentration davon sein.
Die Agglomerationstemperaturzone variiert leicht in Abhängigkeit von der Art des Fremdstoffs und der Konzentration davon und die Testergebnisse zeigen, dass, wenn Stickstoff dotiert wird, der Einfluss der Fremdstoffe sehr maßgeblich ist. Um zumindest die Größe und Dichte der eingewachsenen Fehler im mit Stickstoff dotierten Kristall zu steuern, ist es deshalb wünschenswert, einen Test zum Bestimmen einer Änderung der Agglomerationstemperaturzone durchzuführen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls, in dem Stickstoff als Fremdstoff hinzugefügt wird, bereitgestellt, wobei eine von Agglomerationstemperaturzone eingewachsener Fehler des Kristalls, in dem die Stickstoffkonzentration im Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10¹³/cm³ liegt, angenommen wird, dass sie sich um –50°C an der Temperaturobergrenze bzw. um –20°C an der Temperaturuntergrenze von einer Agglomerationstemperaturzone in einem Fall, in dem kein Stickstoff hinzugefügt wird, verschiebt, und dann eine Wachstumsbedingung des herzustellenden Kristalls oder eine Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt wird, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit zum Herstellen des Siliziumeinkristalls dadurch ist.
Wenn, wie oben erwähnt, Stickstoff als Fremdstoff hinzugefügt wird, so lange wie die Konzentration von Stickstoff im Siliziumeinkristall im Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10³/cm³ liegt, wenn von der Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler zu diesem Zeitpunkt angenommen wird, dass sie ein Bereich ist, in dem die Temperaturobergrenze um –50°C bzw. die Temperaturuntergrenze um –20°C von einer Agglomerationstemperaturzone eines Siliziumeinkristalls ohne mit Stickstoff (1100–1010°C) dotiert zu sein, nämlich ein Bereich von 1050–990°C verschoben ist, und dann der Siliziumeinkristall gezüchtet wird, kann der ähnliche Effekt, der die Fehler unterdrückt, erhalten werden.
Das heißt, so lange wie die Stickstoffkonzentration im oben genannten Bereich liegt, wenn angenommen wird, dass sich die Temperaturobergrenze um –50°C bzw. die Temperaturuntergrenze um –20°C von der Agglomerationstemperaturzone, ohne dass Stickstoff dotiert wird, verschieben, und dann die Herstellungsbedingungen des Siliziumeinkristalls und die Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung gesetzt werden, ist der Fehler innerhalb eines zulässigen Bereichs, um die eingewachsenen Fehler zu unterdrücken und beeinflusst die Größen- und Dichteverteilung der Fehler nicht maßgeblich. Wenn ein derartiger ungefährer Bereich festgesetzt wird, ist es nicht notwendig, Wachstumstests zum Bestimmen der Agglomerationstemperaturzone gemäß einer Konzentration von Fremdstoffen im Siliziumeinkristall vor dem Herstellen der Produkte durchzuführen. Daher wird es möglich, Siliziumeinkristalle effektiv herzustellen, was zu einer Erhöhung hinsichtlich der Produktivität und des Ertrags und zu einer Verbesserung hinsichtlich der Qualität und Kosten führt.
In dem vorher erwähnten Herstellungsverfahren ist die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler vorzugsweise 1,6°C/min oder mehr.
Wie oben beschrieben kann, wenn der Fremdstoff in ein Siliziumeinkristall hinzugefügt wird, wenn die Ziehbedingung oder Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt sind, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone schnell gesteuert wird, d. h. durchschnittlich 1,6°C/min oder mehr, der Kristall, dessen Fehlergröße nicht weitgehend dispergiert ist, gezüchtet werden. Falls zum Beispiel der Stickstoff als Fremdstoff dotiert wird und seine Konzentration im Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10¹³/cm³ liegt, kann der Kristall, dessen Fehlergröße nicht weitgehend dispergiert ist und der durchschnittlich einheitlich 60 nm oder weniger beträgt, gezüchtet werden. Wenn, wie oben erwähnt, die Größe der Kristallfehler klein ist und nicht weitgehend dispergiert ist, selbst wenn die Fehlerdichte eines durch Bearbeiten erhaltenen Wafers gross ist, können die Fehler dadurch beseitigt werden, dass der Wafer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, so dass Wafer mit hoher Qualität hergestellt werden können. Außerdem, selbst wenn die Fehler nicht beseitigt sind und noch in der Oberflächenschicht des Wafers verbleiben, ist die Fehlergröße äußerst klein und deshalb haben die Fehler kaum einen nachteiligen Einfluss auf die Merkmale des auf dem Wafer hergestellten integrierten Schaltkreis.
Ferner ist die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Aggiomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler vorzugsweise 1,0°C/min oder weniger.
