DE60128544T2

DE60128544T2 - Verfahren zur herstellung einer siliziumschmelze

Info

Publication number: DE60128544T2
Application number: DE60128544T
Authority: DE
Inventors: John D. St. Peters HOLDER
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: KR100705526B1; WO2001061081A1; EP1257697A1; WO2001061081A9; DE60128544D1; KR20020081324A; JP2003522718A; US20020020339A1; JP4335489B2; EP1257697B1; TWI228552B; US6652645B2; US6344083B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallsiliziumbarren, die eine verringerte Menge an Kristalldefekten aufweisen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschmelze zum Ziehen von Einkristallsiliziumbarren, wobei die Siliziumschmelze eine sehr geringe Menge an Gasen enthält, die in Silizium unlöslich sind.
Bei der Herstellung von Siliziumeinkristallen, die durch das übliche Czochralski-Verfahren gezogen werden, wird zunächst polykristallines Silizium in Form von granularem Polysilizium, in Brocken gebrochenem Polysilizium oder einer Mischung von in Brocken gebrochenem und granularem Polysilizium in einem Tiegel geschmolzen und bei einer Temperatur von etwa 1500°C äquilibriert. In Brocken gebrochenes Polysilizium ist eine polykristalline Siliziummasse, die gewöhnlich eine unregelmäßige Form aufweist, mit scharfen, schroffen Kanten als Ergebnis der Tatsache, dass sie durch Zerbrechen von polykristallinen Siliziumbarren in kleinere Stücke hergestellt wird; in Brocken gebrochenes Polysilizium reicht typischerweise von etwa 2 cm bis etwa 10 cm in der Länge und von etwa 4 cm bis etwa 6 cm in der Breite. Granulares Polysilizium ist eine polykristalline Siliziummasse, die gewöhnlich kleiner, einheitlicher und glatter als das in Brocken gebrochene Polysilizium ist, als Ergebnis der Tatsache, dass es typischerweise durch chemische Dampfabscheidung von Silizium auf Siliziumgranulaten in einem Wirbelbettreaktor hergestellt wird; granulares Polysilizium reicht typischerweise von etwa 1 bis 5 mm im Durchmesser und hat gewöhnlich eine Packungsdichte, die etwa 20 % höher als die von in Brocken gebrochenem Polysilizium ist.
Sobald das Polysilizium erhitzt und geschmolzen ist, wird ein inertes Spülgas wie z. B. Argon fortlaufend über den Tiegel und das Silizium eingebracht, um unerwünschte Verunreinigungen aus der Schmelzfläche zu entfernen, die in und um die Schmelze während des Schmelzens des Polysiliziums erzeugt werden. Nachdem das Silizium vollständig geschmolzen ist und eine Temperatur von etwa 1500°C erreicht hat, wird ein Impfkristall in die Schmelze getaucht und danach, während der Tiegel rotiert wird, zur Formung eines Einkristallsiliziumbarrens herausgezogen. Während des Anfangsstadiums des Schmelzverfahrens, wenn die polykristalline Ladung vollständig oder teilweise im festen Zustand ist, kann das Spülgas in der Polysiliziumladung eingeschlossen werden. Das Gas kann zwischen den einzelnen Polysiliziumchargenstücken selbst oder zwischen den Ladungsstücken und den Seiten oder dem Boden des Tiegels eingeschlossen sein und kann eventuell zu unlöslichen Blasen in der Schmelze führen, die in den wachsenden Kristall eingebaut werden können. Obwohl die meisten der unlöslichen Blasen, die in der Schmelze vorhanden sind, wie z. B. Argonblasen, während des Schmelzens und der Temperatur-Äquilibrierung in die angrenzende Atmosphäre freigesetzt werden, verbleiben einige in der Siliziumschmelze und können in den Siliziumkristall eingebaut werden, wobei sie Fehlstellen in dem Kristall erzeugen.
Zwar tritt das Problem der eingeschlossenen Gase bei allen Beladungsarten auf, einschließlich in Brocken gebrochenem Silizium, polykristallinem Silizium und Mischungen davon, das Problem ist aber insbesondere akut bei Ladungen, die nur aus granuliertem, polykristallinem Silizium bestehen; das granulierte Polysilizium mit seiner hohen Packungsdichte neigt dazu den Boden und die Seitenwände des Tiegels zu isolieren, und macht es für unlösliche Gase, wie z. B. Argon, schwieriger während des Schmelzverfahrens zu entweichen. Das Spülgas, das herkömmlich aufgrund seines geringen Preises und seiner nichtreaktiven Natur Argon war, ist in Silizium sehr schwer löslich. Da Argon in Silizium sehr schwer löslich ist, bildet das in der Schmelze eingeschlossene Argongas während des Schmelzens kleine Blasen in dem flüssigen Silizium. Viele der unlöslichen Gasblasen, die in der flüssigen Schmelze enthalten sind, steigen zur Oberfläche auf oder werden durch Konvektion zu der Oberfläche transportiert und in die Gasumgebung des wachsenden Kristalls freigesetzt, und haben daher keine nachteilige Wirkung auf den wachsenden Barren. Eine geringe Zahl der Gasblasen verbleibt während des Ziehverfahrens in der flüssigen Schmelze und wird während des Ziehens in den Kristall selbst eingebaut. Diese Blasen, die gewöhnlich aus dem unlöslichen Argonspülgas bestehen, werden an der flüssig-festen Ziehgrenzfläche eingeschlossen und verursachen große Kristallfehlstellen auf der Kristalloberfläche. Solche Defekte werden gewöhnlich auf geschnittenen Siliziumwafern als große Vertiefungen, die einen Durchmesser von mehr als 1 Mikrometer aufweisen, charakterisiert und detektiert. Diese Vertiefungen werden durch Laserabtastung eines polierten Wafers identifiziert, der aus dem gezogenen Kristall geschnitten wurde. Solche Defekte können 4 % oder mehr der Wafer, die aus gezogenen Kristallen geschnitten wurden, betreffen und dazu führen, dass diese Scheiben für die Güteklasse-Eins-Waferherstellung ungeeignet sind.
Es gibt daher in der Halbleiterindustrie einen Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumschmelze für das Ziehen eines Siliziumeinkristalls, wobei die Siliziumschmelze eine sehr geringe Menge an Gasen enthält, die in Silizium unlöslich sind.
Die japanische Patentanmeldung Nr. 04128062 ist auf ein Verfahren zum Kristallziehen gerichtet, wobei beschrieben wird, dass die Erzeugung von Ätzvertiefungen in dem Einkristallsilizium durch das Einbringen von Stickstoff in die Siliziumschmelze kontrolliert wird.
Die französische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2.038.156 (siehe auch US-Patent Nr. 3,615,261 ) ist auf ein Verfahren zum Kristallziehen gerichtet, wobei beschrieben wird, dass ein Einkristallsiliziumbarren erhalten wird, der einen einheitlichen Widerstand entlang eines wesentlichen Teils seiner Länge aufweist. Dieser Barren wird unter Verwendung einer Heliumatmosphäre hergestellt, um eine im Wesentlichen konstante Konzentration an Verunreinigungen in der Schmelze während der Kristallbildung aufrecht zu erhalten.
Das US-Patent Nr. 4,591,409 ist auf ein Verfahren zum Kristallziehen gerichtet, wobei beschrieben wird, dass ein Einkristallsiliziumbarren erhalten wird, in dem Sauerstoff- und Stickstoffdotieratome gleichmäßig verteilt sind. Dieser Barren wird durch Identifizieren der richtigen Moleküle in und oberhalb der Schmelze und Bestimmung des thermochemischen E Äquilibriums zwischen den beiden chemischen Sorten hergestellt, was zu einer Änderung der Zusammensetzung des Siliziumeinkristalls während des Ziehprozesses führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter den Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Siliziumschmelze, die einen sehr geringen Gehalt an in Silizium unlöslich Gasen enthält; die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliziumeinkristalls, der einen sehr geringen Gehalt an großen Kristallfehlstellen aufweist; die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Siliziumschmelze, das eine hohe Prozentzahl von Güteklasse-Eins-Wafern erzeugt; die Bereitstellung eines einfachen, kostengünstigen Verfahrens, das die Zahl der Defekte in gezogenen Siliziumeinkristallen vermindert; und die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Siliziumschmelze, in der im Wesentlichen das gesamte Gas, das während des Schmelzverfahrens in der Siliziumcharge eingeschlossen wurde, in Silizium löslich ist.