Wie oben beschrieben ist es möglich, wenn der Fremdstoff in ein Siliziumeinkristall hinzugefügt wird, wenn die Ziehbedingung oder Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens der Ziehvorrichtung so gesetzt sind, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone langsam gesteuert wird, d. h. durchschnittlich 1,0°C/min oder weniger, und dann der Siliziumeinkristall gezüchtet wird, selbst wenn ein Fremdstoff etc. darin dotiert wird, Wafer durch Bearbeiten des Siliziumeinkristalls, dessen Fehlerdichte äußerst niedrig ist, zu erhalten.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß des oben erwähnten ersten und zweiten Aspekts der Erfindung bereitgestellt, wobei eine LSTD-Dichte 500 Anzahl/cm² oder mehr beträgt, bevor er der Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
In einem Kristall mit einer sehr hohen Fehlerdichte, in dem eine LSTD-Dichte 500 Anzahl/cm² oder mehr beträgt, ist eine Größe des Fehlers selbst sehr klein wie etwa durchschnittlich (zahlenmäßiger Durchschnitt) 70 nm oder weniger, selbst wenn die Dichte der Fehler in dem Kristall groß ist. Indem durch Bearbeiten des Siliziumeinkristalls erhaltene Wafer einer bestimmten Wärmebehandlung ausgesetzt werden, können deshalb die Fehler leicht beseitigt werden. Besonders durch das Halten der Abkühlungsgeschwindigkeit des Siliziumeinkristalls in der Agglomerationstemperaturzone, um genau während des Wachstums zu sein, wie in der vorliegenden Erfindung durchgeführt, ist es möglich, so fange wie die Art und Konzentration der Fremdstoffe fast gleich ist, die Fehlergröße fast gleich einer kleinen Dispergierung zu machen. Wenn die Wärmebehandlung zum Beseitigen der Fehler ausgeführt ist, können folglich weitere Effekte der Beseitigung der Fehler erhalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines aus dem oben erwähnten Siliziumeinkristall hergestellten Siliziumwafers bereitgestellt, wobei der Wafer der Wärmebehandlung in einer Atmosphäre nichtoxidierenden Gases ausgesetzt war.
Diese Wärmebehandlung zum Beseitigen der Kristallfehler wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre wie beispielsweise Wasserstoff, Argon oder gemischtem Gas von beiden wünschenswert ausgeführt. Die Bedingung der Wärmebehandlung zu diesem Zeitpunkt ist nicht besonders begrenzt, so lange wie die Fehler unter der Bedingung beseitigt werden. Jedoch ist die Wärmebehandlung bei ungefähr 1200°C eine Stunde lang oder bei 1150°C zwei Stunden lang effektiv. Wenn die Bedingungen für die Wärmebehandlung ausgewählt werden, wird die Zeit für das Durchlaufen einer gewünschten Agglomerationstemperaturzone ferner bestimmt, um dadurch einen Kristall zu züchten, und dann können die Bedingungen der Wärmebehandlung, die einer Größe von in dem Kristall erzeugten Fehlern entspricht, ausgewählt werden.
Wenn eine Agglomerationstemperaturzone der Kristallfehler, die sich in Abhängigkeit von einer Art und Konzentration von hinzugefügten Fremdstoffen ändert, vorher bestimmt wird, und dann, auf der Basis der Temperatur die Wachstumsbedingungen eines Siliziumeinkristalls oder die Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt werden, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit ist und das Siliziumeinkristall gezüchtet wird, kann, wie oben erklärt, eine Größe und Dichte der Kristallfehler, genannt eingewachsener Fehler, die in der Oberflächenschicht des Siliziumwafers vorkommen, auf die gewünschten Werte ohne Dispergierung gesteuert werden, und zusätzlich kann die Erhöhung hinsichtlich der Produktivität und des Ertrags und die Verbesserung hinsichtlich der Qualität und der Kosten erreicht werden.
Kurze Erklärung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Ansicht einer Größe und Position einer Agglomerationstemperaturzone der Kristallfehler in einem Siliziumeinkristall; (a) ein Fall, indem Stickstoff nicht dotiert ist und (b) ein Fall, in dem Stickstoff dotiert ist.
2 ist eine erläuternde Ansicht eines Effekts der Wärmebehandlung für einen Siliziumwafer, der gemäß des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung erhalten wurde: (a) Verteilung der LSTD vor der Wärmebehandlung und (b) Verteilung der LSTD nach der Wärmebehandlung.
Beste Art zur Durchführung der Erfindung
Hiernach wird die vorliegende Erfindung im Detail erklärt werden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zuerst werden die Begriffe, die hier auftreten, besonders die Hauptbegriffe, mit Bezug auf den eingewachsenen Fehler beschrieben werden.
(1) FPD (Fließmusterfehler) bezeichnet Fließmuster, welche zusammen mit Grübchen in der Oberfläche eines Wafers erzeugt werden, welcher von einem gezüchteten Siliziumeinkristallblock abgeschnitten wird und durch folgende Schritte behandelt wird: Entfernen einer beschädigten Schicht von dem Oberfläuchenabschnitt des Wafers durch Ätzen mit einer. Mischlösung aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure; und Ätzen der Waferoberfläche mit einer Mischlösung aus K₂Cr₂O₇, Fluorwasserstoffsäure und Wasser (Secco-Ätzen). Wenn die FPD-Dichte im Waferoberflächenabschnitt zunimmt, erhöht sich die Ausfallrate hinsichtlich der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit der Oxidschicht (Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 4-192345).