Die vorliegende Erfindung ist daher auf ein Verfahren zur Steuerung der Menge an von einer Siliziumschmelze eingeschlossenem unlöslichen Gas gerichtet. Das Verfahren umfasst zunächst das Beladen eines Tiegels mit polykristallinem Silizium und Erhitzen des Tiegels zum Schmelzen der Ladung. Während des Schmelzens der polykristallinen Ladung wird ein Spülgas in die polykristalline Ladung eingeströmt. Das Spülgas hat einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³.
Die vorliegende Erfindung ist weiter auf ein Verfahren zur Steuerung der Menge an von einer Siliziumschmelze eingeschlossenem unlöslichem Gas gerichtet, wobei zuerst ein Tiegel mit polykristallinem Silizium beladen wird und der Tiegel zum Schmelzen der Ladung erhitzt wird. Ein Spülgas, das einen Molenbruch von mindestens 0,1 an einem Gas mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist, wird in die Ladung während einer Heizphase und einer Schmelzphase des polykristallinen Schmelzverfahrens eingeströmt. Die Heizphase umfasst die Zeitdauer während des Schmelzens des Siliziums, vor der Bildung des geschmolzenen Siliziums, und die Schmelzphase umfasst die Zeitdauer von der Bildung des geschmolzenen Siliziums bis zum vollständigen Schmelzen der polykristallinen Siliziumladung.
Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden teilweise ersichtlich sein und teilweise im nachfolgenden dargelegt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm des Strömungsmusters eines Spülgases während des Schmelzens einer polykristallinen Siliziumladung in einem Kristallziehapparat.
Übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnen übereinstimmende Teile innerhalb der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass die Zahl an großen Kristallfehlstellen, die sich in einem Siliziumeinkristall während eines Czochralski-Ziehverfahrens als Ergebnis von eingeschlossenen Gasen in den Kristall bilden, signifikant verringert oder sogar vermieden werden kann, indem während des Schmelzens der Ladung ein Spülgas mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in eine polykristalline Siliziumladung eingeströmt wird. Vorteilhafterweise kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Bildung einer Masse aus geschmolzenem Silizium in einem Tiegel eingesetzt werden, d. h. einer Siliziumschmelze aus Polysiliziumladungen umfassend in Brocken gebrochenes Polysilizium, granuliertes Polysilizium oder eine Mischung von in Brocken gebrochenem und granuliertem Polysilizium.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Tiegel mit Polysilizium beladen und dann zur Bildung von geschmolzenem Silizium erhitzt. Während des gesamten Schmelzvorgangs der Ladung, während dem die Polysiliziumladung erhitzt und geschmolzen wird, wird ein Spülgas in den Tiegel hineingeleitet. 