(2) LSTD (Laserstreutomographiefehler) bezeichnet einen in einem Wafer existierenden Fehler und das Licht, das aufgrund des Fehlers gestreut wird, kann folgendermaßen erfaßt werden. Indem ein Wafer von einem gezüchteten Siliziumeinkristallblock abgeschnitten und anschließend durch folgende Schritte behandelt wird: Entfernen einer beschädigten Schicht von dem Oberflächenabschnitt des Wafers durch Ätzen mit einer Mischlösung aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure; und Spalten des Wafers. Wenn Infrarotlicht durch die Spaltungsebene auf den Wafer gerichtet wird und das von der Waferoberfläche ausgehende Licht erfaßt wird, kann Licht, das auf Grund der in dem Wafer existierenden Fehler gestreut wird, erfasst werden. Über den bei dieser Beobachtung erfassten Streufehler wurde bereits bei einen Versammlung einer akademischen Gesellschaft oder dergleichen berichtet und es wird angenommen, dass er ein Präzipitat ist (J.J.A.P. Band 32, S. 3679, 1993). Gemäß neusten Forschungsarbeiten erweist sich LSTD als ein oktaedrischer Hohlraum.
Um die Fehler in der Oberflächenschicht eines Wafers zu beobachten, wurde in letzter Zeit ein anderes Verfahren entwickelt. In diesem Verfahren wird der Infrarotlichtlaser schräg auf einen Wafer, auf dem hochglanzpoliertes oder Epitaxialwachstum durchgeführt wurde, gerichtet, und ein Licht, das auf Grund der Fehler gestreut wird, wird entlang der vertikal zum Wafer liegenden Richtung durch die Verwendung von Fernsehkameras gemessen und analysiert. Durch Anwenden dieses Verfahrens wurde es möglich, die Fehler, die in der äußersten Oberflächenschicht von einigen Mikronen mit zerstörungsfreier Begutachtung vorhanden sind, einzuschätzen. In diesem Fall wird die Fehlerdichte ferner oft als [Anzahl/cm²], d. h. die Anzahl der Fehler pro Einheitsbereich, dargestellt.
(3) COP (aus Kristall stammendes Partikel) bezeichnet einen Fehler, der die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Oxidfilms an einem zentralen Abschnitt eines Wafers beeinträchtigt und der sich bei der Behandlung durch Secco-Ätzen als FPD erweist, sich aber bei der Reinigung in SC-1 (Reinigung unter Verwendung einer wässrigen Mischlösung aus Ammoniak, Wasserstoffperoxid im Verhältnis von zum Beispiel NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:10), das als ein selektives Ätzmittel dient, als COP erweist. Das Grübchen weist einen Durchmesser von nicht mehr als 1 μm auf und wird durch ein Lichtstreuverfahren untersucht.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung hatten angenommen, dass, wenn ein Siliziumeinkristall durch das CZ-Verfahren gezüchtet wird, eine Agglomerationstemperaturzone der in dem Kristall erzeugten eingewachsenen Fehler nicht durch die Qualität des Kristalls, d. h. in dem Einkristall eingeschlossene Fremdstoffe und dergleichen, beeinflusst wird, und ist konstant. Das heißt, es wurde angenommen, dass während des Wachstums des Einkristalls durch das CZ-Verfahren eine Fehlergröße sich nicht auf den Fremdstoff in dem Kristall bezieht und fast gleich gemäß der Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls im Bereich von 1100–1010°C eingestellt wird. Die Erfinder studierten und untersuchten jedoch einen Fehler unterdrückenden Effekt durch Ändern der Konzentration an Fremdstoffen, besonders Stickstoff, die in dem Kristall enthalten sind, und einen Fehler unterdrückenden Effekt durch Ändern der Abkühlungsgeschwindigkeit In der Agglomerationstemperaturzone. Folglich hat sich erwiesen, dass, gemäß der Dotierungsmenge von Fremdstoffen im Kristall, selbst wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Agglomerationstemperaturzone von 1100–1010°C gleich gesetzt ist, auf Grund der Unterschiede in anderen Ziehbedingungen, der warmen Zone oder dergleichen, der Unterdrückungseffekt, wie erwartet, hinsichtlich der Größe der eingewachsenen Fehler, die im Einkristall gebildet wurden, nicht erhalten werden kann, und die Größe wird dispergiert. Anschließend führten die Erfinder Studien und Untersuchungen durch, um die Ursache zu finden. Folglich hat sich erwiesen, dass sich die Agglomerationstemperaturzone von 1100–1010°C gemäß der Art und Dotierungsmenge der in den Kristall hinzugefügten Fremdstoffe, verschob. Die Erfinder fanden heraus, dass, wenn die genaue Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls, andere Ziehbedingungen, die warme Zone oder dergleichen, die der verschobenen Agglomerationstemperaturzone entspricht, bestimmt wird, um dadurch das Siliziumeinkristall zu züchten, die Dispergierung in Größe und Dichte der eingewachsenen Fehler unterdrückt werden kann. Daher haben sie die vorliegende Erfindung ausgeführt, indem sie verschiedene Bedingungen herausgefunden haben.
Im Allgemeinen wurde die Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler herkömmlich als 1150–1080°C und als festgesetzt angesehen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch herausgefunden, dass die Agglomerationstemperaturzone der Fehler in Abhängigkeit der Fremdstoffe (Sauerstoff, Stickstoff, Bor, Phosphor, etc.), die der Kristall umfaßt, besonders die Stickstoffdotierungsmenge, leicht variiert.
Im Verlauf der Erforschung und Untersuchung des Einflusses der Fremdstoffe, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ferner die Agglomerationstemperaturzone des Kristalls, in dem beliebige Fremdstoffe nicht hinzugefügt werden, genau gemessen. Wie in dem folgenden Testergebnis gezeigt, hat sich erwiesen, dass der Temperaturbereich von 1100–1010°C ein akkurater Wert wie die Agglomerationstemperaturzone war.
Demgemäß, wenn vor der Herstellung eines Siliziumeinkristalls mit einer vorgegebenen Art und Konzentration von Fremdstoffen, ein Siliziumeinkristall mit der gleichen Art und Konzentration von Fremdstoffen wie der herzustellende Kristall gezüchtet wird, um dadurch eine Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler daraus zu bestimmen, wird dann auf der Basis der Temperatur die Wachstumsbedingung des herzustellenden Kristalls oder die Temperaturverteilung innerhalb des Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit ist und das Siliziumeinkristall gezüchtet wird, es wird möglich, die gewünschte Fehlergröße und -dichte genau zu erhalten, so dass Produkte mit einer kleinen Dispergierung hergestellt werden können.
Als nächstes wird die Erforschung und Untersuchung der Agglomerationstemperaturzone in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Als ein Ablauf zum Bestimmen einer Agglomerationstemperaturzone werden „Experiment des plötzlichen Änderns der Ziehgeschwindigkeit", „Test des Trennens des Kristalls von der Schmelze im Verlauf des Züchtens und des schnellen Abkühlens" oder dergleichen erwähnt, in denen die gleiche Menge an Fremdstoffen wie Produkten in einen Einkristall dotiert wird und dann die Ziehgeschwindigkeit plötzlich geändert wird.
(Test 1) (Bestimmung der normalen Agglomerationstemperaturzone (ohne Hinzufügen von Stickstoff)]
Durch die Verwendung einen allgemeinen Einkristallziehvorrichtung für das CZ-Verfahren wurden 50 kg polykristallines Material Silizium in einen Quarztigel mit einem Durchmesser von 45 cm (18 Inch) geladen, ein Siliziumeinkristallblock des p-Typs mit einem Durchmesser von 15 cm (6 Inch), Ausrichtung <100>, ein Widerstand von 10 Ωcm und eine Sauerstoffkonzentration von 15 ppma (JEIDA: Japan Electronic Industry Development Association Standard) wurde ohne Stickstoffdotierung gezogen, während die Ziehgeschwindigkeit auf 1,0/min, bis die Länge des Kristallkörpers 50 cm wurde, gesteuert wurde und danach das Kristallziehen bei einen Geschwindigkeit von 0,4/min, bis die Länge des Kristallkörpers 80 cm wurde, fortgesetzt wurde. Wenn die Länge des Kristallkörpers 80 cm wurde, wurde ein Endabschnitt gebildet, und schließlich wurde ein Kristallblock von 42 kg erhalten.
Wafer wurden vom so erhaltenen Einkristallblock mit einer Drahtsäge geschnitten und dem Abschrägen, Läppen, Ätzen und Hochglanzpolieren ausgesetzt. Die Silizumwafer mit einem Durchmesser von 15 cm (6 Inch) wurden hergestellt. Die Wafer wurden Secco-Ätzen ausgesetzt, und die Grubendichte wurde durch Beobachten der Oberfläche davon mit einem Mikroskop gemessen, um eine Dichte der eingewachsenen Fehler als FPD zu bestimmen.
FPD-Dichteverteilung entlang der Kristallwachstumsachsenrichtung wird in 1(a) gezeigt, 1(a) zeigt, dass sich die FPD-Dichte an einer Position von ungefähr 38–41,5 cm von einem Schulterabschnitt des Kristalls, der 0 cm sein soll, weitgehend ändert. Basierend auf diesem Ergebnis wurde eine Temperaturverteilung entlang der Kristallachsenrichtung genau nach dem Ändern der Kristallziehgeschwindigkeit unter Verwendung einer Wärmeanalysesimulation, wie beispielsweise globale Wärmeübertragungsanalysesoftware FEMAG (F. Dupret, P. Nicodeme, Y. Ryckmans, P. Wouters und M. J. Crochet, Int. J. Heat Mass Transfer, 33, 1849 (1990)) berechnet. Folglich hat sich erwiesen, dass die Agglomerationstemperaturzone ohne Stickstoffdotierung 1100–1010°C beträgt (Herkömmlich gab es eine akzeptierte Theorie, dass die Agglomerationstemperaturzone 1150–1080°C beträgt). Der Wert der FPD-Dichte in 1 ist ein Durchschnitt von 3 Punkten, ein Umfangsabschnitt des Wafers (ein Punkt bei einem Abstand von 10 mm vom Umfang entlang der radialen Richtung), ein Punkt bei einem Abstand von R/2 vom Zentrum (R: Radius des Wafers) und das Zentrum des Wafers.
(Test 2) [Messen der Agglomerationstemperaturzone unter Hinzufügen von Stickstoff]
Ein Einkristallblock wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Test 1 gezogen, außer dass die Dotierungsmenge von Stickstoff 1,6 × 10¹³/cm³ beträgt.
Hochglanzpolierte Siliziumwafer wurden aus dem so erhaltenen Einkristallblock gemäß der gleichen Art und Weise wie in Test 1 hergestellt. Die FPD-Dichteverteilung, wie in 1(b) gezeigt, wurde erhalten. Folglich wurde bestätigt, dass eine Agglomerationstemperaturzone unter Hinzufügen von Stickstoff 1050–990°C betrug und durch Hinzufügen von Fremdstoffen, besonders Stickstoff, änderte sich die Agglomerationstemperaturzone maßgeblich. Wie verglichen mit dem Fall, in dem Stickstoff nicht hinzugefügt wurde, (Test 1: 1100–1010°C) war das Ergebnis, dass die Temperaturobergrenze um –50°C bzw. die Temperaturuntergrenze um –20°C verschoben wurde.