1 zeigt das Strömungsmuster eines Spülgases innerhalb eines Kristallziehapparates 2 während des Erhitzens und des Schmelzens von polykristallinem Silizium. Das Spülgas 6 erreicht den Kristallziehapparat 2 durch den Spülgaseinlass 4 und fließt durch ein Spülrohr 12 hinunter in den Tiegel 8, der die Polysiliziumladung 10 enthält. Der Tiegel 8 wird durch eine Trägerstruktur 22 gestützt und durch die Heizelemente 24, 26, 28 und 30 erhitzt. Das Spülrohr 12 leitet das Spülgas direkt in den Tiegel 8 und die polykristalline Ladung 10. Das Spülgas 6 weist innerhalb des Kristallziehapparates 2 und des Tiegels 8 ein laminares Fließmuster auf und trägt Verunreinigungen, die während des Schmelzens der polykristallinen Ladung entstanden sind, von der Tiegelfläche weg. Das Spülgas 6 verlässt den Tiegel 8, der die polykristalline Ladung 10 enthält, durch die offenen Flächen 18 und 20 und verlässt den Kristallziehapparat 2 durch die Spülgasauslässe 14 und 16. Die Fließgeschwindigkeit des Spülgases wird eingestellt, um einen Druck oberhalb des Tiegels von zwischen etwa 0,13 und etwa 5,3 kPa (etwa 1 und etwa 40 Torr), mehr bevorzugt zwischen etwa 1,3 und etwa 4,0 kPa (etwa 10 und etwa 30 Torr) und am meisten bevorzugt etwa 3,7 kPa (etwa 25 Torr) zu erreichen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst das Spülgas ein Gas mit einer relativ hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium. Vorzugsweise umfasst das Spülgas ein Gas mit einer Löslichkeit in geschmolzenem Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³, mehr bevorzugt von mindestens 1 × 10¹⁴ Atomen/cm³, mehr bevorzugt mindestens 1 × 10¹⁵ Atomen/cm³, noch mehr bevorzugt von etwa 1 × 10¹⁶ Atomen/cm³, noch mehr bevorzugt mindestens 1 × 10¹⁷ Atomen/cm³ und am meisten bevorzugt mindestens 6 × 10¹⁸ Atomen/cm³, um ausreichende Löslichkeit des Gases in der Siliziumschmelze zu gewährleisten. Solche Gase beinhalten z. B. Stickstoff, Chlor, Helium, Wasserstoff und Neon, wobei Stickstoff besonders bevorzugt ist. Gase von Verbindungen, die die gewünschte Löslichkeit aufweisen, wie z. B. NH₃ oder HCl liegen ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Das Spülgas kann ein einzelnes Gas oder eine Mischung von löslichen Gasen umfassen, oder eine Mischung von Argon und einem löslichen Gas; wenn eine Mischung von Argon und einem löslichen Gas verwendet wird, ist es gewöhnlich bevorzugt, dass der Molenbruch des löslichen Gases in der Spülgasmischung mindestens 0,2; 0,4; 0,5 oder sogar 0,6 beträgt. Vorzugsweise ist der Molenbruch des Gases in der Spülgasmischung mindestens 0,7; 0,8; 0,9 oder sogar 1. So kann z. B. das Spülgas eine Mischung von Argon und Stickstoff umfassen (und/oder anderen Gasen mit einer hohen Löslichkeit in Silizium). Ungeachtet der ausgewählten Gase haben die Quellgase vorzugsweise eine Reinheit von mindestens etwa 99 %, mehr bevorzugt von mindestens etwa 99,9 % und am meisten bevorzugt von mindestens etwa 99,99 %.