Eine Agglomerationstemperaturzone, in der die Dotierungsmenge von Stickstoff über einen Bereich zwischen 0,1 × 10¹³/cm³ and 8,0 × 10¹³/cm³ variiert wurde, wurde auch bestimmt. Das Ergebnis war, dass die Agglomerationstemperaturzone ungefähr im Bereich von 1050–990°C lag.
Als Ergebnis des Angebens von Stickstoff als Fremdstoff hat es sich, wie oben erwähnt, erwiesen, dass die Agglomerationstemperaturzone ohne Stickstoffdotierung 1100–1010°C beträgt, während die Agglomerationstemperaturzone des mit Stickstoff dotierten Kristalls im Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10¹³/cm³ zur Temperaturuntergrenze von 1050–990 °C verschoben wird.
In einem Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls, in dem Stickstoff als Fremdstoff hinzugefügt wird, wenn eine Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler des Kristalls, in dem die Stickstoffkonzentration in dem Bereich 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10¹³/cm³ liegt, angenommen wird, dass sie sich um –50°C an der Temperaturobergrenze bzw. um –20°C an der Temperaturuntergrenze von einer Agglomerationstemperaturzone in dem Fall, dass Stickstoff nicht hinzugefügt wurde, verschiebt, wird demgemäß die Wachstumsbedingung des herzustellenden Kristalls oder die Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit wird, und der Siliziumeinkristall gezüchtet wird, wird es möglich, einen Einkristall mit einer kleinen Dispergierung in Größe und Dichte der Fehler zu züchten und außerdem wird es möglich, die Produktivität und den Ertrag zu erhöhen und die Qualität und die Kosten zu verbessern.
In dem Fall, in dem eine Dichte von Stickstoff mehr als 8,0 × 10¹³/cm³ beträgt, wird ferner von einer Agglomerationstemperaturzone von eingewachsenen Fehlern erwartet, dass sie sich weiter zur untere Temperaturzone verschiebt. In diesem Fall, gemäß der vorliegenden Erfindung, kann jedoch auch ein Siliziumeinkristall mit gewünschter Stickstoffkonzentration im Voraus gezüchtet werden, um dadurch die Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler zu bestimmen, dann kann auf der Basis der Temperatur die Wachstumsbedingung des Siliziumeinkristalls oder die Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung, so gesetzt werden, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit ist, und dann kann der Siliziumeinkristall hergestellt werden.
Ferner kann, wenn der Fremdstoff in ein Siliziumeinkristall hinzugefügt wird, wenn die Ziehbedingung oder Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt sind, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone gesteuert ist, um schnell zu sein, d. h. durchschnittlich 1,6°C/min oder mehr, der Kristall, dessen Fehlergröße nicht weitgehend dispergiert ist, gezüchtet werden. Falls zum Beispiel Stickstoff als Fremdstoff dotiert wird, und seine Konzentration im Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10¹³/cm³ liegt, kann der Kristall, dessen Fehlergröße nicht weitgehend dispergiert ist und der durchschnittlich einheitlich 60 nm oder weniger beträgt, gezüchtet werden. Wenn die Größe der Kristallfehler klein ist und nicht weitgehend dispergiert ist, wie oben erwähnt, selbst wenn die Fehlerdichte eines durch Bearbeitung erhaltenen Wafers gross ist, können die Fehler dadurch beseitigt werden, dass der Wafer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, so dass Wafer mit hoher Qualität hergestellt werden können. Selbst wenn die Fehler nicht beseitigt sind und noch in der Oberflächenschicht des Wafers verbleiben, ist außerdem die Fehlergröße äußerst klein und deshalb haben die Fehler kaum einen nachteiligen Einfluss auf die Merkmale des auf dem Wafer hergestellten integrierten Schaltkreis.
Zudem ist es möglich, wenn der Fremdstoff in ein Siliziumeinkristall hinzugefügt wird, wenn die Ziehbedingung oder Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung eingestellt sind, so dass die Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone gesteuert ist, um langsam zu sein, d. h. durchschnittlich 1,0°C/min oder weniger und dann der Siliziumeinkristall gezüchtet wird, selbst wenn ein Fremdstoff etc. darin dotiert wird, Wafer au erhalten, die von dem Siliziumeinkristall, dessen Fehlerdichte groß ist, aber die Fehlerdichte äußerst niedrig ist und die Oxiddurchschlagsspannungscharakteristiken gut sind, bearbeitet wurden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, gemäß des oben erwähnten Herstellungsverfahrens, ein Siliziumeinkristall bereitgestellt, wobei eine LSTD-Dichte 500 Anzahl/cm² oder mehr ist, bevor es Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
In einem Kristall, in dem eine Fehlerdichte sehr gross ist, z. B. beträgt eine LSTD-Dichte 500 Anzahl/cm² oder mehr, ist eine Größe des Fehlers selbst sehr klein, wie 75 nm oder weniger, selbst wenn die Dichte der Fehler im Kristall gross ist. Indem Wafer, die vom Siliziumeinkristall bearbeitet wurden, einer bestimmten Wärmebehandlung ausgesetzt werden, können daher die Fehler beseitigt werden. Besonders durch das Halten der Abkühlungsgeschwindigkeit des Siliziumeinkristalls in der Agglomerationstemperaturzone, um eine genaue Geschwindigkeit während des Wachstums darzustellen, wie in der vorliegenden Erfindung durchgeführt, ist es möglich, so lange wie die Art und Konzentration der Fremdstoffe fast gleich ist, die Fehlergröße fast gleich einer kleinen Dispergierung zu machen. Wenn die Wärmebehandlung zum Beseitigen der Fehler ausgeführt ist, können folglich weitere Effekte der Beseitigung der Fehler erhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Siliziumwafer bereitgestellt, der aus dem oben erwähnten Siliziumeinkristall hergestellt wird, wobei der Wafer der Wärmebehandlung in einer Atmosphäre von nichtoxidierendem Gas ausgesetzt war.
Diese Wärmebehandlung zum Beseitigen der Kristallfehler wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre wie beispielsweise Wasserstoff, Argon oder gemischtem Gas von beiden wünschenswert ausgeführt. Die Bedingungen der Wärmebehandlung zu diesem Zeitpunkt sind nicht besonders begrenzt, so lange wie die Fehler unter der Bedingung beseitigt sind. Jedoch ist die Wärmebehandlung bei ungefähr 1200°C eine Stunde Bang oder bei 150°C zwei Stunden lang effektiv. Um die Bedingungen für die Wärmebehandlung auszuwählen, wird die Zeit für das Durchlaufen einer gewünschten Agglomerationstemperaturzone ferner bestimmt, um dadurch einen Kristall zu züchten, und dann können die Bedingungen der Wärmebehandlung, die einer Größe von in dem Kristall erzeugten Fehlern entspricht, ausgewählt werden.
In der vorliegenden Erfindung kann ein mit Fremdstoffen dotiertes Siliziumeinkristall, zum Beispiel Stickstoff, durch das CZ-Verfahren gemäß dem bekannten Verfahren, wie zum Beispiel in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 60-251190 offenbart, gezüchtet werden.
In dem CZ-Verfahren, das das Berühren eines Impfkristalls mit einer Schmelze des polykristallinen Silizium-Rohmaterials, das in einem Quarztiegel enthalten ist, und dessen Ziehen mit Drehen, um einen Siliziumeinkristallblock mit einem beabsichtigten Durchmesser au züchten, beinhaltet, kann Stickstoff nämlich durch vorhergehendes Platzieren von Nitrid in den Quarztiegel in einen Siliziumeinkristall dotiert werden, indem Nitrid in die Siliziumschmelze gegeben wird oder unter Verwendung eines Atmosphärengases, das Stickstoff enthält. Eine Dotierungsmenge in dem Kristall kann durch das Steuern einer Menge Nitrid oder der Konzentration oder Zeit der Einführung des Stickstoffgases gesteuert werden. Daher kann die Stickstoffkonzentration leicht in dem oben erwähnten Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10³/cm³ gesteuert werden.
Wie oben beschrieben kann die Erzeugung der Kristallfehler, die während des Wachstums des Kristalls eingeführt werden, durch Dotieren von Stickstoff unterdrückt werden, während ein Einkristall durch das CZ-Verfahren gezüchtet wird. Weiterhin ist es wichtig, eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in einem Temperaturbereich von 1050–990°C einzustellen, d. h. eine Agglomerationstemperaturzone mit Stickstoffdotierung auf eine hohe Geschwindigkeit wie 1,6°C/min oder mehr oder eine niedrige Geschwindigkeit wie 1,0°C/min oder weniger. Um eine derartige Bedingung für das Produzieren eines Kristalls zu erfüllen, kann eine Vorrichtung zum Abkühlen des Kristalls in einer gewünschten Geschwindigkeit des Abkühlens von 1050°C bis 990°C in einer Kammer einer Vorrichtung zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls durch das CZ-Verfahren bereitgestellt werden. Eine derartige Vorrichtung kann eine Vorrichtung sein, die einen Kristall durch Aufsprühen eines Abkühlgases darauf abkühlen kann oder die mit einem Wasser gekühlten Ring bereitgestellt ist, um einen Kristall an einer vorgegebenen Position über der Schmelze zu umgeben. Als Alternative dazu gibt es eine andere Technik zum Entwerfen einer Struktur einer so genannten warmen Zone, so dass ein Wärmeisolationsmaterial oder eine Wärmeabschirmungstafel bereitgestellt wird, um einen Kristall zu umgeben, um durch Ändern seiner Position ein Temperaturgefälle festzulegen. In diesem Fall kann die Abkühlungsgeschwindigkeit durch Steuern der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls in einem gewünschten Bereich gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung wird als nächstes insbesondere durch Beispiele und Vergleichsbeispiele erklärt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Beispiel 1)
Wenn Stickstoff als Fremdstoff dotiert wird, wurde ein Siliziumeinkristall in einer Absicht gezüchtet, Siliziumwafer, bei denen die Fehlergröße gleichmäßig bei ungefähr 60 nm ist und nicht weitgehend dispergiert, herzustellen.