Für Zwecke der vorliegenden Erfindung kann angenommen werden, dass der Schritt des Schmelzens der polykristallinen Ladung bei einem Kristallziehverfahren zwei Phasen umfasst: Die Heizphase und die Schmelzphase. Die Heizphase des Schmelzvorgangs umfasst die Zeitdauer bevor sich geschmolzenes Silizium in dem Tiegel gebildet hat, einschließlich der Zeitperiode bevor jegliche Hitze auf den Tiegel angewandt wird, und die Schmelzphase des Schmelzvorgangs der Ladung umfasst die Zeitdauer von der Bildung des ersten geschmolzenen Siliziums bis die polykristalline Siliziumladung vollständig geschmolzen ist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst das Spülgas während mindestens einem Teil der Heizphase des Schmelzschritts bei einem Kristallziehverfahren vorzugsweise ein Gas mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium. Die Heizphase des Ladungsschmelzschritts (d. h. bevor sich jegliches geschmolzenes Silizium in dem Tiegel gebildet hat) ist das Stadium, bei dem der Einschluss von Gas zwischen Polysiliziumpartikeln oder der Seitenwandanordnung oder des Bodens am problematischsten ist; während dieses Stadiums kann das Spülgas zwischen den Polysiliziumpartikeln oder entlang der Seitenwandanordnung oder dem Boden des Tiegels eingeschlossen werden. Wie zuvor bemerkt, kann unlösliches Spülgas, das an diesen Orten eingeschlossen ist, versehentlich in den wachsenden Kristall eingeschlossen werden; lösliche Gase werden jedoch dazu neigen, sich in der Schmelze aufzulösen, wobei sie die Blasen entfernen, bevor sie z. B. in den wachsenden Kristall eingeschlossen werden können. Die Verwendung von Spülgasen mit einer hohen Löslichkeit in Silizium während der Heizphase vermindert oder vermeidet so signifikant die Anwesenheit von unlöslichen Gasen in dem geschmolzenen Silizium und infolge dessen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Siliziumeinkristall, der aus geschmolzenem Silizium gezogen wurde, Kristallfehlstellen enthalten wird. Für mindestens einen Teil der Heizphase ist es daher bevorzugt, dass die Molenbrüche des Gases/der Gase mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in dem Spülgas mindestens 0,2; 0,4; 0,5 oder sogar 0,6 betragen. Mehr bevorzugt beträgt der Molenbruch des Gases/der Gase mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in dem Spülgas mindestens 0,7; 0,8; 0,9 oder sogar 1 für mindestens 20 %, 40 %, 80 % oder sogar 100 % der Heizphase; d. h. bevor geschmolzenes Silizium sich in dem Tiegel gebildet hat.
Wenn der Schmelzvorgang der Ladung fortschreitet, beginnt die Schmelzphase, geschmolzenes Silizium wird in dem Tiegel gebildet, und eine Schicht von geschmolzenem Silizium beginnt sich zu sammeln und am Boden und den Seitenwänden des Tiegels zuzunehmen. Wenn fortlaufend mehr Silizium schmilzt, wächst der Stand des geschmolzenen Siliziums im Zentrum des Tiegels. Während dieser Zeitdauer wird der Einschluss von Gasen weniger problematisch, da unlösliche Gase weniger wahrscheinlich zwischen den Seitenwänden oder dem Boden Tiegels und die festen Polysiliziumpartikel eingeschlossen werden. Auch wird der Einschluss von unlöslichem Gas zwischen den Polysiliziumpartikeln selbst beim vollständigen Schmelzen der Polysiliziumladung weniger problematisch, da die festen Polysiliziumpartikel, die in der Schmelze zurückbleiben, durch das flüssige Silizium benetzt werden, was es für das unlösliche Gas schwierig macht, zwischen die Partikel einzudringen und eingeschlossen zu werden. Infolgedessen nimmt der Vorteil der Aufnahme eines Gases mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in das Spülgas ab. Nichtsdestotrotz kann es nützlich sein während der Schmelzphase, d. h. der Zeitperiode von der Bildung von geschmolzenem Silizium bis die Polysiliziumcharge vollständig geschmolzen ist, ein Gas mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in das Spülgas aufzunehmen. Für mindestens einen Teil dieser Schmelzphase und vorzugsweise bis mindestens der Boden des Tiegels mit einer Schicht von geschmolzenem Silizium bedeckt ist, ist der Molenbruch des Gases/der Gase mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in dem Spülgas vorzugsweise mindestens 0,2; 0,4 oder sogar 0,6. Mehr bevorzugt ist der Molenbruch des Gases/der Gase mit einer hohen Löslichkeit in geschmolzenem Silizium in dem Spülgas mindestens 0,7; 0,8; 0,9 oder sogar 1 für mindestens 5 %, 10 %, 20 %, 40 %, 80 % oder sogar 100 % der Schmelzphase des Schmelzvorgangs der Ladung.
Wenn die Schmelzphase des Ladungsschmelzschritts eines Kristallziehverfahrens abgeschlossen und die Polysiliziumladung vollständig geschmolzen ist, kann kein weiteres Spülgas zwischen der Polysiliziumcharge und den Tiegelseitenwänden oder Boden oder zwischen den Polysiliziumchargenpartikeln selbst eingeschlossen werden. An diesem Punkt kann das Spülgas auf eine gewöhnliche Argonspülung oder andere Spülungen umgestellt werden, ohne Sorge über die Spülgaslöslichkeit in dem Silizium. Wenn ein bevorzugtes Stickstoffspülgas während der Heiz- und/oder Schmelzphase des Schmelzvorgangs der Ladung verwendet wird, ist es gewöhnlich bevorzugt, dass, nachdem die polykristalline Ladung vollständig geschmolzen und flüssig ist, das Spülgas auf Argon oder ein anderes Spülgas umgestellt wird, um die Menge des Stickstoffs zu kontrollieren, der sich in der Schmelze aufgelöst hat. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben sich vorzugsweise nicht mehr als etwa 5 × 10¹² Stickstoffatomen/cm³ in der flüssigen Schmelze während des Schmelzens aufgelöst. Eine Einbringung von Stickstoff im Überschuss in das geschmolzene Silizium kann zur Bildung von festen Nitridpartikeln führen, die es schwierig machen, fehlstellenfreie Kristalle zu ziehen.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein lösliches Spülgas, wie z. B. Stickstoff, während des Heizens und Schmelzens des Ladungsschmelzschritts eines Kristallziehverfahrens und während des Kristallziehens verwendet werden, um mindestens 1 × 10¹⁰ Atomen/cm³, mehr bevorzugt mindestens 5 × 10¹³ Atomen/cm³ oder mehr in den wachsenden Kristall einzubringen. Der stickstoffdotierte Kristall wird dann in Siliziumwafer geschnitten und danach durch Abrunden, Schleifen, Ätzen, Polieren und ähnliche allgemeine Verfahren bearbeitet, um fertige Siliziumwafer herzustellen. Nach der Bearbeitung wird der Wafer einer Hitzebehandlung unterworfen, unter Verwendung eines schnellheiz/schnellkühl-Apparates, um Sauerstoff und Stickstoff in der Oberflächenschicht auszudiffundieren, und so Defekte in dem Wafer zu beseitigen. Dieses Verfahren ist in der Technik bekannt und vollständig in dem EPA-Patent Nr. 0942077 beschrieben.
Siliziumschmelzen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Spülgases mit einer hohen Löslichkeit in Silizium für eine Zeitdauer während des Schmelzens der Ladung hergestellt werden, enthalten einen signifikant geringeren Gehalt an unlöslichen Gasen verglichen mit Schmelzen, die mit gewöhnlichem Argonspülgas hergestellt wurden. Etwa 4 % der Siliziumwafer, die aus einem Siliziumeinkristall geschnitten wurden, der aus gewöhnlich hergestellten Schmelzen gezogen wurde, hatten mindestens eine große Vertiefung, die sie für ein Güteklasse-Eins-Produkt ungeeignet macht. Zum Beispiel sind bei 1000 Siliziumwafern, die aus gewöhnlich hergestellten Schmelzen hergestellt wurden, etwa 40 nicht als Güteklasse-Eins-Produkt verwendbar. Siliziumwafer, die aus Siliziumeinkristallen geschnitten wurden, die aus Schmelzen gezogen wurden, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, sind im Wesentlichen frei von großen Vertiefungen. Wie hier verwendet bedeutet der Ausdruck „im Wesentlichen frei von großen Vertiefungen", dass die erhaltene Zahl von Wafern, die mindestens eine größere Vertiefung enthalten, auf mindestens 50 %, mehr bevorzugt auf mindestens 90 % und am meisten bevorzugt auf 100 % bezogen auf die Zahl von Vertiefungen auf Wafer, die aus Siliziumschmelzen unter Verwendung von gewöhnlichem Argonspülgas in dem gesamten Schmelzverfahren hergestellt wurden, verringert wird. Zum