Als ein Vortest wurde zuerst ein Siliziumeinkristall mit der gleichen Art und Konzentration der Fremdstoffe wie ein herzustellendes Siliziumeinkristall gezüchtet, um dadurch eine Agglomerationstemperaturzone der eingewachsenen Fehler davon zu bestimmen. Ein Einkristallblock wurde unter den gleichen Bedingungen und Verfahren wie die in dem vorher erwähnten Test 1 verwendeten, gezogen, außer dass die Dotierungsmenge des Stickstoffs 1,6 × 10¹³/cm³ ist.
Hochglanzpolierte Siliziumwafer wurden aus dem so erhaltenen Einkristallblock gemäß der gleichen Art und Weise wie in Test 1 hergestellt. Die FPD-Dichteverteilung, wie in 1(b) gezeigt, wurde in der Kristallachsenrichtung erhalten. Als ein Ergebnis wurde bestätigt, dass eine Agglomerationstemperaturzone unter Hinzufügen von Stickstoff 1050–990°C betrug und durch Hinzufügen von Fremdstoffen, besonders Stickstoff, änderte sich die Agglomerationstemperaturzone maßgeblich. Verglichen mit dem Fall, bei dem kein Stickstoff hinzugefügt wurde (Test 1: 1100–1010°C) war das Ergebnis, dass die Temperaturobergrenze um –50°C bzw. die Temperaturuntergrenze um –20°C verschoben wurde.
Als nächstes wurde auf der Basis der oben genannten Agglomerationstemperaturzone die Wachstumsbedingung des Siliziumeinkristalls oder die Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit ist, und dann wurde das Siliziumeinkristall gezüchtet.
Durch die Verwendung einer Einkristallziehvorrichtung durch das CZ-Verfahren, dessen Ofen eine warme Zonenstruktur aufweist, die an das schnelle Abkühlen (als "A-Typ" bezeichnet) angepasst ist, wurden 50 kg polykristallines Material Silizium in einen Quarztiegel mit einem Durchmesser von 18 Inch geladen, ein Siliziumeinkristallblock des p-Typs mit einem Durchmesser von 15 cm (6 Inch), Ausrichtung <100>, ein Widerstand von 10 Ωcm und eine Sauerstoffkonzentration von 15 ppma (JEIDA: Japan Electronic Industry Development Association standard) wurde mit Dotieren von Stickstoff von 1,6 × 10¹³/cm³ bei einer Ziehgeschwindigkeit von 1,0/min gezüchtet.
Das Züchten des Einkristallblocks wurde unter Bedingungen durchgeführt, so dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit in der Agglomerationstemperaturzone von 1050–990°C 1,6°C/min betrug.
Wafer wurden vom so erhaltenen Einkristallblock mit einer Drahtsäge geschnitten und dem Abschrägen, Läppen, Ätzen und Hochglanzpolieren ausgesetzt. Die Silizumwafer mit einem Durchmesser von 15 cm (6 Inch) wurden hergestellt.
Der Siliziumeinkristallwafer wurde durch Beobachten der Oberfläche davon mit einem Durchstrahlungselektronenmikroskop (TEM) gemessen, um eine Größe der Fehler, die in der Oberfläche des Wafers vorhanden sind, zu bestimmen. Folglich lag die Fehlergröße durchschnittlich bei ungefähr 60 nm, was erweist, dass die Fehlergröße durch richtiges Einstellen des Stickstoffdotierungseffekts und der Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone reduziert wird.
Weiterhin wurde der Wafer einer Wärmebehandlung zum Beseitigen von Fehlern (bei 1200 °C eine Stunde lang, in einer Atmosphäre von Argongas) ausgesetzt und die Oberfläche des Wafers wurde beobachtet. Folglich konnten die meisten Fehler beseitigt werden. Die Testbedingungen und -ergebnisse werden zusammen in Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, kann die Größe und Dichte der Fehler auf gewünschte Werte gesteuert werden, wenn eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone von 1050–990°C gesteuert wird, in der die Temperaturobergrenze der Agglomerationstemperaturzone mit Stickstoffdotierung um –50°C bzw. die Temperaturuntergrenze um –20°C verschoben wird. Tabelle 1
[Hinweis]

➀ Agglomerationstemperaturzone des Fehlers ohne Hinzufügen von Fremdstoffen ➁ Agglomerationstemperaturzone des Fehlers unter Hinzufügen von Stickstoff als Fremdstoff

Beispiel 2
Ein Einkristallblock wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gezüchtet, außer dass eine Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung durch Ändern der warmen Zone darin geändert wurde und dadurch eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der angenommene Aglomerationstemperaturzone, d. h. 1050–990°C ferner so schnell wie 2,0°C/min (B type) wurde.
Folglich kann eine Größe von Kristallfehlern durch das Erhöhen der Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone unter Hinzufügen von Stickstoff gesteuert werden, damit sie kleiner wird. Da die Größe der Kristallfehler durchschnittlich auf 52 nm vermindert werden könnte, wird es ferner möglich, fast völlig die Fehler zu beseitigen, indem der Wafer Wärmebehandlung ausgesetzt wird. Die Testbedingungen und -ergebnisse werden zusammen in Tabelle 1 gezeigt.