Beispiel sind bei 1000 Siliziumwafern, die aus Barren herausgeschnitten wurden, die aus Siliziumschmelzen der vorliegenden Erfindung gezogen wurden, mindestens 20 Wafer mehr, vorzugsweise mindestens 36 mehr und am meisten bevorzugt 40 Wafer mehr als Güteklasse-Eins-Produkt verwendbar. Die erhaltenen Wafer sind im Wesentlichen frei von größeren Vertiefungen, wenn die Menge an unlöslichen Gasen, die in der Schmelze eingeschlossen sind und in den wachsenden Barren transferiert werden, durch die Verwendung der Schmelze der vorliegenden Erfindung signifikant verringert oder vermieden wird. Daher wird eine viel größere Prozentzahl an Wafer, die aus dem Einkristall herausgeschnitten werden, für Güteklasse-Eins-Materialien geeignet sein.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Siliziumschmelze, die unter Verwendung von löslichem Spülgas hergestellt wird, wie bei Holder in US-Nr. 5,913,975 offenbart, während des Schmelzens des Polysiliziums in Kombination mit Quarztiegeln verwendet werden. Der Tiegel, der in US-Nr. 5,913,975 beschrieben ist, wird durch Verschmelzen des Tiegels in einer Atmosphäre wie z. B. synthetische Luft, die einen sehr geringen Gehalt an Argon enthält, hergestellt. In diesem Beispiel leistet der verschmolzene Tiegel während des Schmelzens von polykristallinem Silizium keinen signifikanten Beitrag zu den unlöslichen Gasen in die Siliziumschmelze. Die Kombination der Siliziumschmelze der vorliegenden Erfindung mit dem von Holder in US-Nr. 5,913,975 offenbarten Tiegel kann zu einer weiteren Verringerung von Gasen führen, die in Silizium unlöslich sind und in einen wachsenden Siliziumbarren eingebaut werden, und so zur Herstellung von mehr Güteklasse-Eins-Wafern pro gezogenem Kristall führen.
Die vorliegende Erfindung wird durch das folgende Beispiel verdeutlicht, welches lediglich dem Zwecke der Veranschaulichung dient ist und nicht als den Umfang der Erfindung oder Weise, in der sie ausgeführt werden kann, als beschränkend anzusehen ist.
BEISPIEL
In diesem Beispiel wurden zwei separate 32 kg Siliziumladungen umfassend 100 % granulares Polysilizium jeweils in einem 14 Inch-Durchmesser-Tiegel in einem Kayex-Hamco 3000-Ofen geschmolzen und daraus Siliziumeinkristallbarren gezogen. Um die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Blasen aus unlöslichen Gasen zu erhöhen, wurde jeder Tiegel auf den Innenseitenwänden und dem Boden mit einem Bariumkarbonat-Entglasungspromotor beschichtet. Die Siliziumbarren wurden danach in einzelne Siliziumwafer geschnitten, die einseitig poliert und auf große Vertiefungen geprüft wurden.
Die erste 32 kg Ladung an granuliertem Polysilizium wurde unter einem gewöhnlichen Argonspülfluss bei einer Geschwindigkeit von etwa 32 slm und einem Druck von etwa 3,3 kPa (etwa 25 Torr) geschmolzen. Das Polysilizium wurde geschmolzen und bei einer Temperatur von etwa 1500°C äquilibriert. Der Schmelz- und der Äquilibrierungsvorgang dauerten etwa 3,5 Stunden. Nachdem das Polysilizium äquilibriert war, wurde ein Kristall mit einem Durchmesser von 120 mm in einem ersten Ansatz auf eine Länge von etwa 1200 mm gezogen. Der Kristall wurde danach geschnitten und in 100 mm-Wafer geschliffen, die einseitig poliert wurden und durch Laserabtasten auf einem Modell CR80 Laserscanner (A.D. Optical) auf große Oberflächenvertiefungen größer als 10 Mikrometer im Durchmesser überprüft. Die Laserabtastung ergab, dass 3,2 % der polierten Siliziumwafer eine oder mehrere Vertiefungen auf der polierten Oberfläche besaß, die einen Durchmesser gleich oder größer als 10 Mikrometer aufwiesen.
Die zweite 32 kg Ladung an granuliertem Polysilizium wurde unter einer Stickstoffspülung bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 52 slm und einem Druck von etwa 3,3 kPa (etwa 25 Torr) für etwa 1 Stunde geschmolzen, bis sich eine durchgehende Schicht von flüssigem Polysilizium in Kontakt mit den Seitenwänden und dem Boden des Tiegels gebildet hatte. Nach etwa 1 Stunde wurde das Spülgas auf eine gewöhnliche Argonspülung bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 32 slm und einem Druck von etwa 3,3 kPa (etwa 25 Torr) umgestellt. Das Polysilizium wurde vollständig geschmolzen und bei einer Temperatur von etwa 1500°C äquilibriert. Der Schmelz- und Äquilibrierungsvorgang dauerte etwa 3,5 Stunden. Nachdem das Polysilizium äquilibriert war, wurde ein Kristall mit einem Durchmesser von 120 mm in einem ersten Ansatz auf eine Länge von 1200 mm gezogen. Der Kristall wurde danach geschnitten und in 100 mm-Wafer geschliffen, die einseitig poliert wurden und durch Laserabtastung auf einem Modell CR80 Laserscanner (A.D. Optical) auf große Oberflächenvertiefungen größer als 10 Mikrometer im Durchmesser überprüft. Die Laserabtastung ergab, dass 0,7 % der polierten Siliziumwafer einen oder mehrere Vertiefungen auf der polierten Oberfläche besaßen, die einen Durchmesser gleich oder größer als 10 Mikrometer aufwiesen.
Das Ergebnis dieses Experiments zeigt, dass Siliziumwafer, die aus Einkristallen geschnitten wurden, die aus der Schmelze unter Verwendung eines Spülgases mit einer hohen Löslichkeit in Silizium hergestellt wurden, etwa 80 % weniger große Vertiefungen auf der polierten Oberfläche aufwiesen.
Hinsichtlich oben, wird sich zeigen, dass mehrere Aufgaben der Erfindung erreicht werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Menge an von einer Siliziumschmelze eingeschlossenem unlöslichen Gas, wobei das Verfahren umfasst: Beladen eines Tiegels mit polykristallinem Silizium; Erhitzen des Tiegels um die polykristalline Siliziumladung zu schmelzen; und Einströmen es Spülgases in die polykristalline Siliziumladung während die polykristalline Siliziumladung geschmolzen wird, wobei während mindestens 5 % der Schmelzphase beim Schmelzen des polykristallinen Siliziums das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist, und das Spülgas mit einer Geschwindigkeit fließt, so dass der Druck oberhalb des Tiegels zwischen 0,13 kPa (1 Torr) und 5,3 kPa (40 Torr) liegt, und die Schmelzphase umfassend den Zeitraum von der Ausbildung geschmolzenen Siliziums bis die polykristalline Siliziumladung vollständig geschmolzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während mindestens 10 % der Schmelzphase beim Schmelzen des polykristallinen Siliziums das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während mindestens 20 % der Schmelzphase beim Schmelzen des polykristallinen Siliziums das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während mindestens 40 % der Schmelzphase beim Schmelzen des polykristallinen Siliziums das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während mindestens 80 % der Schmelzphase beim Schmelzen des polykristallinen Siliziums das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,2 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,4 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,6 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,8 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das lösliche Gas eine Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹⁵ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das lösliche Gas eine Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹⁷ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das lösliche Gas Stickstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das lösliche Gas Helium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während mindestens 20 % einer Aufheizphase der polykristallinen Siliziumschmelze das Spülgas einen Molenbruch von mindestens 0,1 eines Gases mit einer Löslichkeit in Silizium von mindestens 1 × 10¹³ Atomen/cm³ aufweist, wobei die Aufheizphase einen Zeitraum während des Schmelzens des Siliziums umfasst, bevor geschmolzenes Silizium ausgebildet wird.