Bislang wurde nur die Fehlergröße als Gegenstand beschrieben. Die Größe der eingewachsenen Fehler tendiert dazu, in umgekehrter Proportion zur Fehlerdichte zu sein. Auf dieser Grundlage wurden die in Beispiel 2 erhaltenen eingewachsenen Fehler in dem Wafer, die als LSTD mit einer LSTD-Sonnen (MO-601, hergestellt von Mitsui Mining And Smelting Company, Limited) beobachtet werden, unter der Bedingung, dass die Fehlergröße 50 nm oder mehr beträgt, beobachtet und der Messbereich von der Oberfläche bis zu 5 μm tief ist. Die in 2 gezeigten Ergebnisse wurden erhalten.
Diese Fehlerdichteverteilungsabbildung zeigt, dass wenn die LSTD-Dichte vor der Beseitigung der Fehler 500 Anzahl/cm² oder mehr beträgt, die meisten Fehler durch Wärmebehandlung beseitigt werden können.
Vergleichsbeispiel
Ein Einkristallblock wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gezüchtet, außer dass kein Vorlest zum Bestimmen der Agglomerationstemperaturzone unter Hinzufügen von Stickstoff durchgeführt wurde und eine allgemeine Wärmezone (C-Typ) verwendet wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der herkömmlichen Agglomerationstemperaturzone, d. h. 1100–1010°C bei 1,9°C/min gehalten, was eine Bedingung für eine beabsichtigte Fehlergröße erfüllt.
Der aus dem Kristall erhaltene hochglanzpolierte Siliziumwafer wurde durch Beobachten der Oberfläche darauf mit dem TEM gemessen, um die Fehlergröße zu bestimmen. Folglich war die Fehlergröße groß, durchschnittlich ungefähr 80 nm.
Weiterhin wurde der Wafer einer Wärmebehandlung zum Beseitigen von Fehlern (eine Stunde lang bei 1200°C, in einer Atmosphäre von Argongas) ausgesetzt und die Oberfläche des Wafers wurde beobachtet. Folglich verblieben viele der Fehler ohne Beseitigung auf dem Wafer. Die Testbedingungen und -ergebnisse werden zusammen in Tabelle 1 gezeigt. Dieses Ergebnis unterscheidet sich von der ursprünglichen Absicht, Fehler mit einer Größe von ungefähr 60 nm zu erhalten.
Danach wurde eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls in der Agglomerationstemperaturzone unter Hinzufügen von Stickstoff bestimmt. Der resultierende Wert betrug 1,3°C/min, was erweist, dass der Kristall allmählich in der Agglomerationstemperaturzone abgekühlt wurde.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, und diejenigen, die im Wesentlichen dieselbe Struktur wie die beschriebenen aufweisen und ähnliche Funktionen und Vorteile bereitstellen, sind in dem Bereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt.
Zum Beispiel werden die oben genannten Ausführungsformen beschrieben, während das Wachstum eines Siliziumeinkristalls mit einem Durchmesser von 15 cm (6 Inch) erwähnt wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auf das Wachstum eines Siliziumeinkristalls mit einem Durchmesser von 20 bis 40 cm (8 bis 16 Inch) oder größer angewendet werden.
Ferner kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht nur auf ein Czochralski-Verfahren, sondern auch auf ein so genanntes MCZ-Verfahren angewendet werden, in dem ein horizontales Magnetfeld, ein vertikales Magnetfeld, ein Spitzenmagnetfeld oder dergleichen auf die Siliziumschmelze angewendet werden.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß einem Czochralski-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Herstellen des Kristalls mit einer vorgegebenen Art und Konzentration von Fremdstoffen ein anderer Siliziumeinkristall mit derselben Art und Konzentration von Fremdstoffen wie der herzustellende Kristall gezüchtet wird, um dadurch eine Agglomerationstemperaturzone seiner eingewachsenen Fehler zu bestimmen, und dann auf der Basis der Temperatur eine Wachstumsbedingung des herzustellenden Kristalls oder eine Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt werden, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit zum Herstellen des Siliziumeinkristalls dadurch ist.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Art und Konzentration der Fremdstoffe zumindest Stickstoff und eine Konzentration davon ist.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls, in dem Stickstoff als Fremdstoff hinzugefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Agglomerationstemperaturzone eingewachsener Fehler des Kristalls, in dem die Stickstoffkonzentration im Bereich von 0,1 × 10¹³ bis 8,0 × 10¹³/cm³ liegt, um –50°C an der Temperaturobergrenze bzw. um –20°C an der Temperaturuntergrenze von einer Agglomerationstemperaturzone in einem Fall, in dem kein Stickstoff hinzugefügt ist, verschoben ist, und dann eine Wachstumsbedingung des herzustellenden Kristalls oder eine Temperaturverteilung innerhalb eines Ofens einer Ziehvorrichtung so gesetzt wird, dass eine Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der verschobenen Agglomerationstemperaturzone eine gewünschte Geschwindigkeit zum Herstellen des Siliziumeinkristalls dadurch ist.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eingewachsener Fehler 1,6°C/min oder mehr beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Kristalls zum Durchlaufen der Agglomerationstemperaturzone eingewachsener Fehler 1,0°C/min oder weniger beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine LSTD-Dichte 500 Anzahl/cm² oder mehr beträgt, bevor er einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumeinkristalls gemäß einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Größe des eingewachsenen Fehlers 70 nm oder weniger beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Siliziumwafers, der aus einem gemäß dem Verfahren in Anspruch 6 oder Anspruch 7 hergestellten Siliziumeinkristall hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer einer Wärmebehandlung in einer Atmosphäre nichtoxidierenden Gases ausgesetzt war.